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爱因斯坦认为量子理论并不完善， 试图建立独自的统一场理论  1915 ～ 1916 年，爱因斯坦提出了广义相对论。他的下一个目标是把电磁力与引力统一起来。可以说，物理学就是一个“统一”的历史。艾萨克·牛顿把导致苹果落下的力与让月球公转的力统一为万有引力，詹姆斯·麦克斯韦则将电力与磁力统一为电磁力。 为什么爱因斯坦将目标瞄准了电磁力和引力呢？这是因为当时只有引力和电磁力这两个基本力得到了明确证实，其他力还不为人知。一提到力，大家就会想到摩擦力、让飞机飞上天空的升力、拉紧绳子的张力等各种各样的力。不过，归根结底，这些看似完全不同的力在本质上都是电磁力。 让我们想象一下用球棒击球时的情景。如果把球棒和球放大的话，我们就会发现它们都是由原子聚集而成的（下图）。如前文所示，原子中是空荡荡的，用球棒击球时，球棒好像会从球中间横穿而过。不过，实际情况并非如此。当组成球棒的原子与组成球的原子靠近时，围绕原子核高速旋转的电子之间会产生电荷斥力（电磁力）。结果，球棒就不会从球中间横穿而过，而是击中球后弹回。 ▲ 电磁力是我们日常生活中感受到的所有力的根源 用球棒击球时，球棒分子中的电子与球分子中的电子因电磁力而相互排斥。结果，球棒不会从球中横穿而过，而是在击球后弹回。另外，原子相互紧密结合在一起的力也是电磁力。 也就是说，正是在原子之间所产生的电磁力的帮助下，球棒才得以击中球。与此相同，从微观角度来看，电磁力也是摩擦力和张力的根源。可以肯定地说，我们在日常生活中感受到的力，除了引力之外，归根结底都是电磁力。 借助于多维度来实现力的统一 引力与电磁力有一个相似之处，两者都会随着距离的平方反比而变小（当距离增大为2 倍时，力减小到1/4）。于是，爱因斯坦雄心勃勃地试图建立一个新的理论把这两种力统一起来，这就是统一场论。 爱因斯坦是如何建立统一场论的呢？他受到德国数学家及物理学家西奥多·卡鲁扎（1885 ～ 1954）和瑞典理论物理学家奥斯卡·克莱因（1894 ～ 1977）观点的启发。卡鲁扎与克莱因两人认为“广义相对论在4维以上的时空里也成立”，并创建了卡鲁扎- 克莱因理论。 ▲ 爱因斯坦试图实现的力的统一 图为爱因斯坦的研究目标——“力的统一”的模拟图。艾萨克·牛顿把天体之间的作用力与地面上的物体向下掉落的力统一为万有引力，詹姆斯·麦克斯韦把电力与磁力统一为电磁力，爱因斯坦试图把万有引力与电磁力统一起来。 一般认为，我们生活在由3 维空间和1 维时间组成的4 维时空中。但是，卡鲁扎和克莱因对这一常识持怀疑态度，希望弄清楚如果广义相对论延伸至增加了一个维度的5 维时空会出现什么结果。结果令人无比震惊：通过增加维度而在方程中出现了一个新的项，这就是电磁力。也就是说，如果增加第5 维的话，不仅引力，连电磁力都可用同一个理论概括起来。那么，第5 维存在于哪里呢？卡鲁扎和克莱因认为，第5 维极其微小，谁都没有发觉它的存在。 “由于极其微小而没被发觉”，这到底是什么意思呢？让我们想象一下右上图中的情形。细棍上有一只蚂蚁，它看上去好像只是在细棍上向前或向后爬动。不过，如果稍微靠近一些观察的话，就会发现蚂蚁不仅能前后（1 维）爬行，还能沿着细棍四周（把细棍横切成圆片时，切口的圆周）爬行。也就是说，对蚂蚁来说，细棍表面不是1 维的，而是2 维世界。 ▲ 隐藏起来的维度 图片描绘了物理学家预言的“隐藏起来的维度”这一观点。从远处看，细棍是1 维的线，放大后则能看到另一个维度。 与此相同，根据卡鲁扎- 克莱因理论，我们生活的空间里隐藏着极其微小的维度。爱因斯坦以这一理论为基础，开始向建立更加精确的电磁力和引力统一理论发起了冲锋。可惜的是，他所建立的理论与之后的实验结果不一致而以失败告终。但是，爱因斯坦并没有灰心，而是在“增加维度”这一方法之外做了各种尝试，试图完成统一场理论。遗憾的是，虽然爱因斯坦在后半生一直致力于寻找统一场理论的研究，但是直到1955 年4 月18 日去世也没有完成宏愿。