如果有人统一了四大基本力,那么他将会在物理学史上拥有怎样的地位,能否超越牛顿、爱因斯坦?

如果谁能统一四大基本力(宇宙引力、电磁力、强核力、弱核力),它将成为第一个触及万物至理“物理圣杯”之人。他绝对会能在物理学史上留名千古,比肩牛顿、爱因斯坦,甚至具有更大的影响力。

现在四大基本力还无法统一,其本质不是理论的问题,而是科技实力的问题。

为什么这么说呢?因为科学是一套以实验为基础的知识获取系统,没有大量的实验辅证,无论你有什么理论,都难以最终让人信服。

而基于亚原子研究的粒子物理学,普朗克尺度的目前人类科学的禁区。我们无法基于观察构建这一尺度下的物理世界,而要找到四力的统一描述就必须涉及这个领域,理论物理学的弦理论,预言了普朗克尺度下的弦,为物理学勾画了从未想过的物理图景。而图景指导正是爱因斯坦最后30 年研究统一场论时缺失的最重要一环。

当然弦论描述的图景未必一定正确,但它却是目前唯一有图景指导,能统一四大基本力的理论,所以如果要谈四力统一问题,就不得不涉及弦论对于世界基础概念的假设。

在弦论的图景下,世界必须是高维的。

在弦论的描述下,我们现在无法观测的普朗克尺度下的世界正是我们无法觉察的高维空间。

“物质”被看作是整个时空织物的振动。因而可以得出一种迷人的可能性,即我们所看到的周围的一切,从树木、山脉到星星本身,不过是超空间中的振动。如果这是真的,那么它给了我们一种漂亮而简单的几何方法,对整个宇宙提供了一种条理清晰、令人信服的描述。

如果弦论的描述是正确的,统一四力会让人类真正成为宇宙的主人。物理学家保罗·戴维斯(Paul Davies)曾对此作了一番评论,他说: “我们可以改变时间和空间的结构,在虚无中产生物质,并建立秩序。控制这种统一后的超力,我们便能随意构造和改变粒子,从而生成奇异形式的物质。也许,我们甚至可以改变空间本身的维度,创造不可想象的人造世界。我们真的成了宇宙的主人。”

理论上,要探索多维空间所需的能量是102o亿电子伏特,而目前全球最大的粒子加速器LHC能产生的能量仅仅1万亿电子伏特。也就是说我们现在能操控的能量还差着13个指数级。

要达到这一能量要求是痴人说梦吗?

乍一看,似乎确实如此。然而200万年的人类历史,科技发展不过200年,纵观人类文明的进程预示着科技也是成指数级发展的。

科学家们认为如今我们所获得的知识总量,大约每10年到20年就翻一番。就好比一天生长一倍的荷叶,半池塘的荷叶只需要一天,就能长满池塘。这样想来,展望未来达到检测高维空间理论的技术也不是不可能的。

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自然界的其中基本作用力分别是强力,弱力,电磁力和引力,基于标准粒子模型前三种作用力目前已经得到统一,而且都有自己的传播子:

强力的传播子是胶子,电磁力的传播子是光子,弱力的传播子是玻色子,这三种传播子已经被科学家们找到。不过引力的传播子引力子一直没有被找到,所以“引力子”的概念目前还只是一种假设!

同时,根据广义相对论的描述,引力根本不是一种力,引力的本质其实是时空弯曲,引力只是一种表象而已!那么既然引力不是一种力,为何科学家们还如此执着地寻找引力子呢?

这就是宏观世界与微观世界的理解不同,本来量子力学与广义相对论就存在着矛盾需要调和,广义相对论虽然能很好地诠释宏观世界,但在微观领域并不适用,而微观世界里一切都是基于粒子的运动,各种力的传播都有自己的方式,所以理所当然科学家们也会认为引力也应该有自己的传播子!

说白了,广义相对论对于引力本质的诠释只是一种宏观的描述,在更小的微观世界,或许有更本质的东西存在,比如科学家们正在寻找的引力子!

