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愛因史坦科學生涯最大失敗!研究20年一無所獲,統一場論到底是啥

2024-09-01科學

大統一理論一直是物理學界的終極難題,尤其是重力的統一更是讓無數科學家束手無策。愛因史坦的廣義相對論雖試圖將重力與電磁力結合,卻未能成功。

從宏觀上看,我們熟知的物理規律主要由四種基本力構成,即強力、弱力、重力和電磁力。其中重力被認為是最難統一的力,愛因史坦的廣義相對論嘗試直接統一電磁力和重力,可惜方向錯誤,重力也因此成為相對論物理學中的孤兒。

此後出現的電弱統一理論和強力電弱統一理論都未能將重力納入體系,依舊留下懸而未決的問題。可以說,重力是現代物理學的心病,是許多科學家追求突破的終極難題。

與此物理學家也在嘗試從其他角度解決這個問題。1979年格拉希掰成功分離出弱核力,奠定了電弱統一理論的基礎。進一步的實驗和探索將電磁力和弱核力成功統一起來,為大統一理論的構建提供了現實依據。

如果從歷史演進的角度看,大統一理論確實是物理學發展的必由之路。愛因史坦提出廣義相對論後不久,馬克士威場方程式組成功將電學和磁學統一到了電磁學當中。

20世紀20年代,量子力學的誕生讓物理學派別看到了新的發展機會,紛紛試圖從微觀粒子層面解決大統一問題。

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但可惜當時的物理學水平還無法達到這樣細微的程度,各種大材小用的嘗試層出不窮,卻往往收效甚微。

直到強核力被發現後,物理學家才徹底打消念頭,意識到大統一理論的構建必須等到各種基本粒子被徹底搞清楚之後再進行。

大霹靂模型的推斷給這項工作指明了方向,它認為在宇宙誕生之初,各種粒子都曾經處於同一空間當中,這時如果能找到它們之間的關聯性,就有可能一舉解決大統一問題。此後隨著強核力、弱核力相繼被發現,物理學家開始嘗試從這兩者入手進行大統一探索。

現代物理學的發展離不開量子力學的完善與對基本粒子的深入理解。隨著微中子、誇克等新型粒子的被發現,原先隔絕開來的強核力和弱核力也得以融合在一起,在這之上又進一步與電磁力成功實作統一。目前的實驗只能觀察到弱力和電磁力的統一,尚無法實作強力和重力的統一。

但這已經是現代物理學能夠做到的極限了,同時也為下一個階段的探索留下了有力依據。大霹靂初期宇宙溫度極高,曾經達到過普朗克溫度。在這個溫度下四種基本力得以融合為同一種作用,物理規律則在時間達到10^35秒後才開始生效,在這之前就像不存在一樣。

之後隨著時間流逝,四種基本力逐步分離,並形成各自獨立的規律和表現形式。強核力和弱核力作用的尺度要小得多,僅限於原子核內部;反觀重力和電磁力則無處不在,且被人類發現的時間也相對較晚。

重力是我們最為熟悉的一種基本力,在日常生活中各種場景裏都有體現。從地球上丟擲一個物體,無論是向上還是向下都會受到地球重力的作用;地球圍繞太陽旋轉,就是靠重力維持執行軌域;日常生活中各種機械裝置運轉正常,背後往往有設計者充分利用了重力這一特性。

電磁力則主要體現在正負電荷之間以及電流線圈當中。同樣是日常生活中經常能夠看到的,只要我們插上電源,在導線當中就會產生電流,並受到電磁力作用而形成磁場。

強核力和弱核力則往往需要透過物理實驗才能感受得到。在人類發展歷史當中,也是先發現了重力和電磁力,再透過長時間探索和實驗才找到強核力和弱核力,並逐漸認識到它們在整個自然界當中同樣至關重要。

即便是在當今物理學最前沿的實驗中心,要想發現四者中的某一個似乎也並不容易,更別提從宏觀出發找到它們之間聯系的規律了。

所謂大統一理論就是要打破這樣的思維定式,從人類已知範圍裏最細微的東西出發尋找規律。既然四種基本力在表面上看有著截然不同的表現形式,在本質上究竟是什麽呢?

如果我們站在當代物理學知識積累當中去回顧愛因史坦曾經做出的努力,會發現他似乎走偏了方向,並且嚴重偏離了我們今天構建大統一理論的思路。

根據我們已有的知識體系和實驗結果來看,應該先是將電磁力和弱核力統一起來;再進一步將強核力納入體系;才是考慮重力。

四種基本力中,重力和電磁力在愛因史坦那個年代被認為是主要力量,並且是人類最先發現並控制的;反觀強核力和弱核力則晚出現許多,在日常生活以及工業生產當中似乎並沒有太多實際套用。

但這並不代表它們重要性不如前者,在整個自然界當中恰恰相反。由此可見,劃分基本力大小、重要程度,並不是根據人類使用和感受來判斷的。

從這個意義上說,愛因史坦確實是站在巨人的肩膀上看得更遠了,在他之後的時代繼續探索大統一問題才算是真正走上正軌。

根據目前我們已經掌握的資訊來看,愛因史坦時代創立的大統一理論似乎確實有些欠缺。

他認為四種基本作用力可以歸結為傳播子在不同場合下表現出來的規律和特性。比如兩個帶電粒子之間產生電磁交互作用;而在重力場裏,行星和行星之間透過傳播子產生萬有重力。

但如果我們更深入地挖掘這個思路,並從當代物理學知識出發去分析當前已知四種基本作用力之間差異,則會發現一個問題:它們居然連傳播子的品質都不同。

根據目前量子場論裏所描述的標準模型來看,傳播子應該是沒有品質、靜止在一個點上,並以光速進行傳遞才對。但如果我們按照這個設定去檢驗四種基本作用力傳播子的情況,則會發現它們具有著不同的靜止品質。

比如說對於電磁交互作用來說,兩個帶電粒子之間交換的傳播子就是光子。我們知道光子沒有品質,在空間中以光速運動。

而對於重力來說,則是「引子」;而對於強核作用來說,則是「膠子」;再對於弱核作用來說,則是「W玻色子」和「Z玻色子」。但讓人費解的是,在這些傳播子當中居然具有不同的靜止品質。

對於一個參考系而言,在其中靜止不動的光子品質應該是0;而對於其它傳播子來說,則有著非0的數值。這就導致了一個問題:不同品質意味著不同範圍內的運動規律;而不同運動規律則意味著不同大小的能量損耗。

這樣一來,在所有能夠產生交互作用的粒子當中只有光子能夠永遠堅持下去,並最終將粒子們拉到一起;其它粒子由於能量損耗太大,在運動過程中就已經袛敗了。因此,愛因史坦的探索雖然未能完全解決問題,但為後來的研究奠定了基礎。