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为什么物理学追求四种基本力的统一?

自从科学诞生之日起,科学家就一直走在统一的道路上,牛顿统一了天上地下的物体运动规律,麦克斯韦统一了电和磁,爱因斯坦统一了时间和空间,质量和能量,杨振宁统一了电磁力与弱核力;统一场论是物理学的终极梦想,如果谁真的能统一四种基本力,那么他的功绩是绝对是前所未有的。


物理学喜欢追求统一

在十七世纪,德国天文学家开普勒提出了行星运动三大定律,从表象层面解释了天体的运行规律,但是却不知道三者之间的联系;直到几十年后,牛顿提出万有引力定律和物体运动三定律,从本质上解释了开普勒三定律,统一了天上地下物体的运动规律,这也是物理学的第一次大统一。

牛顿力学建立之后,科学家开始建造整个经典力学大夏,在1865年,英国科学家麦克斯韦提出电磁学方程组,完成了电和磁的统一,一切电和磁的规律和现象,都由方程组精确描述着,这也是经典力学的巅峰之作。

而统计力学的出现,从微观角度解释了宏观物体的温度、压力等等问题,完成了微观和宏观的局部统一,但是更深层次的微观现象还无法统一进来,比如黑体辐射、光电效应等等,于是量子力学应运而生,在1926年,薛定谔发表了薛定谔方程。

薛定谔方程描述微观粒子的物理现象,而宏观物理现象可以通过大量微观粒子的平均统计结果得出,量子力学应用到宏观世界后也将退化为牛顿力学,于是量子力学完成了微观和宏观的统一,需要指出的是,量子力学是许多科学家共同努力的成果。

而爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论,完成了质量和能量、空间和时间的统一,把人类文明带到了全新的高度,而且这一壮举的绝大部分工作,都是由爱因斯坦一人完成的;再后来,杨振宁完成了电磁力与弱核力的统一。


四种基本作用力

目前,四种基本作用力中的三种,都能在量子电动力学中得到非常好的解释,唯有引力还无法量子化,虽然引力的强度远比其他三种力弱,但是引力控制着宏观世界的运行。

“力”是一个抽象的概念,容易给人造成误解,现代的基础物理学中,我们更多地用“相互作用”来代替“力”,用“场”来描述相互作用的传递过程,比如万有引力中有引力场;在爱因斯坦的广义相对论中,更是认为“引力”不存在,引力只不过是空间弯曲的表象而已,而空间弯曲是空间的内秉属性,由空间中的质量和能量分布决定。


统一场论

爱因斯坦一生极力追求物理学的统一,他在建立广义相对论后,后半生一直在研究统一场论,统一场论是从场的概念出现,建立统一描述基本相互作用的本质和内在联系,换句话说就是四种基本作用力的统一。

由于万有引力定律和库仑力有着相似的形式,于是爱因斯坦建立广义相对论后,试图用同样的方法来解释电磁力,但是直到爱因斯坦去世,电磁力的几何化并没有获得成功,统一场论的任务留给了后来的科学家们。

经过几十年的发展,目前也发展起来一些理论,将来有可能完成物理学的终极统一,比如超弦理论、量子引力论等等。


统一的意义

可以这么说,宇宙中各种事物间的发展和演化,都伴随着相互联系,它们之间的联系正是通过相互作用完成的,我们有理由相信这之间的联系遵循一套数学描述。

但是目前而言,科学家却发现这之间的联系需要用四个数学体系描述,也就是四种基本作用力,这是科学家不能接受的,它们肯定会在更深层次上完成统一。

一旦我们获得了这个终极理论,我们就能根据终极理论精确地推测我们宇宙的起源、演化、以及未来的发展方向等等;如果有谁能统一四种基本作用力,那么他的成就绝对是前所未有的。


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