玻尔曾经说过：“这个世界最不可认知的是它竟然是能认知的。” 至少要非常感谢他，他们对银河系有了更深层的认知。而在现代理论物理学的两大终极目标——量子场论和广义量子场论——的背后有着五个基本基本概念
– 基本概念 1 –
音速维持不变基本概念
回到1860年代，狄拉克在宋人的基础上统一了电磁学和电磁学。磁理论最了不起的两个丰硕成果是断言了磁辐射的存在，并证明了磁辐射在电浆中的散播速度与电浆中的音速 c 相同，从而阐明了光的磁天性。而且，他也得出结论了两个推论：“光相对于下述惯性力系的速度都为c。” 换句话说音速是维持不变的。这很怪异。根据他们的经验，如果有两个人在移动的车里升空了两枚枪弹，对于两个站在马路上的局外人来说，枪弹的散播速度是它升空出的速度加上车的速度。
但，20多年后，美国数学家安德鲁逊和霍华德在寻找散播光的电介质——镜像，他们的实验出人意料的得出结论了两个推论：音速是两个物理量！除此以外，音速还是银河系的速度无限大。不论是物质、信息、重力或其它力都无法胜过音速。玻尔认为音速维持不变是自然规律，这也成为了他构筑两个量子场论的终点。
广义量子场论：
玻尔发现，音速维持不变基本概念有一些怪异的结果。想像一下你坐在四架相互紧邻的银河系航天器中的其中一架，它分别以90%的音速体育运动。从你的角度观察，另四架的速度是啥？他们不用去管确凿数字是啥，但肯定不会小于音速。1905年，玻尔发表了广义量子场论，空间和时间会卷曲来满足音速维持不变。例如，体育运动中的时钟走的很慢，换句话说你在四架航天器中常老的很慢。同时，体育运动中的秤也会显得更加的短。现实生活中的速度，这些效应都是能忽视的，但一旦速度接近音速，它就变得非常明显。
E=mc²：
著名的方程组E=mc²是源于于广义量子场论，用音速把能量和产品质量联系了起来。因此，在欧洲大型对撞机济朗机中，能通过将两片氢原子在高能量下济朗产生许多大产品质量的光子。
– 基本概念 2 –
差值基本概念
16世纪时，伽利略意识到在没有空气阻力时，从比萨斜塔扔下两个产品质量不同的物体（比如一根羽毛和两个铁球），将以同样速度落下并同时落地。在阿波罗15号登月任务中，宇航员David Scott在没有空气的月亮上确认了该基本概念。牛顿认为，这之所以会发生必须满足两个怪异的巧合：惯性力产品质量 = 重力产品质量。为什么会这样？对于这一重要的事实的思考，玻尔提出了差值基本概念：在空间的两个足够小的区域，两个观察者感知到的重力场的物理效应和另两个在没有重力场区域以匀加速体育运动的观测者所感知的物理效应相同。玻尔认为这是他一生中最快乐的思想。
广义量子场论：
玻尔将广义量子场论和差值基本概念结合，发展了全新的重力理论——广义量子场论。用惠勒的话总结：“时空告诉物质如何移动；物质告诉时空如何卷曲。” 广义量子场论为他们认知银河系在大尺度范围如何工作提供了框架。
– 基本概念 3 –
银河系学基本概念
在伽利略时代之前，哥白尼认为地球在银河系中并不是两个特殊的地方。两个世纪之后，牛顿在他的《基本概念》一书中假设太阳系被嵌入在两个均匀的空间之中，该空间在所有方向无限延伸。这些是银河系学基本概念的起源。现代银河系学基本概念认为，无论你朝银河系中的任何地方或任何方向观测，银河系看起来都是一样的，没有任何地方是特殊的。虽然在局部区域，他们会看到物质镜像阳系、星系和星系团的形式存在，但在两个足够大的范围下，就会发现银河系是均匀与各项同性的。在建立银河系学模型的过程中，这一基本概念使所需要的数学大量的简化。但银河系学基本概念的有效性受限于他们的视野。例如，2013年天文学家发现银河系两个由星系组成的巨大超结构，延伸超过100亿光年，称为武仙-北冕座长城，使银河系学基本概念受到挑战。
标准银河系学模型：
当玻尔第一次利用广义量子场论建立银河系学模型时，他认为银河系是静态的：即不膨胀也不收缩。但，在1920年代，对遥远星系观测发现它“红移”了，意味着遥远的星系在不断地远离他们。其他科学家运用广义量子场论加上银河系学基本概念，构筑了两个膨胀中的银河系。这些是现代标准银河系学模型的开始。它描述了他们的银河系起源于138亿年前，从两个炽热、致密以及无限小的两个点膨胀至今天他们观测到的银河系。这个理论也包含了一些他们现在仍然难以解释的惊喜。