不过即使有科学家找到引力子统一了四种基本作用力,也很难超越牛顿和爱因斯坦。因为不管是牛顿还是爱因斯坦在人类科学史上都是开创性或者颠覆性的,而引力子的概念是科学家假设的一种概念,然后再去寻找!统一强力弱力和电磁力科学家并没有超越牛顿和爱因斯坦,统一引力的科学家也很难超越!

物理学家热爱统一

我们都知道,牛顿和爱因斯坦是物理学史上最顶级的物理学家。我们会发现,最顶级的几位物理学家都完成了物理学的部分“统一大业”,比如:

牛顿提出了万有引力定律和牛顿三定律,让我们知道物理学定律是具有普适性的,宇宙中的和地球上的都是一致的。

爱因斯坦提出了狭义相对论,统一了时间和空间,他认为空间和时间其实是一回事,应该被并称为时空,除此之外,爱因斯坦统一了质量和能量,他认为质量和能量其实是一个东西的两个面,质量里有能量,能量里有质量。在广义相对论中,他提出引力的本质是时空的弯曲。

而麦克斯韦是和牛顿、爱因斯坦平起平坐的物理学,他提出了麦克斯韦方程,统一了电和磁,并预言电磁波的存在以及光就是一种电磁波。

所以,你看,他们三位都是实现了统一理论的物理学家,如果把物理学家分为几个梯队,那三位毋庸置疑就是第一梯队的。其中,牛顿和爱因斯坦都曾经倾尽全力去寻找大一统理论。所以说,对于物理学家来说,最至高无上的成就是完成大一统理论。那什么是大一统理论呢?

所谓的大一统理论,说白了就是用一个理论解释全宇宙的所有物理学现象。如今我们要解释宇宙中的各种现象,需要的是不同的理论来诠释,所谓的统一,说白了就是从现象中抓到本质,合并一些物理学现象。大一统理论其实就是最终所有现象共同的本质,用一个理论去诠释。

四大作用力

按照如今的视角来看,大一统理论应该就是统一四大作用力。为什么这么说呢?

在上个世纪,物理学发生了剧烈的变化,出现很多超乎物理学家的想象的现象。于是,他们开始进行统一。在这个过程中,他们发现了宇宙中存在着四种基本作用力。

其中,强相互作用力和弱相互作用力是作用在原子核层面的;引力是物质之间的吸引力;强相互作用力和弱相互作用力,引力之外的作用力都是电磁力。它们之间的强度相差甚远。那我们应该如何“力”或者更严谨地说是“作用”的概念呢?

我们可以试想一下,构成宇宙万物的说白了就是微观粒子,比如:质子、中子、原子、夸克、电子等等。

但是正常来说,他们应该是一盘沙状的,而不是像现在这样构成宇宙的万物。所以,还存在着“作用”作为“粘合剂”,把这些粒子粘合在一起。

所以,从如今的理论来看,要构建一套大一统理论,就要把这四种作用力统一起来。那现在的进度如何呢?

目前来看,弱相互作用力和电磁力被统一了起来,我们也称为弱电统一理论,这是温伯格、格拉肖等人做出来的。而强相互作用力和弱电理论处于半统一状态,说白了,就是我们可以用一个公式来表达,但并不是完全统一起来。在这个过程中,我们国家的科学家杨振宁做出了极其作用的贡献。

至于引力,目前的“引力子”理论和实际误差巨大无比。广义相对论是解释引力的主流理论,但广义相对论和量子力学目前还无法相容,因此,目前来看引力还无法和其他三个力进行统一。

也就是说,虽然大一统理论要求我们统一四个作用力。但实际上,我们距离统一这四个作用力还还远很远,但多人寄希望于超弦理论,但目前的实验做下来,超弦理论也未必可以成为最终的大一统理论。

如果有人可以统一这四个作用力,那完全是可以和牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦平起平坐的水平。但是你要说,他就超越了牛顿、爱因斯坦等人,就不太靠谱。原因其实也很简单,统一四大作用力很可能并不是最终的大一统理论。为什么这么说呢?

大一统理论可能未必存在?

其实我们可以想象一下,牛顿时代,牛顿追求的大一统理论应该是和我们现在不同的。因为他根本不知道存在这四种作用力。爱因斯坦也是如此,他的时代,四大作用力还没有被发现。那我们真的就确定宇宙仅仅只有这四大作用力吗?

