《20世紀以來的基礎物理學》復盤與總結
大家好，這裡是ScalersTalk行業論壇第34期分享的復盤。
第34期我們邀請到了成長會的Sumika在6月19日進行了關於基礎物理學主題的分享。Sumika從20世紀早期的基礎物理學講起，向我們介紹了20世紀以來基礎物理學中的重要理論和成果，以及我們生活中的物理。希望Sumika的分享可以讓大家對基礎物理學有更多的了解。
分享提綱
一、緒論
1、物理學的內容
二、20世紀早期的突破
1、狹義相對論
2、廣義相對論
3、非相對論量子力學
4、融合的嘗試
三、從QED到標準模型
1、QED：光和物質的奇妙理論
2、粒子物理的標準模型
3、回顧與展望
四、現代的理論前沿
1、弦理論的前世今生
2、宇宙的未解之謎
五、實驗物理學的碩果
1、CERN與LHC
2、引力波與LIGO
3、中國的貢獻
六、物理與我們精彩內容摘要（完整文稿請在成長會群內下載）
&物理學的發展路線——前物理學時代（總結了一些零散的現象和規律，但是沒有形成體系）->經典物理學時代（形成了牛頓力學、麥克斯韋電磁學等體系，主要關注日常生產生活中的現象）->現代物理學時代（產生了廣義相對論、量子力學、量子場論、弦理論等理論，大大地擴展了物理學的疆域；關注的方面小到基本粒子，大到宇宙本身）
&經典的物理學在解釋高速運動的物體時遇到困難。邁克爾孫-莫雷實驗的結果說明了光速不隨參考系的變化而變化，否定了以太的存在性。為了解釋這些，愛因斯坦拋棄了牛頓的經典時空觀，提出了基於狹義相對性原理和光速不變原理的狹義相對論。
&狹義相對論只適用於慣性參考系。愛因斯坦通過思想實驗得到了「等效原理」，也就是引力效應和慣性效應在局部區域的等價性，並將引力的本質描述為質量引起的時空彎曲，以此將狹義相對論推廣為廣義相對論。他和數學家希爾伯特合作，利用能夠描述彎曲時空的黎曼幾何學給出了廣義相對論的數學表述。這一理論不但能夠解釋光線在有質量物體附近的偏折、水星近日點的進動等現象，甚至還預言了引力波的存在。
&經典物理學也無法解釋微觀世界中的現象。在普朗克、愛因斯坦、盧瑟福、玻爾、德布羅意、海森堡、薛定諤等人的共同努力下，量子力學的框架被建立起來。在這一框架下，物質由可以疊加的波函數描述，波函數的演化遵循薛定諤方程。
&薛定諤方程與狹義相對論的原理不相容。因此人們又將其改造成滿足相對論協變性的克萊因-高登方程和狄拉克方程。狄拉克方程預言了電子的反粒子——正電子的存在。這就是科幻小說里「反物質」這個概念的來源。粒子和反粒子的成對產生和湮滅是量子場論中的重要物理過程。
&量子電動力學（QED）是第一個融合了量子力學和狹義相對論的理論框架，它描述了光和物質之間的相互作用。QED描述了電磁相互作用，而自然界中還存在著強相互作用（可以用量子色動力學QCD來描述）、弱相互作用和引力相互作用。通過人們幾十年的工作而建立起來的粒子物理標準模型將電磁、強、弱三種相互作用統一了起來。
&在粒子物理標準模型的框架下一共有17種基本粒子，可以按照自旋是半整數還是整數分類為費米子和玻色子。費米子（夸克、電子、中微子等）構成了我們的物質世界，玻色子中的規範玻色子（光子、膠子、W玻色子、Z玻色子）是傳遞相互作用的粒子，而希格斯波色子則可以賦予規範玻色子以質量。
&各理論的適用範圍：經典物理（宏觀、低速），相對論（宏觀、高速），非相對論量子力學（微觀、低速）和量子場論（微觀、高速）
&也有人嘗試統一引力相互作用和電磁相互作用，卡魯扎-克萊因理論就是這樣的一個理論框架。它假設了時空是五維的，其中一個維度「緊化」成了一個看不見的小圓圈，所以我們能看到的時空維度只有四個。這個理論沒有有效的實驗驗證。
&二十世紀六十年代左右，人們發現如果把基本粒子解釋為振動的弦，那麼則可以解釋粒子物理中的一些問題，這就是弦理論的雛形。進一步地，基本粒子的區別解釋為弦的振動模式的區別。有種振動模式甚至可以對應假想中傳遞引力相互作用的粒子，也就是說弦理論很可能能夠統一四種基本相互作用。
&最早的弦理論叫做玻色弦理論，只適用於玻色子。為了讓它能夠推廣到費米子上，需要引入「超對稱」的概念，建立起費米子和玻色子之間的對應關係。加入了超對稱機制的弦理論就叫做超弦理論。
&弦理論有維數的限制，比如說超弦理論就要求時空是10維的。由於我們能夠看到的時空只有思維，就需要用「緊化」的方式處理其餘六個維度。利用「卡拉比-丘流形」這種六維幾何體可以完成這個任務。
&超弦理論有五個版本，分別為I型、IIA型、IIB型和兩種雜化弦理論，威滕將這五個版本和11維的超引力理論統一到了更一般的「M-理論」框架下，形成對偶關係網。在M理論中，出現的對象不只是1維的弦，還有二維的膜，甚至p維的p-膜。
&弦理論有個推論叫做全息原理，或者叫做AdS/CFT對應，這個原理建立了空間中的包含引力的物理理論和空間邊界上不包含引力的物理理論之間的對應關係。這個原理甚至是有實驗支持的，比如說它預言了夸克-膠子等離子體基本沒有流體的黏性，後經實驗驗證確實如此。
