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第二课 物理世界话演生 主讲人  《云里 · 物理》系列微课简介 
 在这一课，我给大家介绍一下现代物理学发展的现状和趋势。 物理学是研究自然规律和物质结构的，它的研究对象非常广——从我们肉眼根本看不见的一些基本粒子，比如说夸克、电子、中微子，一直到整个广袤无垠的宇宙，以及这些物质的运动或相互作用导致的千奇百怪的物理现象。 物理学研究的路线图 01 物理学研究有两种范式或者两种路线图。一种范式叫还原论的范式；另外一种叫演生论的范式。 还原论它的基本原理是说什么呢？就是自然界的一切，都是由最基本的组成单元和规律所决定的。如果能够知道基本结构和基本规律，就能知道自然界的一切（规律）。而演生论呢相反，是说客观世界的变化无穷无尽、是分层次的。每个层次都有自己的规律。过去的经典物理、原子物理、核物理、粒子物理，它研究的范式就是还原论范式；而凝聚态物理、热力学、统计物理，它的研究主要范式是演生论的范式。 接下来给大家介绍一下什么是还原论。还原论的范式就是要寻找物质世界的基本结构和基本规律。第一就是要发现构成物质的基本粒子是什么。给大家举个例子，比方讲水：水我们知道它是由水分子组成的。水分子就是化学和分子物理研究的内容。水分子它是有结构的——一个水分子是有两个氢原子、一个氧原子。那么原子又是由原子物理研究的。原子也是有结构的：它里面有电子还有原子核。电子我们知道是个基本粒子，没有办法把它再分。但原子核呢还可以继续分。原子核又是由质子和中子构成的。原子核呢又是由核物理研究的。比方讲氧16：这个原子核就有8个质子和8个中子。那么这些质子和中子有没有结构呢？物理学家发现，它也是有结构的。质子和中子是由夸克组成的。那么对夸克和这些基本粒子的研究又是由粒子物理来研究的。那么夸克是不是有结构呢？现在我们不知道。因为我们现在没有这么大的加速器能够探测到夸克内部的结构。 那么还原论还有个目标，就是要发现支配物质运动的基本相互作用和基本规律。我这里也给大家举个例子，比方讲引力相互作用的发现。引力相互作用实际上是我们认识最早的，因为我们就生活在这么一个引力场里面。但从理论上把它系统化的研究是从开普勒的行星运动三定律的发现开始的。开普勒在总结了他的导师第谷的大量的实验的观测数据的基础上，提出了行星运动的三定律。牛顿又在开普勒行星运动三定律的基础上发现了万有引力定律。当然，把我们对宇宙的认识提高了一大步。爱因斯坦呢，又在牛顿的基础上发现了广义相对论，把我们认识的引力和时空结合在一起。所以这个理论在一步一步地往前走，我们认识越来越深入。那是不是到头了呢？也没有。因为我们现在根据我们的天文观测就发现，我们认识的这个世界，我们真正看见的世界的物质，只占整个宇宙的非常小的一部分——只有百分之四。还有百分之九十六，是所谓的暗物质、暗能量。这个暗物质、暗能量是什么，我们现在还一无所知。因此对这个方面的探测和认识在进一步深入，我想我们还会有更新、更好的理论出现。 我们的世界究竟是由什么组成的 02  《自然哲学的数学原理》 那么经过了几十年的研究，我们现在知道，组成这个世界的最基本的粒子主要有三类：一类就是夸克；第二类就是轻子；第三类就是中微子。夸克呢，现在有六种夸克，发现的有六种夸克。那么轻子呢，有三种：电子、μ轻子、τ轻子。还有三种中微子：电子中微子、μ中微子、τ中微子。另外还有传递这些基本粒子之间（相互作用）的一些玻色子。比方讲光子，就是我们看见的光，就是光子。它是传递电磁相互作用的。还有胶子，是来传递强相互作用的。还有这个Z玻色子、W玻色子。还有另外一个是前几年非常轰动的一个粒子，叫希格斯粒子，也叫上帝粒子。  