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回顧:假設有人統一四大基本力,那他的地位會超牛頓和愛因斯坦嗎

2024-07-20科學

宇宙法則

對於今天的物理科學家來講,統一至關重要,這將為人類帶去新的視野。

300多年前,牛頓提出了萬有重力定律,為人們提供了對空間廣度以及物體運動的新視野。

牛頓與萬有重力

而在100多年後,正當物理學停滯不前的時候,愛因斯坦在前人的基礎了對物理世界中的幾大作用力進行了新的闡述,並且提出相對論這一概念。

絕對時間的概念被打破,新的理論階梯再一次將人類的提升到一個新的高度。

如果說二十世紀初的狹義相對論是因為經典物理有著原有的矛盾,大量的新實驗以及廣泛的關註而讓其現世。

那麽廣義相對論的提出則在某種意義上是理論走在了實驗前面,如今相對論已經成為指導物理學以及眾多研究的基礎科目。

愛因斯坦,現代物理學的宗師

但在今天,量子力學和標準模型構建出來的物理世界再一次碰上了難題,四大基本力不能得到完全統一,這也讓現代物理學在今天的發展顯得十分緩慢。

關於四大基本力,過去的研究已經將這一切說得很清楚了。

首先是牛頓發現的地心重力,重力存在於每個角落,範圍很廣,但是重力很弱,物質之間的重力需要其本身達到足夠大的質素才能夠顯現出來。

弱核力(弱力),這是由放射性衰變和微中子的相互作用導致,它的影響範圍很小。

正如它的名字一般,弱核力作用微弱,弱力會導致β衰變。即中子轉化為質子、電子和反微中子。

四大基本力的表現

第三個則是電磁力,電磁力得到真正的統一是在麥克斯韋之後,由愛因斯坦整合至相對論中。

電磁力引起的電和磁的效應,例如電荷之間的排斥或條形磁鐵的相互作用。

電磁力是一種遠端力,但要比強力的表現弱得多。

電磁力所表現出的電磁光譜

它可以吸引或排斥,並且只在帶電荷的物質間起作用。電、磁和光都是由這種力產生。

最強大的便是核力(強力),盡管它的作用範圍很短,但是它的強相互作用非常強大。

它負責將原子核結合在一起,由於核力的作用,相同的帶電質子會相互吸引。

電磁力將物質結合在一起,但沒有解釋原子核是如何在原子中結合在一起的。

如果只考慮電磁和重力,那麽原子核實際上應該朝著不同方向飛去。

但實際情況並非如此,這意味著原子核中存在另一種比重力和電磁力更強的力,而這便是核力發揮作用的地方。

當兩個粒子透過強力相互作用時,它們透過交換膠子來實作。

因此,質子和中子內部的誇克透過強核力的交換而結合在一起。

強力相互作用的表現

當它們靠得很近時,誇克受到的力會很小。

但是如果想要將它們分開,強大的核力會將它們重新聚集到一起。

完全分離兩個誇克需要的能量遠遠超過任何粒子加速器所能提供的能量。

不統一的力

綜合過去科學家們所研究的問題來看,強力是所有4種基本相互作用中最強的。

3種基本力由載力粒子交換產生,它們屬於更廣泛的一個概念,被稱為「玻色子」。

物質體子透過相互交換玻色子來傳遞離散量的能量。

希格斯玻色子,量子力場的科代表

每個基本力都有對應的玻色子,強力由膠子攜帶,電磁力由光子攜帶,而W和Z玻色子負責弱力。

直到今天,科學家們仍然沒有完全摸清楚重力的承載粒子,但是科學家們相信「重力子」應該是相應的重力的承載力。

為什麽在今天要強調力的統一簡單來講,這是正確描述我們所處的世界究竟是何樣的一種理論。

力的統一和模型能夠為科學家提供更多的視野去研究在今天不能解答的問題,例如宇宙大爆炸、反物質、暗能量等等。

大型強子對撞機粒子探測器數據

過去幾十年裏,科學家們透過不斷努力,如今已經統一了3大基本力,它被稱作「標準模型」。

標準模型正是科學家們的水晶球,它能夠預言基本力中的粒子究竟是什麽樣子。

預測新的粒子,然後實驗去驗證。科學家對新粒子的發掘最終需要一個模型來根據其固有特性劃分的所有基本粒子。

標準模型不僅排列了這些粒子,而且還提供了一種可以解釋自然基本力,以及它們相應力載體的方法。

粒子物理標準模型中的粒子

電磁力、弱核力、強核力,這三者在統一結合的過程中表現十分自洽,並且如今在科學界已經得到證實。

標準模型中,電磁的相互作用由量子電動力學描述;

弱力根據弱理論來解釋,相關理論指出弱相互作用和電磁相互作用在高能狀態下結合成一個單一的電弱相互作用;

弱核力中的放射性衰變

強力的強相互作用由量子色動力學描述,它是標準模型組成的一部份。

然而在重力中,盡管很早以前科學家就已經在接觸重力,但是並沒有一個標準模型來描述重力。

因為在與廣義相對論、現代重力理論和量子力學的結合中會出現矛盾,而它在微觀尺度上的表現又是如此的弱,以至於它在本質上無法被測量。

量子色動力學中的氘原子

所以標準模型還不能解釋什麽是暗物質,為什麽會有質素尺度不同的三代誇克和輕子等等。

科學家為了完成四大力的基本統一,因此他們正準備構建大統一理論。

大統一

大統一理論是粒子物理學中的一個模型(事實上關於基本力的統一理論並不只有一個,但是就大統一理論來講,這或許是未來最有可能的結果)

在高能狀態下的3個規範相互作用合並成一個單一的力。

宏觀與微觀最終能否統一?

盡管還沒有直接觀察到這種統一的力量,但許多大統一模型將其存在理論化。

如果這三種相互作用的統一是可能的,那麽它或許能夠解釋在非常早期的宇宙中存在一個大統一時代的可能性。

因為當今的宇宙中,基本力是「分散」的,科學家們相信這些力在大爆炸以前是統一的。

當代物理學中未解決的問題正是世界起源和本質的問題,實驗表明微中子有質素,但這是經典標準模型所不允許的。

說明電磁粒子相互作用的費曼圖

最終,理論和實驗研究將整個標準模型擴充套件為統一場論或者萬物理論。

但不足的地方仍在於,該模型沒有解釋重力,正如前面所說,標準模型無法在廣義相對論和量子場論中使用。

現代研究中,科學家將標準模型的進一步解釋放在了強子對撞機實驗中,或許以後能夠為科學家帶來更多觀察,並最終找到標準模型所缺失的部份。

強子對撞機實驗室

所以回到最終的問題上,如果有人統一了四大基本力,他的地位是否能夠超越牛頓、愛因斯坦。

答案是肯定的,但也不完全是。

需要註意的是,如今現代物理學的框架可以說是來自牛頓,愛因斯坦在前人的基礎上,幾乎靠著自己的力量完成了對3種力的預言和描述。

這兩位科學家都是劃時代的拓荒者,為什麽說牛頓的物理體系在愛因斯坦後失效了?

今天的科學家會將目光看得更遠

經典模型在解釋更加復雜量子學問題以及電磁力時已經力不從心,正是愛因斯坦將其做了新的描述。

所以從這一層面來講,愛因斯坦是偉大的,他超越了前人。

但如果沒有牛頓以及其他人的努力,愛因斯坦要做的工作還有許多。

所以從這個角度來看,愛因斯坦也是站在巨人肩膀上的那個天才。