&我們的宇宙學模型中還存在著一些未解之謎，例如「暗物質」「暗能量」等。
&歐洲核子研究中心，也就是CERN，是粒子物理學實驗的聖地。在2012年，通過LHC上運行的粒子對撞實驗得到了希格斯波色子，完成了粒子物理標準模型的最後一步實驗驗證。
&2016年2月11日，加州理工學院的激光干涉引力波天文台（LIGO）發表了人類歷史上首次探測到引力波的結果，驗證了愛因斯坦的預言。2016年6月，LIGO和VIRGO又一次發表了引力波探測的結果。
&國內高能物理學的實驗主要由中科院高能所主導，例如20世紀八十年代建造完成的北京正負電子對撞機（BEPC），還有大亞灣核反應堆中微子實驗、江門中微子實驗、暗物質探測衛星「悟空」的發射等。
&目前國內還策劃巨型對撞機計劃CEPC-SppC，以及引力波探測計劃（空間太極計劃、天琴計劃）等。
&物理學，或者說是基礎科學，是工業的先驅。現在所研究的基礎物理學，將來也會成為新一代高科技的理論基礎。
&如果對物理學感興趣但是沒有太多時間，可以通過閱讀科普讀物的方式來了解物理學。但需要注意的是，科普讀物只能讓你了解物理而不能讓你理解，因為每一門學科都有自己獨特的方法論，只在高校中通過相關專業的學習掌握了科學研究的方法論才能算是理解了。
&如果對物理學感興趣，並希望深入學習物理，那麼最好的方法就是報考高校的物理學專業。
Q&A
Q1：如何看待量子力學背後的哲學思考？
A1：在量子力學理論剛建立起來的時候，有很多人不理解其中的與直覺相悖的內容，因此提出了一些哲學方面的問題。我認為提出這些問題對於科學家們也是有益的，因為對這些問題的思考也有助於幫助我們找到做研究的具體切入點。例如，對於「測量」「觀測者」這些概念的本質是什麼，以及對量子理論的各種詮釋（http://t.cn/R4Ocq0z），人們還沒有一個足夠清晰的認識，至今它們仍然是物理學中的重要課題。但是要注意的是，一個靠譜的物理理論必須通過實驗來驗證，並用數學語言進行描述，而不能僅僅通過哲學式的回答來得到。
Q2：有的書上說，科學都是對模型的解，是這樣的么？
A2：在沒有具體文本的情況下談論對這句話的理解沒什麼意義。如果你對這一類問題很感興趣，可以看一看鄭毓信的《科學哲學十講》這本書，來領會一下科學哲學的思考方式。
Q3：高中生對物理感興趣，高中階段學的也不錯，在大學選專業的時候有哪些方向的推薦？
A3：選擇金融和計算機吧，畢竟生存才是第一位的。
A3（真）：如果你沒被這句話嚇跑的話，請繼續往下看。做基礎科學的研究需要一定的奉獻精神，無論是學習的過程中還是做科研、找教職時都會充滿很多高中生所無法想到的困難，所以光是「有興趣」是遠遠不夠的。當然，迎接這些挑戰也是對人生的歷練，如果你能夠下決心面對它們的話，那麼物理學大專業下的各個小方向下都可以考慮，具體有哪些看你們高考之後發的報考指南即可。
物理相關專業的本科的學習可以讓你明白自己到底是否真的適合做物理學的研究。如果被科班訓練磨練了四年之後還能夠保持熱愛物理的心，才算是有做這方面研究的潛質，這時候可以進一步去讀博。如果你發現自己其實並不適合做物理，也可以在研究生階段轉到金融、IT、法律等方面，這樣的情況挺常見的。
無論如何，對自己的選擇負責到底才是最重要的，在這個過程中修鍊出的專業精神可以讓你在各行各業都能夠發展下去。
分享復盤
這是我的第一次分享，有很多的收穫但是也有不少的遺憾。總結一下，這次分享做得不夠好的有：
1.關於時間安排：大概在五月下旬我就接到了日程安排的通知，但一直拖到六月中旬才把各種準備做完。拖延症真是困擾當代人類的一大難題= =......
2.關於取材：「20世紀以來的基礎物理學」這個題目還是太大太泛了，以我自己的能力還不能很好地駕馭。物理方面的講座也有以小見大的例子，連通多個領域的例子，比如徐一鴻老師的《對稱》，（https://www.youtube.com/watch?v=MOTevbZNLYQ）。這方面我還得學習一個。
3.關於演講：我並沒有主動訓練過發聲、氣息之類的演講技巧，因此講的時候可能存在著一些聲調太平淡、沒有感染力的問題。
致謝
首先要感謝主持人Mine和小P能夠一邊忍受我的不專業和拖延症（汗）一邊細緻地幫我梳理練習和正式演講中的各種問題（鞠躬）。同時也要感謝陪同我進行試講練習的各位三講小組成員，你們的意見對我非常有指導意義（尤其是喵叔和臉叔機關槍似地指出一大堆問題，讓我印象特別深刻）。當然還要感謝倢菲的邀請，讓我有了做這次分享的動力，以及Ramon的L30視頻和粥粥的試講，為我提供了重要的參考。最後還要感謝參與正式分享的各位聽眾，希望這次講座沒讓人感覺太無聊^ ^。祝大家身體健康，再見。
關於20世紀以來基礎物理學的分享音頻，完整文稿，復盤都已經上傳至成長會內部群文件，歡迎大家下載查閱。
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