我们现在发现自然界有四种基本相互作用力：一种是大家比较熟悉的引力；第二是电磁相互作用力；还有两个相互作用呢，一个是叫弱相互作用力，这个是原子核衰变时候才会观测到的一种相互作用力；还有就是强相互作用力，也就是中子、质子之间的相互作用，就是这种强相互作用力。  四种相互作用力 那么这四种相互作用力，它们有非常不同的能量尺度。它们之间有关系吗？这个问题呢，实际上是在爱因斯坦建立了广义相对论以后呢，他的后半生花了大量的精力要研究是否解决的问题，要建立起一个统一的场论。但很可惜一直到他去世，他也没建立起来。在他去世之后呢，在60年代的时候，三位理论物理学家：Salam、Weinberg、Glashow把电磁相互作用和弱相互作用统一了，建立起了电磁与弱相互作用的一个统一的规范场论。后来大家又试图想把三种相互作用建立起来，关系建立起来，统一到一个框架下——就是电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用，这叫所谓的“大统一理论”。这个理论是有了，但是呢还没有得到实验的验证。但是更大的一个统一场论——把四种相互作用建立起来，这样的一种场论，目前还没有。 在量子力学和场论的发展比较成熟的情况下，似乎给我们一种感觉，就是物理学好像它的原理我们又好像抓到了什么。又一次让我们感觉——像在19世纪末期的那种——达到了物理学的顶峰的感觉。那么这个呢，实际上也有非常多的物理学家，在上个世纪四五十年代有这种观点。基本粒子和基本规律的发现，就是还原论的一个非常成功的地方。这个成功呢，似乎又一次让我们觉得，物理学似乎又走到了一个顶峰。我们发现了自然界的一些基本规律了，那么下面要做的事情，又是做一些“修修补补”的事情。  狄拉克 好嗨哦，感觉物理又达到了巅峰 03 那么是真的是达到了顶峰了吗？知道基本粒子和基本相互作用就能知道一切吗？答案是否定的。我们都知道：水是由水分子组成的，水分子是由量子力学描述的。但是我们把大量的水分子合在一起以后呢，成了水之后，量子力学的描述就不一定能够对我们这些规律性的东西有指导意义。因为水它可以有各种各样的形态。比方说，它可以有气态、有水蒸气，它也可以变成液体，变成我们可以喝的水。如果把温度降低一点，它还会变成冰，变成一个固体。那么这种不同的形态，它有自己的运动规律和运动形式，是很难直接从量子力学来给出一个肯定性或者一个准确性的描述。那么从更大的一个层次来讲，比方讲物理、化学、生物、意识，还有整个社会，是不同的层次，是更大的层次上的变化。那么物理的规律和化学的规律是不一样的，化学跟生物也是不一样的。到了意识就更加复杂，我们现在还不知道它有什么规律。但是社会的这种，人与人之间的接触的规律，更加复杂一点。所以说，这个不同层次的规律是不一样的。 那么大家会问，为什么把大量的粒子，或把非常复杂的一个系统放到一起之后，它会呈现出不同的规律呢？从物理学的角度来讲，至少有三个原因：一个是不同的物理系统或是相同的物理系统，它会出现相变出现不同的形态。比方讲刚才我说的水，它有气态、固态、液态。  另外呢，大量粒子在一起，它会出现非常强的非线性效应，甚至混沌效应。什么是混沌效应？就是你给它一个非常小的扰动，它会走到一个完完全全跟你这个扰动想象不到的一个状态上去。通常也叫蝴蝶效应。这蝴蝶效应是说什么呢？比方讲在南半球，一个蝴蝶扇了一下翅膀，结果跑到北半球来，出现了一个龙卷风，这就是所谓的蝴蝶效应。那么这也是多粒子系统的一个典型的效应。  非线性混沌效应 另外呢，如果说这些粒子是量子粒子的话呢，这些粒子之间还会发生量子纠缠。是什么意思呢？就是说这些粒子之间，它都是非常强地关联在一起的。任何一个粒子，有一点点扰动或者变化，其他的都会感受的到。