百年物理

人老顛東 2021-07-15

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1921年，在愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）的協(xié)助下，卡魯扎（Theodor Kaluza）的論文終于發(fā)表。這是一篇關(guān)于物理學(xué)統(tǒng)一的論文。

卡魯扎的想法非常吸引人。當(dāng)時(shí)，已知有四維時(shí)空，即三維空間和一維時(shí)間，他設(shè)想如果宇宙中還存在第五個(gè)維度，那么他就可以將愛(ài)因斯坦新提出的引力理論——廣義相對(duì)論和麥克斯韋（James Clerk Maxwell）的電磁理論統(tǒng)一起來(lái)。換句話說(shuō)，他嘗試將兩種基本力——引力和電磁力統(tǒng)一在一起！

統(tǒng)一，是物理學(xué)的主要目標(biāo)。在過(guò)去的幾個(gè)世紀(jì)里，物理學(xué)家一直在努力將各種不同的自然現(xiàn)象統(tǒng)一到單一的理論框架中。每當(dāng)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)兩種看似完全不同的事物，其實(shí)只是同一事物的兩面時(shí)，都會(huì)帶來(lái)巨大的科學(xué)飛躍。這樣驚動(dòng)人心的時(shí)刻，在卡魯扎的嘗試之前已經(jīng)發(fā)生過(guò)幾次。

物理學(xué)的第一次偉大的統(tǒng)一要回到1687年，牛頓（Isaac Newton）在經(jīng)歷多年的思考之后，終于出版了巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。他在書中提出了運(yùn)動(dòng)定律、萬(wàn)有引力定律，以及從這些定律推導(dǎo)出的各種各樣的結(jié)果。牛頓深刻地意識(shí)到，使蘋果或其他物體落到地面的物理定律和支配行星繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的定律是一樣的，從而實(shí)現(xiàn)了天與地的統(tǒng)一。

到了19世紀(jì)，物理學(xué)界其實(shí)發(fā)生了兩次驚人的統(tǒng)一。

第一次鮮為人知，它發(fā)生在1830年代。當(dāng)時(shí)，哈密頓（William Rowan Hamilton）通過(guò)在費(fèi)馬原理和莫佩爾蒂原理之間建立數(shù)學(xué)等價(jià)，統(tǒng)一了光學(xué)和力學(xué)。在那個(gè)時(shí)代，這看起來(lái)并沒(méi)有什么。但50年后，哈密頓的思想為統(tǒng)計(jì)力學(xué)奠定了基礎(chǔ)；近100年后，它成了量子力學(xué)的核心。

第二次偉大的統(tǒng)一眾所周知，它來(lái)自麥克斯韋。1860年代，麥克斯韋統(tǒng)一了物理學(xué)的三個(gè)領(lǐng)域——電、磁和光。此外，他還在統(tǒng)計(jì)力學(xué)的發(fā)展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為未來(lái)量子力學(xué)的發(fā)展鋪平了道路。麥克斯韋對(duì)物理學(xué)所作出的貢獻(xiàn)通常被認(rèn)為僅次于牛頓和愛(ài)因斯坦[1]。

19世紀(jì)末，是經(jīng)典物理學(xué)的黃金年代。一些物理學(xué)家甚至認(rèn)為當(dāng)時(shí)已知的所有物理現(xiàn)象，都可以被現(xiàn)有理論解釋。

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然而，這種自滿并沒(méi)有維持多久，物理學(xué)就迎來(lái)了天翻地覆的革命。

牛頓力學(xué)對(duì)自然進(jìn)行了極好的描述，但它并不是普遍有效的，尤其是當(dāng)我們談?wù)摌O快和極小的世界時(shí)?？梢哉f(shuō)，牛頓力學(xué)很好地概括了我們對(duì)世界的通常認(rèn)知，但跨入20世紀(jì)的物理學(xué)，卻在不斷地打破常識(shí)。例如，當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)得非?？?，甚至接近光的速度時(shí)，牛頓力學(xué)就不再適用，取而代之的理論是愛(ài)因斯坦在1905年提出的狹義相對(duì)論。

到了1907年，愛(ài)因斯坦的老師閔可夫斯基（Hermann Minkowski）重寫了狹義相對(duì)論。他在傳統(tǒng)的三維歐幾里得空間中，加上了第4個(gè)維度——時(shí)間。也就是說(shuō)，他將過(guò)去獨(dú)立的空間和時(shí)間統(tǒng)一成“時(shí)空”。這又是一次美妙的統(tǒng)一！

狹義相對(duì)論適用于沒(méi)有引力時(shí)的所有物理現(xiàn)象。1907年開(kāi)始，愛(ài)因斯坦開(kāi)始重新思考引力。他首先提出了等效原理，該原理指出加速度和引力是等價(jià)的。愛(ài)因斯坦認(rèn)為這是他“最幸福的想法”。幾年后，他意識(shí)到等效原理意味著引力和幾何之間存在著一種特殊的聯(lián)系。1915年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論，這個(gè)全新的理論告訴我們引力是時(shí)空彎曲產(chǎn)生的結(jié)果。兩年后，愛(ài)因斯坦將廣義相對(duì)論應(yīng)用于宇宙學(xué)研究上，開(kāi)啟了宇宙學(xué)的新篇章。

