今天发布曹天元《上帝掷骰子吗？——量子物理史话》（升级版）介绍的第五部分，也是最后一部分。
摘要：狄拉克创立量子场论，这是对麦克斯韦经典电磁场理论的一次再造，科学家们据此发现了宇宙中有四种力：引力、电磁力、弱相互作用力和强相互作用力。
如何把这四种力统一在一个理论框架内，施瓦茨超弦理论做出了开创性的贡献，爱德华·威腾的M理论将五种超弦理论统一了起来。
量子论能否实现对整个物理学疆域的统一？让我们拭目以待！
01量子场论
——再造麦克斯韦电磁场理论
量子论的基本形式只是一个大的框架，它描述了单个粒子如何运动。但要描述在高能情况下，多粒子之间的相互作用，我们就必定要涉及场的概念，这就需要如同当年普朗克把能量成功的量子化一样，需要把麦克斯韦的电磁场也进行大刀阔斧的量子化，建立量子场论。
原书插图
这一工作由狄拉克开始，经由约当尔，海森堡，泡利和维格纳的发展，人们很快就认识到，所有粒子都弥漫在空间中的某种场中，这些场有着不同的能量形态。
量子电动力学认为，电磁力同性相斥、异性相吸，本质是两个粒子之间不停的交换光子的结果。但在原子核内部，就不再只是电磁力作用了，比如说一个氦原子核，它有两个质子和两个中子组成，中子不带电，两个质子却都带正电，为什么他们没有相斥而稳定在一起呢？
科学家们发现宇宙中其实有4种相互作用力：引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。
02 电弱统一理论和强子的发现
——迈出内部兼并第一步
弱相互作用中交换的是中间玻色子。60年代三位美国的科学家成功的从理论上证明了弱作用力和电磁力的一致性，他们的成果被称为电弱统一理论。到了80年代，它得到了实验结果证明。
强作用力本质上是交换介子（meson）的结果，那些能够感受强力的核子因此被称为“强子”，比如质子、中子等。1964年盖尔曼提出了一个模型，每一个强子都可以进一步被分割为夸克（quark），他们通过交换胶子（gluon）来维持相互的作用力。夸克既有不同的味道，更有不同的颜色，这就是量子色动力学。
03 I have a dream！
——统一物理世界版图
大一统理论（GUT）的目标是统一弱相互作用力、强相互作用力和电磁力，将他们包含到同一个理论框架中去。这是量子论内部版图的统一。目前这种理论还没有统一的版本。
万能理论（TOE），试图将4种力都统一到同一个框架中，但在广义相对论和量子论之间有一条可逾越的鸿沟。从目前的形势看，万能理论的可行路径应以量子论为主导。
04 施瓦茨超弦理论
——引力子找到了
1968年意大利物理学家维尼基亚诺发现1771年创立的欧拉β函数，竟然能够很好地描述核子中许多强相对作用力的效应。不久有三位物理学家分别证明了这个模型在描述粒子的时候等效于描述一根一维的弦。夸克被绑在弦的两端，它们永远不能单独从原子核中直被分割开。弦论要求我们的时空必须是26维的。
1971年，施瓦茨和雷蒙引入超对称思想，每个玻色子都对应于一个相应的费米子，这样原来弦论需要的26维可以简化到10维。
来自网络
1980年施瓦茨与人合作完成了超对称和弦论的融合。当把这一模型用于引力时，他们惊喜地发现了引力子（graviton）的存在。施瓦茨于1982年前后完成了引力的计算，到1984年，施瓦茨的超弦理论基本形成。
任何粒子这都不是传统意义上的点，而是开放或者闭合的弦，当它们以不同的方式振动时，分别对应着自然界中的不同粒子。10维空间中有6个维度是紧紧蜷缩着的，以至我们粗看上去宇宙仅仅是四维的，但如果把时空放大到普朗克空间尺度上，时空中的原本的一个点竟然是个六维的小球。
随后出现了不同的超弦理论，目前被保留下来的还有5种，都能自圆其说。
06 爱德华·威腾的M理论
——底层超弦论
1995年，爱德华威腾证明了不同耦合常数的弦论在本质上其实是相同的，五种弦论其实是一个大理论的5个变种，而且当耦合常数被放大时，出现了第11维。换句话说存在着一个更为基本的理论，现有的5种超弦理论都是它在不同情况的极限，它们互相包容，这就是M理论。在M理论中时空变成了11维，由此可以衍生出所有5种10维的超弦论。
这场革命仍在进行中，科学家们深信会出现一个量子引力理论，把整个物理学版图最终统一起来。
07 几点感受
至此，量子论史话一书全部介绍完了，我自己有如下几点感受。
第一、量子论是的一次科学革命。它不仅将重塑经典物理学，完成物理学版图的再造，还赋予了整个科学体系深刻的新思维和巨大的变革力量。更重要的是它对我们的最基本的哲学命题都将带来巨大的冲击，颠覆世人基本理念。
同时这场革命又是实实在在，量子论深入我们生活的每一个角落，它的影响无处不在，触手可及。它在实践中的成果甚至于领先于理论。所以他也是一场思想革命、哲学革命和革命实践。
第二、真正的创新必然是由年轻人主导的。
爱因斯坦斯坦提出光量子假说才26岁，玻尔提出他的原子结构模型28岁，德布罗意提出相波理论31岁，1925年海森堡创立矩阵力学24岁，同时期同样是成就斐然的一批年轻科学家包括泡利（25岁），迪拉克（23岁），乌伦贝克25岁，古兹密特23岁，约尔当23岁，薛定锷38岁，宗师级的波恩才43岁、玻尔40岁。量子力学被人们戏称为男孩物理学，波恩在哥廷根的理论班也被叫做波恩幼儿园。
所以年轻人不要被权威吓倒，更不要迷信权威，学阀现象在全世界都普遍存在。一些大师的思想都会趋于保守，而成为革命的反对派。有人戏谑爱因斯坦，1925年后的他，这时才36岁，即使以钓鱼度过余生，也不会给物理学带来任何遗憾。
第三、科学需要天才的想象。纵贯量子论的发展史你就会发现大部分的理论，首先都是假设性的理论，随后才被实验证明是正确的，有的至今还没有得到验证。普朗克黑体公式、薛定谔ψ函数发明出来的时候，都不知道其物理含义是什么。科学仅仅依靠严密的逻辑是远远不够的。
第四、科学是相对的，并不等于真理，要崇尚科学，但不迷信科学，科学不是真相的全部。。科学是不断发展的，经历一个肯定——否定——肯定……螺旋上升的过程。
非理性因素会影响科学的纯粹理性精神，比如牛顿对胡克的理论攻击就夹杂了许多个人恩怨的因素，德布罗意屈服于权威玻尔、冯·诺伊曼的权威，放弃导波理论。科学理论的地位，有时与提出者的学术地位有关，科学理论也需要人气。科学不总是那么严肃，科学家的立场、地位、和情感，都会对他的学术观点产生影响。
第五、科学的大发展需要有激烈的对抗和冲突。波粒战争、量子论和经典物理学的交锋就是最好的例证，量子理论就是在斗争中发展壮大的。
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