為什麼物理學追求四種基本力的統一?

2020-12-15 艾伯史密斯

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。

我的內容就到這裡,喜歡我們文章的讀者朋友,記得點擊關注我們——艾伯史密斯!

相關焦點

  • 統一四大基本力將會在物理學史上擁有怎樣的地位?
    弱力是造成β衰變一類的衰變的力,由希格斯粒子(W+、W-、Z0)傳遞,比較較弱,短程力,作用在夸克級的粒子,在四種力中為第三強。強力是夸克之間的吸引力,由膠子傳遞,其中束縛質子和中子於原子核中的是其附加效果由π介子傳遞,在有效距離內,距離越大,力越大,短程力,是四種基本力最強的。對於物理學家,尤其是理論物理學家來講,他們最大的夢想就是提出一個大一統理論。
  • 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
    說到「力」,給我們的感覺是十分平淡無奇的。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。
  • 誰統一了兩種基本力?
    在自然界中,已知的四種基本力分別是:電磁力、弱力、強力和引力 物理學家追求的是統一:將過去認為完全不同的現象統一在一起。 19世紀60年代,物理學家麥克斯韋實現了一次卓越的統一。在他的書寫方程組中,為我們展示了看似不同的電力和磁力,實際上是同一種力,即電磁力的兩面。
  • 為什麼宇宙會有四種基本力?它們能夠統一嗎?未來之路很艱辛
    強核力和弱核力無疑是人類期望能夠得到的力量,可惜想要探索這兩種力的奧秘並沒有我們想像的那麼簡單。除了探索研究四種基本力的奧秘之外,科學家更期望的是能夠將這四種力進行統一,形成一個統一的理論指導和公式。人類最早發現研究的是引力,然後是電磁力,而這兩種力直到目前,科學家也沒有完成統一。
  • 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?我們都知道無論是萬有引力定律還是庫倫定律,與力有關的兩個自變量分別是距離和荷,但小編有個問題想不通透:距離本非質點的固有屬性,無需考慮;荷屬於質點自有屬性,為啥在考慮弱、強核力形式時不從其身入手?
  • 引力是四種基本力中最弱的,科學家承認它可能洩露到其它空間維
    物理學最基本的目的之一是尋求自然界物質運動的統一規律。按照現代物理學的觀點,支配物質世界各種運動現象的力可歸結為四種基本相互作用,即引力相互作用、電磁相互作用、強和弱相互作用。四種基本相互作用的最終統一描述是物理學的重大、前沿科學問題之一。在這四種基本相互作用中,引力作用是所有物質之間都存在的一種相互作用,也稱為萬有引力。
  • 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。引力自從那一坨蘋果砸在牛頓大佬頭上之後,引力相互作用出現在人們眼前,然後基礎相互作用成為了物理學的核心研究課題。
  • 「道」與物理學上「四大基本力」關係
    【】物理學上四大基本力指強核力、弱核力、電磁力、引力。四大基本力是宇宙能量的一部分,宇宙中的所有能量統一於能量場;物質能量的統一關係是物質能量集群,並通過孵化形成新的物質能量,四大基本力或四大基本物質能量屬於科學範疇。科學家善於從微觀上(分子、原子、質子……)把握世界。【】世界二分法_物質世界、精神世界。
  • 2020寧夏事業單位常識備考:物理學基本常識
    【導讀】寧夏華圖事業單位考試網同步未知發布:2020寧夏事業單位常識備考:物理學基本常識,詳細信息請閱讀下文!   現代物理學2   現代物理學通常是指20世紀初開始發展起來的物理學,包括相對論、量子力學、原子和原子核物理學、粒子物理學等,是物理學的重要組成部分。   (一)粒子物理學   粒子物理學研究比原子核更深層次的微觀世界,物質的結構性質和在很高的能量下,這些物質相互轉化的現象,以及產生這些現象的原因和規律。
  • 科學家為什麼說弦理論據稱是「唯一」能夠統一四種基本力的理論?
    由於弦理論據稱是「唯一」能夠統一四種基本力的理論,因此他們認為它必定是真理,即便它依賴於我們無法觀測到的額外維度。一些宇宙學家也開始放棄對用實驗驗證基本假設的堅持,這些研究領域包括多重宇宙(包含無數的宇宙)、量子現實的多重世界解釋(觀測行為會使得現實出現平行的分支)和宇宙大爆炸之前。
  • 為了統一四大基本力,科學家耗費了多少心血,未來有可能統一嗎?
