楠木軒

如果有人能夠統一四大基本力,他的地位能否超越牛頓、愛因斯坦?

由 簡振武 發佈於 科技

物理學家熱愛統一

我們都知道,牛頓和愛因斯坦是物理學史上最頂級的物理學家。我們會發現,最頂級的幾位物理學家都完成了物理學的部分“統一大業”,比如:

牛頓提出了萬有引力定律和牛頓三定律,讓我們知道物理學定律是具有普適性的,宇宙中的和地球上的都是一致的。


愛因斯坦提出了狹義相對論,統一了時間和空間,他認為空間和時間其實是一回事,應該被並稱為時空,除此之外,愛因斯坦統一了質量和能量,他認為質量和能量其實是一個東西的兩個面,質量裏有能量,能量裏有質量。在廣義相對論中,他提出引力的本質是時空的彎曲。


而麥克斯韋是和牛頓、愛因斯坦平起平坐的物理學,他提出了麥克斯韋方程,統一了電和磁,並預言電磁波的存在以及光就是一種電磁波。


所以,你看,他們三位都是實現了統一理論的物理學家,如果把物理學家分為幾個梯隊,那三位毋庸置疑就是第一梯隊的。其中,牛頓和愛因斯坦都曾經傾盡全力去尋找大一統理論。所以説,對於物理學家來説,最至高無上的成就是完成大一統理論。那什麼是大一統理論呢?

所謂的大一統理論,説白了就是用一個理論解釋全宇宙的所有物理學現象。如今我們要解釋宇宙中的各種現象,需要的是不同的理論來詮釋,所謂的統一,説白了就是從現象中抓到本質,合併一些物理學現象。大一統理論其實就是最終所有現象共同的本質,用一個理論去詮釋。

四大作用力

按照如今的視角來看,大一統理論應該就是統一四大作用力。為什麼這麼説呢?

在上個世紀,物理學發生了劇烈的變化,出現很多超乎物理學家的想象的現象。於是,他們開始進行統一。在這個過程中,他們發現了宇宙中存在着四種基本作用力。


其中,強相互作用力和弱相互作用力是作用在原子核層面的;引力是物質之間的吸引力;強相互作用力和弱相互作用力,引力之外的作用力都是電磁力。它們之間的強度相差甚遠。那我們應該如何“力”或者更嚴謹地説是“作用”的概念呢?

我們可以試想一下,構成宇宙萬物的説白了就是微觀粒子,比如:質子、中子、原子、夸克、電子等等。


但是正常來説,他們應該是一盤沙狀的,而不是像現在這樣構成宇宙的萬物。所以,還存在着“作用”作為“粘合劑”,把這些粒子粘合在一起。


所以,從如今的理論來看,要構建一套大一統理論,就要把這四種作用力統一起來。那現在的進度如何呢?

目前來看,弱相互作用力和電磁力被統一了起來,我們也稱為弱電統一理論,這是温伯格、格拉肖等人做出來的。而強相互作用力和弱電理論處於半統一狀態,説白了,就是我們可以用一個公式來表達,但並不是完全統一起來。在這個過程中,我們國家的科學家楊振寧做出了極其作用的貢獻。


至於引力,目前的“引力子”理論和實際誤差巨大無比。廣義相對論是解釋引力的主流理論,但廣義相對論和量子力學目前還無法相容,因此,目前來看引力還無法和其他三個力進行統一。

也就是説,雖然大一統理論要求我們統一四個作用力。但實際上,我們距離統一這四個作用力還還遠很遠,但多人寄希望於超弦理論,但目前的實驗做下來,超弦理論也未必可以成為最終的大一統理論。


如果有人可以統一這四個作用力,那完全是可以和牛頓、愛因斯坦、麥克斯韋平起平坐的水平。但是你要説,他就超越了牛頓、愛因斯坦等人,就不太靠譜。原因其實也很簡單,統一四大作用力很可能並不是最終的大一統理論。為什麼這麼説呢?

大一統理論可能未必存在?

其實我們可以想象一下,牛頓時代,牛頓追求的大一統理論應該是和我們現在不同的。因為他根本不知道存在這四種作用力。愛因斯坦也是如此,他的時代,四大作用力還沒有被發現。那我們真的就確定宇宙僅僅只有這四大作用力嗎?

實際上,我們並不能。舉個例子,在這套理論當中其實至少缺少了對於未知物質的補充。我們如今知道,宇宙存在着暗物質和暗能量,它們的佔比遠比我們看到的物質要多,兩者加和達到了95%以上。我們知道的其實是在這5%不到的世界裏的理論,這個理論解釋不了暗物質和暗能量。


所以,縱觀整個科學史,我們會發現,每當我們多知道一些,我們就發現我們不知道的也多了一些。所以,大一統理論實際上是在變化的,不同的時代所認為的“大一統理論”是不同的。因此,即使統一了四大作用力,這個理論也大概率不是最終的大一統理論。也就是説,統一四大作用力也只是部分統一,因此,這個人也就是和牛頓,愛因斯坦平起平坐而已。況且,如今來看,這個統一之路格外艱難,短時間內可能都不可能完成。