实际上,我们并不能。举个例子,在这套理论当中其实至少缺少了对于未知物质的补充。我们如今知道,宇宙存在着暗物质和暗能量,它们的占比远比我们看到的物质要多,两者加和达到了95%以上。我们知道的其实是在这5%不到的世界里的理论,这个理论解释不了暗物质和暗能量。

所以,纵观整个科学史,我们会发现,每当我们多知道一些,我们就发现我们不知道的也多了一些。所以,大一统理论实际上是在变化的,不同的时代所认为的“大一统理论”是不同的。因此,即使统一了四大作用力,这个理论也大概率不是最终的大一统理论。也就是说,统一四大作用力也只是部分统一,因此,这个人也就是和牛顿,爱因斯坦平起平坐而已。况且,如今来看,这个统一之路格外艰难,短时间内可能都不可能完成。

答:自从科学诞生之日起,科学家就一直走在统一的道路上,牛顿统一了天上地下的物体运动规律,麦克斯韦统一了电和磁,爱因斯坦统一了时间和空间,质量和能量,杨振宁统一了电磁力与弱核力;统一场论是物理学的终极梦想,如果谁真的能统一四种基本力,那么他的功绩是绝对是前所未有的。


物理学喜欢追求统一

在十七世纪,德国天文学家开普勒提出了行星运动三大定律,从表象层面解释了天体的运行规律,但是却不知道三者之间的联系;直到几十年后,牛顿提出万有引力定律和物体运动三定律,从本质上解释了开普勒三定律,统一了天上地下物体的运动规律,这也是物理学的第一次大统一。

牛顿力学建立之后,科学家开始建造整个经典力学大夏,在1865年,英国科学家麦克斯韦提出电磁学方程组,完成了电和磁的统一,一切电和磁的规律和现象,都由方程组精确描述着,这也是经典力学的巅峰之作。

而统计力学的出现,从微观角度解释了宏观物体的温度、压力等等问题,完成了微观和宏观的局部统一,但是更深层次的微观现象还无法统一进来,比如黑体辐射、光电效应等等,于是量子力学应运而生,在1926年,薛定谔发表了薛定谔方程。

薛定谔方程描述微观粒子的物理现象,而宏观物理现象可以通过大量微观粒子的平均统计结果得出,量子力学应用到宏观世界后也将退化为牛顿力学,于是量子力学完成了微观和宏观的统一,需要指出的是,量子力学是许多科学家共同努力的成果。

而爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论,完成了质量和能量、空间和时间的统一,把人类文明带到了全新的高度,而且这一壮举的绝大部分工作,都是由爱因斯坦一人完成的;再后来,杨振宁完成了电磁力与弱核力的统一。


四种基本作用力

目前,四种基本作用力中的三种,都能在量子电动力学中得到非常好的解释,唯有引力还无法量子化,虽然引力的强度远比其他三种力弱,但是引力控制着宏观世界的运行。

“力”是一个抽象的概念,容易给人造成误解,现代的基础物理学中,我们更多地用“相互作用”来代替“力”,用“场”来描述相互作用的传递过程,比如万有引力中有引力场;在爱因斯坦的广义相对论中,更是认为“引力”不存在,引力只不过是空间弯曲的表象而已,而空间弯曲是空间的内秉属性,由空间中的质量和能量分布决定。


统一场论

爱因斯坦一生极力追求物理学的统一,他在建立广义相对论后,后半生一直在研究统一场论,统一场论是从场的概念出现,建立统一描述基本相互作用的本质和内在联系,换句话说就是四种基本作用力的统一。

由于万有引力定律和库仑力有着相似的形式,于是爱因斯坦建立广义相对论后,试图用同样的方法来解释电磁力,但是直到爱因斯坦去世,电磁力的几何化并没有获得成功,统一场论的任务留给了后来的科学家们。

