人類自古就有一個心愿,那就是用一個簡潔、優(yōu)美的公式來描述自然界紛繁復雜的現象。
17世紀,牛頓的萬有引力定律問世。從此,滿天繁星那看似雜亂無章的運動變得有跡可循。
19世紀,麥克斯韋建立了電磁學,把電學與磁學統(tǒng)一起來。他那精美絕倫的麥克斯韋方程組推導出,光也是一種電磁波。可是隨后,麻煩接踵而至。新生的電磁學與牛頓力學矛盾重重。主要體現為,光的速度是一個恒定的值(30萬公里/秒),這不滿足速度疊加原理。
1905年,愛因斯坦發(fā)表了狹義相對論,又經過十年苦思冥想、艱苦創(chuàng)立。他完成了廣義相對論。不僅光的矛盾在他的新理論中得以解決,而且大大地拓展了牛頓的時空觀。愛因斯坦把“場”的觀點引入對宇宙的描述,引力場則被形容為時空的彎曲。
接下來,就是統(tǒng)一電磁場和引力場了。這個看似順理成章的一統(tǒng)大業(yè),卻耗費了這位科學巨匠后半生幾乎全部的精力。愛因斯坦晚年,英雄遲暮。他身邊的同事都轉而研究新興的量子力學。但他仍在孤獨中堅持統(tǒng)一場論。
愛因斯坦為了給統(tǒng)一場論尋找出路,通過增加一個或幾個空間維度的方法,進行推演??墒歉呔S時空的計算只能存在于草稿紙上,在現實中根本無法驗證。愛因斯坦又轉向探索超越黎曼幾何的新幾何學??墒菙祵W功底本來薄弱的愛因斯坦在后黎曼幾何學上,仍沒能建立起他的統(tǒng)一場方程。
愛因斯坦用十年的堅持換來了廣義相對論的成功。但是這次,這位倔強的老人足足用了三個十年的堅守卻沒能換來統(tǒng)一場論的曙光。以至于在彌留之際,愛因斯坦對此都耿耿于懷。
看似順理成章的統(tǒng)一場論,為什么創(chuàng)立會這樣的艱難?
首先,當年學界認為力只有兩種,即電磁力和引力。愛因斯坦著手建立一統(tǒng)理論囊括這兩種力。隨后幾十年,研究微觀世界的量子力學興起,另外兩種基本力,只在微觀世界起作用的強力、弱力被發(fā)現。但是愛因斯坦對量子力學一直是抵制的態(tài)度,不可能接受其觀點。
其次,愛因斯坦所選擇統(tǒng)一的引力,是最難的。在今天仍無法納入其它三種力的體系中。這或許就是科學之殤吧。我相信,愛因斯坦要是在當初選擇統(tǒng)一其它三種力,他的最后三十年絕對會有很大的建樹。
現在,我們已經完成了電磁力、弱力、強力的統(tǒng)一理論。
1954年,楊振寧和米爾斯把電磁作用是由定域規(guī)范不變性所決定的觀念,推廣到不可對易的定域對稱群,揭示出規(guī)范不變性可能是電磁力和其它力的共同本質。從而開辟了用規(guī)范原理來統(tǒng)一各種力的新途徑。愛因斯坦的統(tǒng)一場論徹底被規(guī)范場論代替。
1968年,格拉肖、溫伯格、薩拉姆提出了完善的電弱統(tǒng)一理論。三人還因為這項重大貢獻獲得了諾貝爾物理學獎。70年代,強力已經發(fā)展出成熟的量子色動力學。拉格肖在電弱統(tǒng)一的基礎上,將量子色動力學納入其中,形成三種力的統(tǒng)一理論??茖W家由此推導出標準模型理論。但是這還不是大一統(tǒng)理論,引力仍未被囊括其中。
最近幾年,弦理論成為最有希望的大一統(tǒng)理論。弦理論認為,自然界的基本單位不是電子、光子、夸克等點狀粒子,而是很小很小的線狀“弦”。弦的振動產生出各種不同的基本粒子。弦理論不僅可以解釋電磁力、弱力、強力,最為重要的是它可以導出引力子。完成四種力的大一統(tǒng)。
愛因斯坦把后半生都奉獻給了大一統(tǒng)理論。雖然未有重大成果,但他埋下的那顆種子,正在茁壯成長,離開花結果不遠了。
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