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。
物理學喜歡追求統一
在十七世紀,德國天文學家克卜勒提出了行星運動三大定律,從表象層面解釋了天體的運行規律,但是卻不知道三者之間的聯繫;直到幾十年後,牛頓提出萬有引力定律和物體運動三定律,從本質上解釋了克卜勒三定律,統一了天上地下物體的運動規律,這也是物理學的第一次大統一。
牛頓力學建立之後,科學家開始建造整個經典力學大夏,在1865年,英國科學家麥克斯韋提出電磁學方程組,完成了電和磁的統一,一切電和磁的規律和現象,都由方程組精確描述著,這也是經典力學的巔峰之作。
而統計力學的出現,從微觀角度解釋了宏觀物體的溫度、壓力等等問題,完成了微觀和宏觀的局部統一,但是更深層次的微觀現象還無法統一進來,比如黑體輻射、光電效應等等,於是量子力學應運而生,在1926年,薛丁格發表了薛丁格方程。
薛丁格方程描述微觀粒子的物理現象,而宏觀物理現象可以通過大量微觀粒子的平均統計結果得出,量子力學應用到宏觀世界後也將退化為牛頓力學,於是量子力學完成了微觀和宏觀的統一,需要指出的是,量子力學是許多科學家共同努力的成果。
而愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論,完成了質量和能量、空間和時間的統一,把人類文明帶到了全新的高度,而且這一壯舉的絕大部分工作,都是由愛因斯坦一人完成的;再後來,楊振寧完成了電磁力與弱核力的統一。
四種基本作用力
目前,四種基本作用力中的三種,都能在量子電動力學中得到非常好的解釋,唯有引力還無法量子化,雖然引力的強度遠比其他三種力弱,但是引力控制著宏觀世界的運行。
「力」是一個抽象的概念,容易給人造成誤解,現代的基礎物理學中,我們更多地用「相互作用」來代替「力」,用「場」來描述相互作用的傳遞過程,比如萬有引力中有引力場;在愛因斯坦的廣義相對論中,更是認為「引力」不存在,引力只不過是空間彎曲的表象而已,而空間彎曲是空間的內秉屬性,由空間中的質量和能量分布決定。
統一場論
愛因斯坦一生極力追求物理學的統一,他在建立廣義相對論後,後半生一直在研究統一場論,統一場論是從場的概念出現,建立統一描述基本相互作用的本質和內在聯繫,換句話說就是四種基本作用力的統一。
由於萬有引力定律和庫侖力有著相似的形式,於是愛因斯坦建立廣義相對論後,試圖用同樣的方法來解釋電磁力,但是直到愛因斯坦去世,電磁力的幾何化並沒有獲得成功,統一場論的任務留給了後來的科學家們。
經過幾十年的發展,目前也發展起來一些理論,將來有可能完成物理學的終極統一,比如超弦理論、量子引力論等等。
統一的意義
可以這麼說,宇宙中各種事物間的發展和演化,都伴隨著相互聯繫,它們之間的聯繫正是通過相互作用完成的,我們有理由相信這之間的聯繫遵循一套數學描述。
但是目前而言,科學家卻發現這之間的聯繫需要用四個數學體系描述,也就是四種基本作用力,這是科學家不能接受的,它們肯定會在更深層次上完成統一。
一旦我們獲得了這個終極理論,我們就能根據終極理論精確地推測我們宇宙的起源、演化、以及未來的發展方向等等;如果有誰能統一四種基本作用力,那麼他的成就絕對是前所未有的。
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