经过几十年的发展,目前也发展起来一些理论,将来有可能完成物理学的终极统一,比如超弦理论、量子引力论等等。


统一的意义

可以这么说,宇宙中各种事物间的发展和演化,都伴随着相互联系,它们之间的联系正是通过相互作用完成的,我们有理由相信这之间的联系遵循一套数学描述。

但是目前而言,科学家却发现这之间的联系需要用四个数学体系描述,也就是四种基本作用力,这是科学家不能接受的,它们肯定会在更深层次上完成统一。

一旦我们获得了这个终极理论,我们就能根据终极理论精确地推测我们宇宙的起源、演化、以及未来的发展方向等等;如果有谁能统一四种基本作用力,那么他的成就绝对是前所未有的。


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统一思想的由来

力又叫相互作用,所谓的四大基本力是指强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力。

宇宙间所有现象都可以用这四种作用力来解释,所谓的统一就是人们通过进一步研究四种力之间的联系,寻找出能统一说明四种相互作用力的理论,即用一种理论解释这四种作用导致的物理现象。这种统一思想最早来自于爱因斯坦,自1915年爱因斯坦发表了广义相对论以后,他就把大半精力用于把引力和其他力统一起来的工作,因为爱因斯坦认为“统一”的概念应该是自然界拥有的最基本法则,在他的哲学中,他确信“自然界应该满足简单性原则”。

统一理论的发展历程和现状

广义相对论是爱因斯坦颠覆了牛顿万有引力理论中的超距作用观念,把场的观点引进引力后创立的,因此起初他试图把电磁场(作用)和引力场统一起来(当时人类只发现了这两种力),也就是人们常说的统一场论。在广义相对论中,他把引力看作是时空弯曲的几何效应,同样他认为电磁作用应该是时空弯曲的另一种几何效应,换句话说,他试图把电磁作用(力)几何化,最后虽然失败了,但这种统一思想已经被后人传承下来。

随着强力和弱力的发现,人们又试图把它们也统一进来,这就是大统一理论(主要是除引力外的其他三种力的统一),上世纪六十年代温伯格首先把弱相互作用和电磁作用成功的统一,这就是弱电统一理论。

迄今为止,大统一理论虽未完成,但科学家们一直在做,目前被认为最有希望的理论是弦论、超弦或M理论,它们和传统理论不一样的地方就是它们认为自然界的基本单元不是电子、夸克和光子之类的粒子,而是一维的“弦”,每个粒子实际上是很小很小弦的闭合圈,弦的不同振动和运动构成不同的基本粒子,有科学家甚至认为“弦环”就是“引力子”,不过这些理论都需要在很多维度下才能工作,

这使得构建大统一理论的尝试变得非常复杂,这已经有违爱因斯坦和谐统一的简单性原则。因此我的答案是永远不会有人统一四大基本力,因此在这个问题上不会有人超越牛顿和爱因斯坦。

为什么不会真正有人统一四大基本力当然还有别的原因。

第一,著名理论物理学家霍金曾说未来有人也许会发现大统一理论,

但这个统一理论并不会是爱因斯坦所认为的大统一理论,它不可能通过一个简单优美的公式来描述和预测宇宙中的每一个现象,因为宇宙是确定性和不确定性的统一。量子力学的不确定性原理已经把人的思想和科学发展方向引向了一条不归路,可怕的是人们在量子力学框架下已经取得了一些科技成果(尽管也许在别的理论框架下也能取得),但在这种思想下是体现不出大自然基本法则以及与大自然相通的统一。

第二,引力与众(力)不同,引力与其他三种力有本质上的不同,不论它的产生机理,还是传播机理,都不是传统解释。量子力学标准模型中的对传递引力的假想粒子――引力子是不会存在的,也许正如爱因斯坦广义相对论所认为的,引力只不过是时空弯曲的几何效应而已,

并不是牛顿万有引力理论认为的“吸引力”,不是真正的力,又怎会和其他三种统一?