– 基本概念 4 –
量子化
1900年，普朗克试图用数学更好的描述从灯泡辐射出来的能量。当时的理论跟实际观测不符。在几次失败的尝试后，普朗克发现他能够消除该隔阂，但他不得不作出两个大胆的假设：两个物体辐射出的磁能并不是连续的，而是以一份份能量包的形式。普朗克一开始认为这些“量子”是理论的局限，而不是对现实的描述。但到了1905年，玻尔在研究光照射金属会驱逐电子后提出了光电效应，认为光是由离散的光子组成的，称为光子。但这仅仅只是开始。随着量子理论的发展，他们发现不仅能量是一份份的，许多其它的性质，比如电荷和自旋，都有两个最小的单位。为什么必须是这样，没有人知道。
– 基本概念 5 –
不确定性基本概念
如果你踢两个足球，你能同时知道它在哪里以及它要去哪里。但，在亚原子光子世界，情况就不这么简单了。你对两个光子的位置知道的越精确，你对它的动量知道的就越少，反之亦然。这是量子不确定性基本概念，在1920年代中期由海森堡提出。它不仅连接了位置和动量，也连接了能量和时间，以及其它。不确定性并不是来自于测量装置的精确性，而是根本的限制了他们对这个世界能够有啥认知。正是因为不确定性基本概念，光子才有机会“隧穿”在经典物理中不可能克服的能量障碍，使发生在太阳的核聚变成为了可能。它也允许光子能够在看起来空无一物的电浆中短暂的出现。
– 基本概念 6 –
波粒二象性
在20世纪初，当数学家发现光其实是由光子组成的时候，使人们非常困惑。因为在这之前，光也表现出所有波所具有的性质，比如干涉和衍射。在1924年，德布罗意提出，这个行为是普遍的，而且是双向工作的：像波的光能表现光子的行为，而电子和其它的物质光子也能表现出波的行为。在这个波粒二象性的图景中，两个量子物体同时处于所有可能的位置或状态，称为“叠加态”，只有在进行测量后才会坍缩为其中的两个状态。薛定谔对此构想了两个思想实验：一只猫同时处于生和死的状态。量子叠加态的魔法也是未来建造量子计算机的关键。
量子场论：
广义量子场论支配着整个银河系在大尺度下是如何运作的，而微观尺度下则由量子场论所掌管。量子场论正是起源于对量子化、不确定性基本概念和波粒二象性的认知，它完美地描述了亚原子光子的运作方式，尽管这背后的基本概念带来了许多反直觉的概念。正如广义量子场论一样，量子场论也仅仅是两个框架。在它能用来描述真实的光子之前，它必须结合广义量子场论，因为这些光子通常都以接近光的速度在体育运动。
量子纠缠：
量子力学有两个非常令人困惑的性质，那是量子纠缠。玻尔在1935年和另外两位数学家提出了两个思想实验。简单的说是，两个相互关联的光子会一直保持这种关联，无论它相距多远。只要知道了其中两个光子的状态，就会立即知道另两个光子的状态。玻尔把这称为“鬼魅般的超距作用”，坚持认为有某种看不见的力量在影响着这种纠缠状态。因此量子场论必须是不完备的。过去，有许多实验都表明量子纠缠的确存在，玻尔或许错了。
量子场论：
广义量子场论告诉他们，产品质量和能量是等价的。量子场论告诉他们光子能在任何地方出现。而量子场论则将这两个理论联姻在一起，描述了所有的光子其实都是由场“激发”出来的。英国数学家狄拉克在1928年写下了量子场论性的量子场论方程组——狄拉克方程组，描述了量子场论电子的行为。他的方程组断言了一种跟电子完全一样的光子，除了拥有相反的电荷。在理论提出的不久后，科学家在银河系射线中发现了第两个反光子——正电子。
光子理论物理学的标准模型：
经历了几十年的努力，数学家发展出了光子理论物理学的标准模型，描述了自然界中的三种基本力和基本光子。在过去的几十年，标准模型漂亮的通过了所有的实验检验。它描述了携带基本力的玻色子和构成物质的费米子之间的相互作用，而两个量子场论则是它的核心。量子电动力学（QED）描述了光与物质间的相互作用，并和弱核力被统一成单一的电弱力。量子色动力学（QCD）则是描述强核力的两个理论。标准模型的巅峰来自2012年，当希格斯玻色子的发现填补了标准模型的最后一块拼图。
基于这五个基本基本概念，数学家发展了标准银河系学模型和光子理论物理学的标准模型，它各自都成功地经受住了无数次的检验，但同时他们也面临着六个亟待解决的问题。
