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尋找統(tǒng)一四種基本作用力的宇宙真理,愛因斯坦付出了整個后半生

 宇宙時空探索 2022-03-24

愛因斯坦,無疑是上世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家,他在20世紀(jì)初相繼提出了著名的狹義和廣義相對論。

狹義相對論是在兩大前提下提出來的:相對性原理和光速不變原理。按照狹義相對論詮釋,時間和空間不再獨(dú)立存在,而是有機(jī)的整體,兩者是相輔相成的,簡稱“時空”。

狹義相對論強(qiáng)調(diào)的四維時空是以“閔可夫斯基四維時空”為框架。四維時不再是絕對一成不變的,而是動態(tài)的。比如說,對于宇宙中發(fā)生的一件事來講,兩個處于不同參照系下觀察這件事發(fā)生的時間可能是不一樣的,這就是“同時的相對性”。

不過,狹義相對論是建立在慣性系基礎(chǔ)上的,慣性系通俗來講就是“靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)”。但現(xiàn)實(shí)世界是不存在這種參照系的,因?yàn)橐€有其他作用力無處不在。

于是在狹義相對論的基礎(chǔ)上,愛因斯坦把引力加進(jìn)來,提出“引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量等效”,把慣性系擴(kuò)展到所有參照系,創(chuàng)建了更加普適的廣義相對論。

廣義相對論認(rèn)為,引力的本質(zhì)其實(shí)就是彎曲,任何有質(zhì)量的物體都可以造成時空的彎曲。數(shù)學(xué)表達(dá)形式與狹義相對論不一樣,表現(xiàn)形式為黎曼幾何。

除了引力,自然界中還存在其他基本作用力,比如說最常見的電磁力,還有微觀世界的強(qiáng)力和弱力。

偉大的麥克斯韋用他近乎完美的麥克斯韋方程組詮釋了電和磁其實(shí)是同一回事,統(tǒng)一了電和磁,提出了電磁力。之后,愛因斯坦開始走向了統(tǒng)一引力和電磁力的漫長之旅。

著名數(shù)學(xué)家希爾伯特曾經(jīng)寫信給愛因斯坦,告訴他:從數(shù)學(xué)表達(dá)來看,引力和電磁力應(yīng)該是一種力。

愛因斯坦要尋找的五維時空

愛因斯坦也下定決心,一定要通過某種方式統(tǒng)一引力和電磁力,他堅(jiān)信兩種基本力之間可以通過某種橋梁連接起來。他試圖將黎曼幾乎中的四維時空與電磁場聯(lián)系在一起,創(chuàng)建五維時空,但直到去世的那一天,都沒能完成。

期間科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了其他兩種基本作用力:強(qiáng)力和弱力。幸運(yùn)的是,科學(xué)家很快統(tǒng)一了除引力之外的其他三種基本作用力。

在這個過程中誕生了量子場論,科學(xué)家創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)粒子模型,認(rèn)為基本作用力的傳遞都是通過“玻色子”來完成的,比如說弱力的傳播子是中間玻色子,電磁力的傳播子是光子,而強(qiáng)力的傳播子是膠子,三者都是玻色子。

至此,電磁力,弱力和強(qiáng)力完成了統(tǒng)一,科學(xué)家找到了三種基本作用力的工作機(jī)制。

遺憾的是,另一種基本作用力,引力仍舊沒有被納入標(biāo)準(zhǔn)模型中來,就是因?yàn)榭茖W(xué)家始終沒有發(fā)現(xiàn)引力的傳播子:引力子。目前提出的引力子概念是科學(xué)家假設(shè)出來的。

假設(shè)沒有問題,科學(xué)發(fā)展的過程本來就是先假設(shè)一個概念,一個理論,然后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

但幾十年過去了,直到今天仍舊沒能在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)引力子的存在。不得不說,這是一大遺憾,不僅僅是愛因斯坦的遺憾,他窮其半生都沒有能完成,更是整個物理學(xué)界的遺憾。

不過遺憾歸遺憾,科學(xué)家并沒有放棄尋找引力子?;蛟S根本就不存在所謂的引力子,但在尋找引力子的過程中,科學(xué)家并不會一無所獲,如果他們發(fā)現(xiàn)沒有引力子,意味著會有其他更大的發(fā)現(xiàn)。

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