第三,即使统一了四种力,也许还会出现第五第六种力,这样不会是真正的统一。新的作用力并不是空穴来风,根据广义相对论,自然界应该还存在一种安培型的力。比如说引力和电磁力都是长程力,强力和弱力都是短程力,那宇宙中存不存在中程力?四大基本力都是依赖物质质量和具有引力作用的正压力,那宇宙中存不存在脱离物质质量独立存在斥力作用的负压力?通俗地讲,所谓的斥力作用就是克服重力的反引力作用,人们把这种作用力的载体称为“暗能量”,它是宇宙克服引力加速膨胀的动力。

第四,宇宙不是简单机械的堆积,在牛顿时代,原子论和机械论大行其道,当时人们认为大自然类似一台机器,宇宙中的任何现象都可以用原子的不同排列来解释。但这些理论并不适用活着的有机物及其关系。同样统一四种基本力的大统一理论也不会解决宇宙中的所有现象,比如生命和意识不是简单的物理和化学变化就能解释的。还有基本粒子的种类和组合为何如此之多?谁在决定它们组合的不同?基本作用力为何要有四种形式?宇宙为何具有不确定性原理?等等。宇宙中的未知之谜无穷无尽,远不是统一四种力这样简单。

综上

由上面分析可知,即使有人统一了四种基本力,他的地位顶多和爱因斯坦、牛顿相同,不会超越他们,因为统一四种基本力并不是开创性成果,远远比不上爱因斯坦对相对论的原创。

想要超越牛顿和爱因斯坦,那么就需要有和爱因斯坦与牛顿一样的原创性理论提出。

爱因斯坦和牛顿,都是凭借一己之力,提出来了整个物理学最为基本的理论。以前的牛顿经典力学,就几乎代表了整个物理学。而爱因斯坦,则提出来相对论和量子理论,基本上可以说物理学中的两大支柱,有几乎近1.5都是爱因斯坦建立的。特别是相对论,完全是爱因斯坦一个人独立提出来并完善的,这点尤其难能可贵。

四大基本力的统一,仅仅是在原有物理学框架内进行研究,并不算是那种颠覆式的研究结果。

四大基本力的统一问题,很多科学家都为之奋斗过。爱因斯坦后半生都致力于解决这个问题,可惜聪明如爱因斯坦也没有实现。后来的科学家经过不懈努力,已经可以把电磁力、强力、弱力,三种基本力统一了起来,就差引力了。

引力也是量子力学和相对论不兼容的地方。相对论认为引力是空间扭曲的几何效应,而量子力学则认为引力是引力子传递到一种力。由于相对论和量子力学关于引力的不兼容,科学家想要统一四大基本力十分困难。假如谁真的解决了这个问题,虽说不至于像爱因斯坦一样,但仅次于爱因斯坦还是实至名归的。

所以,想要超过爱因斯坦和牛顿,那么你得做出完全颠覆物理学的研究,才够格。

不能。爱因斯坦是物理学上最伟大的人物了,而且爱因斯坦离宇宙“终极”奥秘也就差一步之遥了,这一层窗户纸一捅就破了:

四个力都将被中微子与中微子间的聚团力(Φ)统一。

这就是中微子的精细结构:正负电荷绕两个引力子形成自耦合纠缠态。(潘建伟团队供图)

中微子在宇宙空洞(-273.15C°)中就会凝聚为中微子玻色-爱因斯坦冷凝态(中微子冰),这些“冰”经过一个聚集过程当总质量超过霍金质量后就 形成黑洞。黑洞就是老子说的先于天地而生的混成之物,叫玄牝。

自从相对论、哥派量子论之后,理论物理就不靠谱了。要想统一,必先逃汰这两个错误理论才有可能!

宇宙的任何空间之内,都相对均匀存在不同速度的微观粒子,任何方向都有运动的微观粒子,微观粒子是微质、微电、微体,具有电磁力、粒子性和波动性,它们就像海水一样连在一起,具有一定粘力形成绳索,绳索拉力与质量、体积、面积成正相关,与距离成反相关,综合以上情况形成万有引力定律、公式,也就是万有引力是由电磁力、强相互作用力和弱相互作用力三种力形成。总之,最近距离所存在的两个最大星体,绳索最中间的粘力最小,这个最小粘力就等于我们通常所说的“两个星体之间的万有引力”,即万有引力是两个星体之间微观粒子绳索的最小粘力。

不管是什么样的力都有一个基本的规律,那就是任何力的综合大小与力的本身作用范围成反比,并且任何力的综合大小完全一致。例如,强力是作用距离最短的一种力,所以它也是最强的一种力;而引力是作用距离最长的一种力,所以它也是最弱的一种力。

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