近几天,我的科普作品获得了广泛的赞誉,看来大家对拟人化的叙述方式颇有兴趣。
为了维持易懂的写作风格,我决定继续遵循「尽量避免公式」的原则。
众所周知,至今人类还未能揭示自然界的终极理论。尽管超弦理论被认为是理想候选之一,但其实验验证仍显困难,更多的是数学上的构建!我要强调的是:有科学家认为大一统理论能够用单一理论解释除引力之外的所有其他力学现象。将大一统理论与引力结合,才能构成所谓的万有理论。
从爱因斯坦早年开始,大一统理论已经被科学界正式提出,爱因斯坦的晚年也基本奉献于此。遗憾的是,至今我们还没有实现爱因斯坦的这一伟大愿望。当然,在爱因斯坦时代,由于尚未发现强和弱相互作用力,大一统理论本质上即万有理论。
无疑,大一统理论面临的最大障碍是引力。这种最早被发现的,看起来最简单的力却异常独特。
自然界的四大基本力—强力、电磁力、弱力都已在标准模型中得到了完美的解释。标准模型就像一个大家族,其乐融融。只有引力,这个「远行者」还未愿归来。
一切从场论开始。牛顿提出万有引力理论后不久,就面临了一个急需解决的问题—超距作用。他本人也不愿意接受物体之间无介质、空中传递力的想法。
那时候,场的概念还没有明确形成,因此牛顿引入了以太来解释这一现象。在牛顿看来,以太是静止的,均匀地充满整个宇宙。通过以太,引力的作用得以传递,且传递是瞬时的。
牛顿去世后,人们逐渐发现了电磁力。在磁铁周围撒上铁屑,就会看到铁屑形成曲线状,这就是磁力线的直观表示。
法拉第认为,这表明在磁铁周围的空间中存在一种均匀分布的场,磁铁对铁屑的作用就是通过这种场实现的。
这是场论的初步概念。直到麦克斯韦提出电磁理论后,场论才真正受到科学界的关注。
当然,那时的科学家仍旧认为场是均匀弥散在空间中的。场在空间中的强度随着距离场源的增加而减弱。
以上都属于经典场论的思想。直到爱因斯坦,经典场论才演化为量子场论。
经典场论与量子场论的本质差异在于:量子场论不认为场是均匀分布的,场的存在是不连续的,取值是分立的。例如,经典场论中连续空间的场强度可能是1、1.01、1.02,其值连续变化。
而量子场论中,场的值是量子化的,如若场的单位量子为2,则场的值可能是2、4、6等。这是因为能量的不连续导致场的不连续。
量子场论经历了两次重大改革和一次困境。
量子场论的两次重大改革已经得到解决,但目前最大的困境是无法解释引力。在爱因斯坦中年之前,科学家只知道存在两种力:引力和电磁力。
当时,科学家首次使用量子场论来解释电磁场,认为光子是电磁力的传播子,由电磁场激发而来。
如今我们知道,自然界的四大作用力都对应着一种场,每种力都有其传播子。这些传播子都是在相应的力的场中被激发出来的。
在1920年代,科学家还未发现强弱相互作用力。那时,科学家们只想统一引力和电磁力。在爱因斯坦看来,引力的传播速度已经由广义相对论预测为光速。引力和电磁力的传播速度都是光速,电磁力有电磁场,传播子有光子。引力也有引力场(引力场是时空曲率的表现形式),但引力子却一直未能被发现。引力子与光子是否有内在联系?爱因斯坦坚信既然引力和电磁力的传播速度相同,它们之间必然存在联系。然而,这个问题直到他去世也未得到解决。
这个问题一直未有答案。
量子场论最初是为了解释电子与光子的相互作用而提出的。光子的吸收和释放都是按量子的方式进行的,因此电子和光子的场论必须在量子力学框架内统一。
不确定性原理告诉我们:电子处于持续运动状态。运动的电子造成了电磁场的存在。电子会自发地辐射出能量,这些能量通过质能方程转化为光子。通过这种方式,科学家将光子、电子和电磁场完美地结合起来。
直到20世纪六七十年代,科学家逐渐发现了强弱相互作用力。
为了让量子场论自洽,科学家建立了规范场论,不仅解释了强力和弱力,还将电磁力纳入其中。值得一提的是,杨振宁在建立规范场论中做出了决定性的贡献。
根据规范场论,我们知道夸克之间的强力是通过胶子传播的。电磁力由光子传播,弱力由W和Z玻色子传播。不论是胶子、光子还是W和Z玻色子,它们都属于玻色子。
按照量子场论的标准模型,既然所有力都是相同的,为什么引力要独树一帜。其他三种力的相互作用和传播子都在标准模型中得到了完美的解释,引力似乎没有必要保持神秘。
因此,科学家预测了引力子的存在,认为它也是玻色子的一个成员。
如今,科学家开始认为引力子可能与希格斯场有关。希格斯场是一种能量场,场的振动产生了希格斯玻色子,也被称为上帝粒子。某些本不具有质量的粒子,正是由于希格斯场的存在,获得了质量。这种质量来源于希格斯场的能量。例如,弱力的传播子W和Z玻色子的质量就来自希格斯场。随着我们对希格斯场和上帝粒子的深入研究,或许能够揭示引力子的真正本质。
有些读者可能会问,既然引力在广义相对论中已被完美解释为时空弯曲,为什么还需要将其纳入量子力学框架?为何不把引力交给相对论处理,而把其他三种力交给量子力学,各自独立就好?
实际上,大一统理论不仅仅是人类的美好梦想,它背后可能蕴藏着巨大的奥秘。回顾物理学史,我们发现,看似对立的事物往往潜藏着统一性。如果当年牛顿将行星轨道与苹果落地视为两个独立的现象,万有引力的理论会诞生吗?电和磁曾被认为是两种独立的力,最终也被证实是同一种力在不同情况下的两种表现形式。
其实,弱相互作用和电磁力也是可以统一的,这就是电弱理论。低能量下,电磁力和弱力差异显著;但在高能量下,它们统一成电弱相互作用力。
物理学中的每一次分裂,都意味着更高层次的统一在等待着揭示。
量子力学和相对论共同奠定了现代物理学的基础。然而,正因引力未能纳入量子力学,这使得现代物理学难以自洽。这个难题的解决必将带来物理学在更高层次上的统一。