换句话讲，就是“牵一发而动全身”。而量子纠缠实际上也是非常有用的，因为它可以用来帮助我们建造量子计算机。虽然现在还没造出来，但是这个原理，它保证我们是可以做的。从20世纪中叶开始，实际上就是这个演生论就逐渐从一个配角变成现在物理学研究的一个主角。  量子计算机 多则生变 04 那么什么是演生论呢？演生论就是研究大量粒子聚集在一起的时候所呈现的规律。著名的物理学家安德森，他也是诺贝尔奖的获得者，曾经对演生论有一段非常精辟的论述。他说呢，由基本粒子构成的，巨大和复杂的集聚体的行为不能依据少数粒子的性质做简单外推就能理解。而正好相反，在复杂系统的每一个层次，都会呈现出全新的规律。而要理解这些新行为，所需要做的研究，就其基础性而言与其他研究相比毫不逊色。他的意思就是说，不同层次里面，实际上它有它自身的规律。而且就重要性也都是平等的。那个这个层次的话，简单讲有很多种方式分这个层次，至少有三种层次。 安德森 比方讲空间层次，我们可以大的宇宙是一种层次；到了这个星系团是另外一个层次——比方讲这个银河系；然后太阳系又是一个新的层次；到了地球，那么它是一个更小的层次。另外还有时间层次，比方讲一个人从幼儿变成青年到中年、老年，他的行为方式也是不一样的，这就是时间层次。此外还有一个叫关联层次，什么叫关联层次呢。就是这个粒子之间，实际上是有相互作用的，这个相互作用呢。就会导致一些关联效应出现。简单而言，这个关联是什么意思呢？就是一加一不等于二。就是说你把两个合在一起后，它的行为会发生非常大的变化，当然要是把更多的东西放在一起的话，他的变化行为往往有时候会完完全全超出你的想象。 给大家举两个例子，就是关联所导致的一些大家想象不到的一些物理现象。比方讲超导，一个导体我们知道它实际上是有电阻的，它导电的时候是有电阻的。那电阻的话，它就会发热、就会消耗能量。但是呢还有一些导体，当你把温度降到很低以后，它就会变成超导体。所谓超导体就是说，它的电阻突然就消失掉了。而且消失以后呢，它会产生出一个非常强的排斥磁场的力，就是抗磁效应。那么这个力呢非常强，它可以帮助我们用超导体。比方讲，来做磁悬浮列车。 超导现象 还有一个现象，比方讲，就是这个超流现象。我们知道流体，它在流动的时候，它是会受到粘滞力的。就是说要是不给它外力的话，粘滞力会让流体最后停下来的。但是液氦到了低温以后，它会变成一个超流体。所谓超流体，就是在这个状态下，流体的粘滞力消失了。就是它完全没有阻力了，就是如果没有东西拦着它的话，这个流体会持续地流下去的，这就是超流现象。那么这些现象都不能用简单的量子力学的规律来刻画，而必须由量子力学和统计物理的知识结合起来，才能得到很好的理解。 超流现象 研究演生规律的物理学科 05 那么研究多粒子系统的演生规律的学科，主要有三门物理学科。一个是热力学与统计物理这两个。热力学统计物理实际上是从19世纪就已经开始发展的学科。在20世纪以后又发现了量子统计。对于玻色子，它有所谓“玻色·爱因斯坦统计”；对费米子、电子，有“费米·狄拉克统计”，所以也叫它“费米子”。那么量子统计的发现极大地丰富了统计物理的内涵，也使得物质世界的现象变得非常丰富多彩。另外一个研究演生规律的学科就是凝聚态物理，凝聚态物理的话主要是研究固体和一部分液体或者胶体的物质运动规律的学科。凝聚态物理也是现在物理学最大的一个分支学科，也是信息、材料、能源、科学与技术发展的基础。 凝聚态物理现在有四个比较大的分支学科：一个是半导体物理，当然大家知道，半导体是现在信息技术发展的基础，另外它对新能源的发展也是很重要的，比如讲太阳能电池；另外一个分支是磁学，比方讲我们现在的磁存储，还有核磁成像医学诊断，这都是磁学的研究成果对人类的应用；第三个分支是超导物理的研究。