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超越愛因史坦:探索大一統理論與萬有理論的奧秘

2024-08-23科學

直到今日,人類依然未能發現一個能涵蓋自然界所有現象的統一理論。盡管超弦理論是理想中的候選者之一,但它更多被看作是數學上的技巧,實際上驗證極為困難。部份科學家指出,大一統理論能用單一理論解釋所有除重力外的力學現象。而大一統理論與重力的結合,才真正構成了所謂的萬有理論。

從愛因史坦早年開始,科學界就已經開始嘗試構建大一統理論。愛因史坦晚年的主要工作就是尋求這一理論的完成。遺憾的是,至今我們還沒有實作這一目標。在愛因史坦的時代,由於強和弱交互作用力尚未被發現,大一統理論基本上就是指萬有理論。

重力無疑是大一統理論的最大障礙。重力是人類最早發現的自然力,看似最簡單卻極其獨特。

自然界的四種基本力量——強力、電磁力、弱力,都已被標準模型完美地描述。只有重力這一"遊子"還未歸入這個溫馨的大家庭。

場論的故事始於牛頓時代。牛頓在提出萬有重力理論後,很快就面臨了超距作用的難題。他本人也曾表示,難以接受物體間 無介質 的空間作用。

在牛頓的時代,場的概念還沒有清晰地被定義,因此他引入了以太概念來解釋這一現象。在牛頓看來,以太是靜止的,均勻地充滿了宇宙,重力就是透過以太瞬時傳遞的。

牛頓逝世後,人們發現了電磁力。透過在磁體周圍撒上鐵屑,可以看到鐵屑形成曲線狀,這啟發了磁力線的概念。

法拉第進一步解釋稱,這表明磁體周圍存在一種均勻的場,磁體對鐵屑的作用就是透過這種場實作的。

場論的思想直到馬克士威提出電磁理論後才被科學界廣泛接受。

當時,科學家普遍認為場是均勻地散布在空間中的。在空間中某點的場強度會隨著與場 源距離 的增加而逐漸減弱。

這些都屬於經典場論的觀念。直到愛因史坦的出現,傳統的場論才演化為量子場論。

經典場論與量子場論的主要區別在於:量子場論不認為場是連續的,而是認為場是由離散的量子組成的。例如,在經典場論中,連續空間的場強度可以是任意實數,如1、1.001、2等。

而在量子場論中,場的值必須是量子化的,如2、4、6等。能量的離散性決定了場的離散性。

量子場論經歷了兩次重大挫折和一次困境。

愛因史坦晚年之前,科學家們只知道兩種基本力:重力和電磁力。

科學家最初使用量子場論來解釋電磁場,認為光子是電磁力的傳播介質。

目前已知,自然界的四大作用力各有對應的場,每種力都有其傳播介質,即傳播子。

1920年之前,科學界未發現強弱交互作用力。當時的科學家只是希望統一重力和電磁力。愛因史坦認為重力的傳播速度是光速,這已被廣義相對論預測。重力和電磁力的傳播速度相同,但為何找不到重力子呢?這一問題直到愛因史坦去世也未解決。

這個問題一直懸而未決。

量子場論最初是為了解釋電子和光子的交互作用提出的。不確定性原理告訴我們電子總是在不斷運動中,並且會自發地放射線能量,這些能量透過質能方程式轉化為光子。

直到20世紀的六七十年代,科學界陸續發現了強弱交互作用力。

為了使量子場論自洽,科學家建立了規範場論,這不僅解釋了強力和弱力,還將電磁力納入其中。楊振寧在規範場論的建立中發揮了關鍵作用。

根據規範場論,誇克之間的強力透過膠子傳播,電磁力透過光子傳播,弱力透過W和Z玻色子傳播。無論 膠子 、光子還是W、Z玻色子,都屬於玻色子。

按照量子場論的標準模型,既然其他三種力的傳播子已被完美描述,重力的傳播子——重力子,也應存在並屬於玻色子。

目前,科學家認為重力子可能與希格斯場相關。希格斯場是一種能量場,其振動產生了希格斯玻色子,也稱為上帝粒子。透過進一步研究希格斯場和上帝粒子,或許能揭示重力子的本質。

有些人質疑,既然廣義相對論已完美解釋了重力為時空彎曲,為何還需將其納入量子力學?為什麽不讓相對論和量子力學各自獨立發展?

大一統理論不僅僅是人類科學的美好期望,它可能隱藏著更深層的秘密。在物理學歷史上,看似對立的現象往往暗含著更深的統一。如果牛頓當年沒有將行星橢圓軌域與蘋果落地視為同一現象,萬有重力理論還會被發現嗎?電與磁最初被視為兩種獨立現象,最終被認定為同一事物的不同表現。

弱交互作用和電磁力在低能量狀態下差異明顯,但在高能量環境下則合為一體,形成電弱交互作用力。

每一次物理學的分裂,都預示著更高層次的統一。

量子力學和相對論是現代物理學的兩大支柱。由於重力尚未被納入量子理論,現代物理學尚未實作完全自洽。解決這一問題必將導致物理學的更高層次統一。