完成對自然界四種基本作用力的統一,是科學界任重道遠的任務!

2021-02-25 宇宙探索

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把主導世界的作用力統一起來解釋,是科學界已經煩惱了100年的事情。有不少人提出,既然已經把強弱和電磁力三種力統一了,為啥引力就統一不了呢?其實這是一種不準確的認識,下面我們就來討論一下。

4種基本作用力的統一是一個非常複雜的問題,不是一般吃瓜群眾輕易能夠弄懂的。

時空通訊本來就是吃瓜群眾之一,當然也是一臉懵逼。只不過時空通訊有點自知之明,不懂就學,可能就比那些不願學習,卻自作聰明想憑空創造一個重大理論,推翻現代物理學支柱的人好那麼一點點。

因此我相信科學界的結論:迄今為止,這個世界的一切運動變化,都是由引力、電磁力、強力、弱力這4種基本力作用的,無一例外。如果誰發現例外就是一個重大突破,將獲得諾貝爾獎。

通過全球很多科學家的幾十年的不懈努力,已經將電磁力和弱力兩種力捉進了一個籠子,統一了,強力的統一還在研究中,並沒有結論。引力就更沒有頭緒了,還有很長的路要走。因此已經統一了3種力的說法是不準確的。

早期的人類,把世界簡單看成由金木水火土組成(東方物質觀),或者由水、火、土、氣組成(希臘古典物質觀),不知有基本相互作用力的存在。

一直到了伽利略、牛頓時代,人們知道了萬有引力,世界上萬事萬物(宏觀)都受引力羈絆,在引力作用下運行。

到了19世紀中葉,麥克斯韋的電磁理論統一了電和磁的作用,發現了世界的第二種力~電磁力。到了20世紀初,愛因斯坦發現了經典力學的某些缺陷,把場的觀點引進了牛頓的引力理論中,發現了引力的本質是時空彎曲,破除了牛頓引力論中超距作用的觀念。

這樣人類知道了這個世界有兩種基本作用力統治著世界,而這兩種作用力都有一個「場」,這兩個「場」(引力場、電磁場)是否可以統一為一個「場」呢?

於是一波統一引力場和電磁場的研究熱潮就掀起了,被冠之為「統一場論」。

愛因斯坦從上世紀20年代就投身其中,雄心勃勃的希望能夠在有生之年有所突破,但可惜他一直堅持到1955年逝世,也沒有弄出個子醜寅卯。而其他的科學家後來就被方興未艾的量子力學所吸引,就漸漸冷淡了這項研究。

到了上世紀50年代,量子力學的飛速發展,使人們對世界認識從宏觀到了微觀的更深層次,發現主導這個世界的力除了引力和電磁力,還有強力和弱力,而且這些力都是通過不同的數理模型得到的。

由於科學界對世界認識的不斷深化,人類感覺到我們的世界越來越複雜。但不管怎麼複雜,這個世界都是引力、電磁力、強力、弱力四個兄弟玩轉的。強力、弱力主管著微觀世界原子以下的運行規律,電磁力、引力管理著世間萬物中長力的運行規律。這些力各有各的規律,都有一套科學家們摸索了幾個世紀弄出來的數理定理,尤其是數學結構,精準而複雜。

為什麼不能更簡單些呢?有沒有一種理論能夠把這四種力都匡進去,放在一個模子裡解決呢?

經過一段量子力學如火如荼的發展,人們又撿起來被丟棄的統一場論,開始思考這個問題。不過現在的範圍更廣了,不是統一兩種力,而是4種力,就叫大統一理論。

1954年,楊振寧和R.米爾斯的規範場論,揭示了電磁作用和其他作用力的共同本質很可能是規範不變性,開闢了用規範原理來統一各種相互作用的新途徑,為科學界研究大統一理論撕開了一道裂口。

1967年,格拉肖、溫伯格、薩拉姆提出了一個新的模型,成功的改造了電磁力和弱力的數學表達式,使這兩種力進入了一個統一的數學框架中。

這是科學史上第一個成功將相互作用力統一的理論,他們的理論均在今後一系列實驗中被證實,由此三位科學家獲得1979年度諾貝爾物理學獎。1983年,歐洲核子研究中心找到了理論所預言的中間玻色子W和Z,象徵著電磁力和弱力的統一從實驗中得到正式驗證。

到了這裡人們看到了所有力統一起來的一線曙光,人們開始試著把強力加入到電、弱的統一框架中來。

科學家們企圖通過大型強子對撞機解決這個問題,但迄今為止,實驗結果與理論有矛盾,理論預言的質子衰變並沒有出現,探索的進展並不順利。因此很多人都認為三種力已經統一了的傳言,似乎只停留在事出有因,查無實據的階段。

而要把引力加入其中,距離就更遠,更加前途渺茫,霧鎖迷城啊。這裡面有一個引力子問題,就是引力的傳達子,是量子力學提出的一種假設,認為引力就是靠這種無質量的粒子傳遞的。但這種粒子存在還是不存在,目前既沒有發現也存在著爭議。