    科學家們經過數百年來的研究發現,宇宙中所有現象都可以歸結為四種基本力的作用,即強力、弱力、電磁力和引力。眾所周知,牛頓是經典力學的奠基者,後世的科學家在經典力學的基礎上有所創新甚至是超越。起初人類只發現了電磁力和引力,科學家們想方設法想要將這兩種力統一起來,這一工作直到愛因斯坦提出廣義相對論之後才算完成。到現在為止,仍然沒有哪位科學家能夠將四大基本力統一起來,這是為什麼呢?首先我們需要了解一下統一的概念,這個概念最早由愛因斯坦提出,指的是發現不同種類力之間的聯繫。
  • 三大基本力都被統一,只剩下引力沒有,它的本質是什麼?
    引力是物理學中的四大基本力之一,另外三個是強力、弱力和電磁力。後面三種已經統一,唯獨引力格格不入,沒有參與到統一的進程中。要知道,發現大一統理論最有可能的方法就是統一四大基本力。統一了它們,就有可能發現各種物理現象深層的規律,推動大一統理論誕生。
  • 四種基本力量電磁力,強力,弱力,引力
    四種基本力量:電磁力,強力,弱力,引力。而愛因斯坦認為,最基本的力量可以用經典力學來描述,即所謂的經典場。而量子力學的基本問題是否與經典力學完全相同?愛因斯坦在1926年發表《論動體的電動力學》一文時並沒有說明這一點,只說了兩點:(1)我對於粒子物理學研究進行了很大的努力,並且在原始版本中發現問題在於粒子的運動應當有其自身的規律;(2)我希望找到不同粒子在空間中的勢能比,即用一個勢能平面去描述不同粒子的勢能。基於以上兩點,愛因斯坦認為非慣性系中的一維問題可以通過把整個坐標系轉變為自由空間的一維問題來加以解決。
  • 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。至於它們為什麼沒有吸在一起,而且還有一個很大的空間,有解釋是由於電子的能量動量,才讓原子運動形成一個平衡,才讓原子呈現穩定的中性。現代量子力學不確定性原理對這種解釋並不認同,我們這裡不展開說。但原子核中的質子帶正電,具有相互排斥的庫侖力是沒有異議的。那麼是什麼力讓它們束縛在一起呢?
  • 四種基本力中引力是最弱的,為何還能坍縮出破壞力超強的黑洞?
    引力雖然是四種基本作用力中最弱的,但是引力的作用範圍無限遠,而且可以無限疊加,這使得引力控制著宇宙中大尺度的宏觀物質運動。四種基本力在物理學中,物質間的相互作用可以解釋一切和物質有關的物理現象,目前人類一共發現了四種相互作用,或者說是基本力,它們分別是:強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和萬有引力相互作用。
  • 物理學中5個關鍵概念及其基本的解釋
    想要學習物理學的基礎知識嗎?今天,我將和你們分享10個基本物理概念的一個非常簡單的解釋。重力重力(引力)是宇宙中自然存在的四種力之一。它是兩個有質量的物體之間的引力。任何兩個有質量的物體都會相互吸引。這就是為什麼像地球這樣巨大的物體能夠容納它上面的一切,比如我們人類,水和大氣,因為我們的質量被地球的質量所吸引。你以後會學到施加一個力給一個物體是如何使它向那個力的方向加速的,這就解釋了為什麼當你在重力場中下落一個物體時,它會向大質量物體加速。質量越大,施加在其他質量上的力越大,它們就會越快地向它們加速。
  • 普林斯頓大學物理系學霸對四種基本力的介紹
    四個基本力是宇宙中每個相互作用的基礎我們每天經歷的所有力都可以歸結為四個基本的力:引力、弱核力、強核力和電磁力,它們支配著宇宙中發生的一切。雖然萬有引力將行星、恆星、太陽系甚至星系聚集在一起,但它卻是最弱的基本力,尤其是在分子和原子尺度上。把一個物體從地上提起來或者往上跳等動作都在抵消整個地球的引力。在分子和原子水平上,引力相對其他基本力來說幾乎沒有影響。弱核力
  • 現代物理學未解之謎
    Kneib (LAM)現代物理學有很多值得全人類驕傲的成就:量子理論對三大基本力的詮釋;通過時空彎曲的方式對引力所做的美妙闡述;以及對宇宙膨脹千百年的歷史的理解。物理學家們應該為達到了如此成就感到自豪。這些真不是容易事。
  • 物理學規律在其他天體上也同樣適用嗎?還是只適用於地球?
    月上和月下的統一託勒密的地心說最終在西方流傳的了1000多年,深受當時主流學術圈的認同。這種情況一直持續到幾位近代科學巨匠的出現。這幾位科學巨匠分別是哥白尼、第谷、伽利略、克卜勒和牛頓。但克卜勒一直無法解釋為什麼天體運動的軌跡是橢圓。牛頓通過提出萬有引力定律,解釋了為什麼天體運動是橢圓。當然,遠不僅如此。萬有引力定律還讓我們知道,為什麼地球上的物體都有往地球表面下墜的趨勢。
  • 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。電磁力:自然界中的電磁力有多種形式,包括電、磁和光。