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在愛(ài)因斯坦發(fā)展相對(duì)論的同時(shí)，物理學(xué)也在醞釀著另一場(chǎng)或許更加深刻的革命：

1900年，普朗克（Max Planck）推導(dǎo)出黑體輻射公式；

1905年，愛(ài)因斯坦用光子的概念解釋了光電效應(yīng)；

1913年，玻爾（Niels Bohr）提出了全新的原子模型；

1925年，海森堡（Werner Heisenberg）等人創(chuàng)建了矩陣力學(xué)，也就是量子力學(xué)的第一個(gè)版本；

1926年，薛定諤（Erwin Schr?dinger）提出波動(dòng)力學(xué)，這是量子力學(xué)的第二個(gè)版本。之后，狄拉克（Paul Dirac）展示了矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)其實(shí)是等價(jià)的；

1927年，海森堡提出不確定性原理；

1928年，狄拉克將量子力學(xué)和狹義相對(duì)論相結(jié)合來(lái)描述電子，他也奠定了量子場(chǎng)論的基礎(chǔ)。

1925年至1928年，一系列的發(fā)現(xiàn)建立了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。

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回到開(kāi)頭的故事，卡魯扎成功了嗎？雖然卡魯扎的五維理論很誘人，但一個(gè)顯而易見(jiàn)的問(wèn)題是這第五個(gè)維度究竟在哪？1926年，克萊因（Oskar Klein）給出了答案，這個(gè)維度卷曲成了非常小的圈，以至于我們根本看不到。他計(jì)算出，這個(gè)圈的直徑只有10?3?厘米，這是比最小的原子還要小20個(gè)數(shù)量級(jí)以上的尺度。盡管克魯扎和克萊因的理論最終沒(méi)有成功，但他們的思想?yún)s一直流傳到今天。

到了上個(gè)世紀(jì)六十年代，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了除引力和電磁力外的另外兩種基本力——強(qiáng)力和弱力。很快，物理學(xué)家格拉肖（Sheldon Glashow）、薩拉姆（Abdus Salam）和溫伯格（Steven Weinberg）就成功地展示了電磁力和弱力其實(shí)只是電弱力的兩面。

之后，物理學(xué)家試圖在更高的能量下，將電磁力、弱力和強(qiáng)力統(tǒng)一。這樣的理論被稱為大統(tǒng)一理論，只是大統(tǒng)一理論的預(yù)言至今沒(méi)有被驗(yàn)證。當(dāng)然，物理學(xué)家的最終目標(biāo)是統(tǒng)一所有四種基本力，換句話說(shuō)，他們想要找到一個(gè)統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子場(chǎng)論的“萬(wàn)有理論”。

除了這一終極目標(biāo)外，今天物理學(xué)的上空充滿了烏云，有許多的大問(wèn)題都等待著被解決。

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在過(guò)去的100年中，相對(duì)論和量子力學(xué)的建立為物理學(xué)帶來(lái)了全新的活力。

從理論成就上來(lái)說(shuō)，物理學(xué)家發(fā)展了描述光和物質(zhì)如何相互作用的量子電動(dòng)力學(xué)（QED），提出了解釋常規(guī)超導(dǎo)體的BCS理論，發(fā)展了描述夸克和膠子間的強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）……

在實(shí)驗(yàn)方面，物理學(xué)家在加速器中產(chǎn)生出了大量的新粒子并將它們歸類，發(fā)現(xiàn)了整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，創(chuàng)造出了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，捕捉到了廣義相對(duì)論預(yù)言的引力波……

從觀測(cè)角度上看，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了宇宙正在膨脹，彌漫在宇宙中的微波背景輻射，恒星在死亡時(shí)演變成的白矮星、中子星和黑洞，來(lái)自太陽(yáng)的中微子，太陽(yáng)系之外的系外行星……

在技術(shù)上，物理學(xué)家發(fā)明了晶體管、激光器、發(fā)光二極管、電荷耦合器件、原子鐘電子顯微鏡......

那么在接下來(lái)的100年，物理學(xué)又會(huì)帶來(lái)哪些驚喜呢？我們或許可以預(yù)期核聚變迎來(lái)重大進(jìn)展，有更多的探測(cè)器前往太陽(yáng)系的各大行星（尤其是火星），量子計(jì)算機(jī)開(kāi)始被用來(lái)解決一些最棘手的問(wèn)題，以及更多與醫(yī)學(xué)相關(guān)的重大進(jìn)展等等。當(dāng)然，更重要的是，我們希望能夠?qū)崿F(xiàn)更多的統(tǒng)一[2]！

附錄

創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)

策劃：大大

文字：二宗主

設(shè)計(jì)：岳岳

排版：Takeko

參考來(lái)源

1. https:///a/physics-past-present-future/

2. https://physicstoday./doi/10.1063/PT.3.3137

3. https://www./worldscibooks/10.1142/11075#t=toc

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來(lái)自：人老顛東 > 《科普》

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