科學界依然在孜孜不倦地探索和追求著,新的理論和猜想不斷湧現,如弦理論、超弦理論等,這些理論為解釋宇宙更深層次問題提供了一種新的思考。與此同時,量子理論的發展對粒子運動一些迷人的特性也產生了更多的疑問,除了這四種基本力還有沒有一種主導粒子運動的力存在呢?於是在大統一理論提出基礎上,超統一理論又被提出了。

人類探索將所有力統一起來的路還會很漫長,但是一件非常有意義的重大事件,弄清楚了這些,人類對世界的認識就會得到重大突破。

事實上,我們宇宙就是從最簡單過來的,大爆炸之前和最開始的時候那個最早的宇宙並沒有這四種力,那個時候的宇宙是最質樸最簡單的,具有驚人的數學之美,就是0或1。從普朗克時間開始,才分化出了這些複雜的結構和力。

愛因斯坦在思考質能關係時,採用了複雜的運算模式,最終得到了一個最簡單的質能方程:E=mc^2。就是這個最簡單的方程,揭示出這個世界蘊含著的最質樸最簡單又是最核心的一種關係~物體質量就是其所含能量的度量,從而引領人類進入核能利用時代。

把世界上的各種力統一起來的理論,就是科學界正在尋找這樣一種最簡單的總公式。

這個總公式將把四種力的本質統一起來解釋,是比愛因斯坦質能關係方程站在更高層次,更廣泛概括世界本質的理論,它將成為打開世界核心機制大門的鑰匙,找到宇宙深處最樸實的真理,從此世界變得更簡單,更明白。

解決了這個問題,人類將更清晰的了解我們世界出生時那一刻的狀況,那個嬰兒宇宙時刻,最質樸最簡單的時刻。從此人類了解了自己的身世,很可能就會走出嬰兒期,開始更快的成長。