前面我跟大家提到了超导，超导体实际上也是很有用的，比方讲它可以用来帮助我们做磁悬浮列车，可以极大地提高高铁的速度；第四个分支学科是表面物理。表面物理的话呢，和化学、和其它的应用学科有非常强的关系。 物理与其他学科 06 现代物理除了自身的发展之外也对其它的学科起到了推动作用，比如物理学实际上是个引领型的基础学科，体现在两方面：一个就是随着物理学的发展，它的一些成熟的分支学科逐渐会从物理学中分离出去。比方讲有天文学、力学、无线电，都是从物理学分离出去的成为独立的学科。另外像光学、声学，它也是部分从物理学独立出去的。另外物理学推动了天文学、化学、材料、信息、能源、生命等学科的发展。并与这些学科形成非常紧密的交叉和融合，我们从一些学科的名称就能体会到这一点——比方讲，物理化学、化学物理、生物物理、地球物理、天体物理等等。这都是这些学科交叉融合的一个具体表现。 另外数学和物理也有非常密切的联系。如果简单来说的话，物理就是通过数学来揭示自然美的一个学科。狄拉克——就是前面我给大家讲的英国物理学家，说过一句非常有名的话是说，上帝用漂亮的数学造世界，物理定律必须具有数学美。的确，咱们纵观物理学的发展，的确是数学。新的数学语言的发展，对物理是起到了支撑作用。比方讲，牛顿力学的建立，它还用到微积分。当时还没有微积分，牛顿就自己造了微积分、发展了微积分。这不光是对物理学的一个巨大贡献，也是对数学的一个巨大贡献。那么电磁学还用到矢量场论、微分方程——这也是数学里一个重要的分支。广义相对论用到的是黎曼几何。黎曼几何和我们中学学的欧基里德几何是不一样的，也和笛卡尔的解析几何也是不一样的。欧基里德几何是定义在平直空间的，而黎曼几何是定义在弯曲空间的。量子力学也被称之为矩阵力学，它还用到线性代数，也是数学里面一个很重要的分支。 物理与我们的生活 07 当然，物理学的发展也对我们的生活产生了巨大改变，尤其半导体芯片技术、磁存储技术对信息技术的发展起到了推动作用，对新能源、包括对核能、太阳能、锂电池等对新能源技术的发展也起到了非常大的作用。此外就像核磁诊断、重离子放疗等等同样对医学的诊断和治疗也是有很大的作用。此外，它在军事和其它工程上的应用反而更多。但我相信，未来物理学这些原理的应用会对我们生活产生更大的影响。比方讲量子信息、量子技术的发展有可能带来新的信息技术的革命；而热核技术的发展，托卡马克一旦成功的话，将会带来能源技术的革命，会彻底解决能源短缺的问题。 量子计算与量子信息技术 热核聚变 物理学怎样才能取得新突破 08 那么最后我想讲的是，物理学的创造性思维是什么？这实际上当然是很难回答的问题。但是呢，如果我们看一看物理学取得突破的主要因素是什么呢，也许能够给我们提供一点线索。我自己觉得，物理学取得突破有四个主要因素：一、要有新的实验的发现；二、旧的理论体系要出现危机。就是你的实验发现要在过去的理论体系中得不到解释 ；第三、要有新的数学语言的出现，或者要发展新的数学语言；第四、是要在一个更高层级上建立一个统一的理论。就是因为过去的理论有一个适用范围，它之所以出现危机，就是因为这个适用范围，你发现的实验现象已经不在这个适用范围之内。所以它要更大的范围，所以建立一个新的理论——一定是要在一个更大的层次上，或者更大的范围上建立这个理论。所以要有一个新的统一的理论出现，所以这就是我觉得物理学发展非常重要的思维方式。那么也希望观看此视频的同学，如果你们将来从事物理学研究的话，我也希望你们也能够成为打破物理学已有理论框架的人。 下期预告：曹则贤老师带你领略相对论
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