据说，在去世的前一天他还在从事研究。 量子理论与广义相对论的融合之梦 在致力于建立统一场理论的研究过程中，爱因斯坦的脑海里出现了一个新的愿望：从统一场理论中推导出量子理论。量子理论是研究微观世界的基本规律的理论，由德国物理学家马克斯·普朗克（1858 ～ 1947）等为首的科学家从19 世纪末以来发展而成。不过，爱因斯坦认为量子论并不完善。 根据量子论，无论怎样努力，微观世界里都存在无法消除的本质上的不确定性。可以说，在微观世界里，测量长度的尺子刻度和测量时间的时钟刻度好像在不停地摇晃。结果，时间和空间的概念本身在极其微小的世界里变得非常不明确，这是广义相对论所不能解释的。爱因斯坦无论如何都不能完全接受量子理论的观点，对于只能用概率解释微观世界的量子理论持批判态度，并留下了“上帝不会掷骰子”这句名言。 统一引力之路最为艰辛 在爱因斯坦去世10 年后，他没有完成的“力的统一”之梦开始逐步实现。在爱因斯坦的晚年时期，科学家发现除了已知的引力和电磁力，还存在强力（把夸克束缚在一起的力）和弱力（放射性物质原子核中的中子衰变为质子时的力）。也就是说，我们生活的宇宙里存在引力、电磁力、强力和弱力，共计4 种基本力。遗憾的是，爱因斯坦拘泥于引力和电磁力的统一，对这两种新发现的力没有表示出太多的兴趣。 1967 年，美国物理学家谢尔登·格拉肖（1932 ～）、史蒂文·温伯格（1933 ～）和巴基斯坦物理学家阿布杜斯·萨拉姆（1926 ～ 1996）等人提出了电弱统一理论，把电磁力与弱力统一了起来。20 世纪70 年代初期，科学家进一步提出了把强力、弱力、电磁力这三种作用统一起来的大统一理论。虽然大统一理论尚不完善，但是让人们看到了前进的方向。在4 种基本力中，直到今天引力也没有被统一起来。现在，众多科学家正在坚持不懈地努力，力图建立把包括引力在内的4 种力统一起来的“终极理论”。其中，超弦理论被视为最有可能实现这一终极理论。
图片显示了现代物理学家为之奋斗的“力的统一”之路。电弱统一理论虽然把电磁力与弱力统一起来了，但是，力的统一之路并没有最终完成。超弦理论被认为是最有可能统一包括引力在内的所有力的理论。 宇宙是由“弦”构成的？ 长期以来，粒子物理学一直把基本粒子当作没有大小的“点”而构建理论的。超弦理论则认为所有的基本粒子都是“弦”，只不过由于弦的振动方式不同而形成了各种不同的基本粒子。 与大统一理论不同，超弦理论在创建之初就引进了引力，因此也被认为最接近于统一4 种基本力的终极理论。 超弦理论有一个非常有趣的预言：这些弦存在于9维空间（10 维时空）或10 维空间（11 维时空），只不过其中的6 维或7 维空间卷曲成非常小的圆而不能被看到，我们只能看到3 维空间。此外，还有一种假说认为，我们生活的宇宙就像漂浮在多维空间的膜，我们无法脱离膜。这种假说是从超弦理论派生出来的，称为“膜宇宙”。 ▲ 超弦理论与膜 超弦理论认为，构成物质和力的最基本的单位并非没有大小的“点”，而是“弦”。根据从超弦理论派生出来的某一理论模型，我们生活的世界就像飘浮在多维空间的膜。构成物质的基本粒子粘在膜上无法脱离，因此不能向多维方向运动。只有引力子（传递引力的基本粒子）能够脱离膜运动，也就是说，只有引力才能在多维空间里传播。 我们不禁会问：真的存在多维世界吗？如今，科学家正在借助于大型强子对撞机等加速器来验证多维空间是否存在。此外，超弦理论还结合了广义相对论和量子理论。一旦超弦理论得以完善，科学家或许可以弄清楚现代科学无法解释的黑洞中心的状态以及宇宙诞生的瞬间等微观时空里发生的现象。如今，爱因斯坦花费大量心血从事的“力的统一”研究正以另外一种面貌在现代物理学中生机勃勃地不断发展。 可以说，在进入21 世纪的今天，20 世纪最伟大的物理学家爱因斯坦留下的丰功伟绩依然对整个物理学的研究有着巨大的影响。 |
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▲ 现代物理学家为之奋斗的“力的统一”