相關焦點

  • 為什麼物理學追求四種基本力的統一?
    自從科學誕生之日起,科學家就一直走在統一的道路上,牛頓統一了天上地下的物體運動規律,麥克斯韋統一了電和磁,愛因斯坦統一了時間和空間,質量和能量,楊振寧統一了電磁力與弱核力;統一場論是物理學的終極夢想,如果誰真的能統一四種基本力,那麼他的功績是絕對是前所未有的。
  • 在四種基本作用力中最重要的是萬有引力嗎,你怎麼看?
    現在科學家們發現世界上所有的現象都離不開四種基本作用力,這四種作用力都重要,每種力都有其勢力範圍,各管一攤,缺一不可。缺了誰這個世界都會崩塌。因此這四種基本力就是撐起世界的四根頂梁柱,都至關重要,不存在哪一種更重要的問題。
  • 科學界公認的四種力,如今出現第五種,能動搖愛因斯坦的理論嗎?
    於是很多科學家根據這一現象推斷,這個世界上還有第五種力的存在,我們都知道現在公認的四種力的說法, 有強、電磁、弱、引力,它們是自然界的四種基本力。即使這樣也只是目前科學界公認的四種力,以後還會有變化的。
  • 自然界中四種基本力
    大自然中有四種不同的「力」,除了最廣為人知的引力和電磁力之外,還有兩種是「強力」和「弱力」,這四種目前發現的基本作用力,宇宙中已知的一切,都由它們主宰。引力相互作用作用,在宇宙的大尺度上無處不在,它是刻畫星體運動的基本規律,比如大家熟知的太陽、地球和月亮之間的關係;當然,從大的行星運行到微小的蘋果墜落,引力之存在,與生活息息相關。
  • 物理學家認為他們剛偵測到了第五種自然基本作用力
    但是如今匈牙利物理學家認為他們可能已經找到證據,可證實大自然有第五種神秘基本作用力的存在。如果是真的話,我們可能要好好想想,原本我們是怎麼理解宇宙運作的。在我們開始進入正題之前,我們先回來談談以前的四種基本作用力,因為這四種基本作用力相當重要。作為物理學標準模型的一部分,這四種基本作用力解釋所有宇宙可見物體行為。
  • 你了解自然界的四種基本力嗎?主宰宇宙中發生的一切
    儘管看上去花樣繁多,但我們日常經歷的所有力都可以歸結成四種基本力:引力、弱力、電磁力、以及強核力。這些便是自然界的四種基本作用力,宇宙中發生的一切都由它們主宰。引力引力指兩個具有質量或能量的物體之間的相互吸引力。
  • 把物體撕開,涉及到四種相互作用力中的哪些?
    人類目前在自然界中發現了四種基本相互作用,分別是萬有引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用。宇宙中大小天體、粒子間,以及日常生活中的各種拉力、摩擦力都可以歸結為這四種基本相互作用中的其中一種。
  • 啥叫四種基本力,質子帶正電本來相斥,為啥卻粘在一起?
    先簡單說說四種基本力。自從牛頓發現了萬有引力定律,隨著科學研究的深入,發現這個世界的一切不外乎受四種力的約束,即萬有引力、電磁作用力、強力、弱力。萬用引力和電磁作用力我們每天都接觸到,更多是表現在宏觀方面。如天體運動和演化、航天發射都是遵循萬有引力規律,根據這個規律,才能夠了解宇宙天體運動和讓太空飛行器脫離地球引力;而電磁作用力表現在我們日常生活的一切方面,光和電、彈力、機械力、摩擦力、磁力、阻力、壓力、拉力、斥力等等都屬於電磁作用力的範疇。
  • 宇宙為什麼有四種基本力?破解玄機,統一四種基本力前路漫漫
    在初中物理課堂上就學過基本的力學知識:我們可以用力推、拉使物體移位;可以拉伸、扭轉或者粉碎一個物體;揮動手臂用球拍將球打出去,人走路或汽車行駛會遭遇空氣阻力和路面的摩擦力,等等。在日常生活中,我們對這些「力」並不會太過介意。但這就是自然界「力」的全部嗎?遠遠不是!當我們考慮自然界的「自然力」的時候,問題就會變得複雜得多了。
  • 南方日報:尋找第五種基本作用力
    在物理學的理論中,存在著四大基本相互作用,分別是引力、電磁力、強相互作用以及弱相互作用。這些都是自然界中「力」的存在形式。長久以來,物理學界認為,自然界中的基本力絕不止上述四種,肯定存在著第五種以及更多的基本力。而圍繞此假設開展的實驗為數不少。
  • 宇宙中的四種基本力,在自然界中到底起什麼作用?
    在過去的兩千年以來,科學家們逐步發現宇宙中的所有現象都可以劃歸為四種基本力。這四種基本力量從一開始就不同,但本質上是不可缺少的,它們是電磁力、強核力、弱核力和重力。下面簡要介紹這四種基本力量在自然界中的作用。
  • 高中物理 第二十講 相互作用力
    相互作用力自然界中的物體不是孤立的,他們之間具有多種多樣的相互作用,紛繁複雜,縱橫交錯,正式由於這些相互作用,物體在存在狀態、運動方式、成長消亡過程中產生了千變萬化。相互作用力,是宇宙存在的自然基本力,它的特點是:只要一個物體對另一個物體施加了力,受力物體反過來也肯定會給施力物體施加一個力,他們是相互的。
  • 自然界是否存在第5種基本作用力?「暗光子」能竊取光的能量嗎?
    現代的自然科學體系以四大基本作用力為基石,科學家依靠它們來描述宏觀與微觀世界中的「常規物質」。這四種基本作用力分別是:作用距離極短的強核力,它使原子核成為一個整體;蒙著神秘色彩而且十分微弱的弱核力,它掌控著放射性同位素衰變,並能對被稱為中微子的亞原子粒子產生作用;生活中常見的電磁力;還有一種是引力,它在4種已知力中是最弱的,卻又是產生的影響最為普遍的。與「常規物質」相對的是暗物質。假如世界中存在第5種基本作用力,或許與暗物質有關。
  • 大家一起來聊聊四種基本力的統一問題
    我先說說四種基本力的基本特徵自然界中存在著四種最基本的力,分別是引力、弱核力、電磁力和強核力。這四種力囊括了自然界中幾乎所有的力學現象。但是在目前,至少有兩種力學現象是無法用四種基本力來解釋的:即電子族粒子和中微子的內部結構。不明白?
  • 正作用力與反作用力是正反萬能統一理論 霍金的物理學統一
    我是《正反萬能大統一理論》發明人張可海。今天主要講正反概念的《正作用力與反作用力是正反萬能統一!也是霍金物理學的統一!全國中學教材錯誤!》。本文詳見我們的理論專著《大統一理論與霍金對話》第392——395頁。2006年原中國科技部部長徐冠華在《中國科學院科學發展報告》第13頁說:「科學技術競爭,是一個典型的『贏家通吃』領域。
  • 解讀粒子標準模型,深層揭示膠子,費米子和玻色子與四種基本作用力之間的關係!
    在看一些科普文章時,我們經常會遇到一些物理學名詞或術語,比如費米子、玻色子、希格斯玻色子、四個基本作用力等等
  • 世界上的萬事萬物是可以統一表達的,聽說過大統一方程嗎?
    現代物理學把力進行統一,認為自然界有四種基本力:萬有引力、電磁相互作用力、弱相互作用力、強相互作用力;科學家們有一種願景,就是關於力學的大統一 理論。四種力可以通過場進行統一。是目前物理學關於力學的統一描述。
  • 基本作用力有:引力、電磁力,你還知道什麼「力」?
    愛因斯坦在人生的最後三十年中,一直致力於把引力和電磁力統一到一個數學表達式中,這被稱為「統一場理論(GUT)」。愛因斯坦認為如果統一了引力和電磁力,他就找到了這個宇宙中最深的奧秘,並且他堅信利用他發現的廣義相對論能夠找到這個統一場理論。然而,愛因斯坦苦苦追尋了30年,直到去世,也沒有把這個理論堡壘給炸掉。
  • 4大基本作用力之弱相互作用力
    弱相互作用力:最早觀察到原子核的β衰變是弱相互作用引起的一種現象,凡是涉及中微子的反應都是弱相互作用過程。十九世紀末,物理學家發現,有的原子核能夠自發地放出射線。後來發現,在放射現象中起作用的還有另外一種基本作用,即弱相互作用。