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一事無成的愛因斯坦晚年:大統一理論到底是啥?困擾全人類數百年
2023/08/17

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要說誰是 20世紀物理學界的 「天降紫微星」,恐怕沒有人會反對將這個殊榮頒給 阿爾伯特·愛因斯坦

天才=愛因斯坦

1905年,愛因斯塔發表了關于 光電效應、布朗運動、狹義相對論以及質量和能量關系的四篇論文,在 四個不同的物理學領域中創造了歷史性的成就,他的論文讓1905年成為了 「愛因斯坦奇跡年」

1915年,愛因斯坦發表了 廣義相對論,接著又在 量子力學領域取得非凡的成就,他在相對論與量子力學上的理論,

直接成為了現代物理學的兩大支柱,從「愛因斯坦」這個詞成為了「天才」的同義詞。

愛因斯坦在普林斯頓時期嘗試找出一種新的理論, 用來駁斥哥本哈根詮釋,不過這一次奇跡沒有延續,愛因斯坦在新理論上栽了跟頭, 愛因斯坦與當時主流的物理學研究方向漸漸脫節了

愛因斯坦逝世之前,他都沒有在新理論的研究上找到突破口,在新理論上碰壁的物理學家也不只愛因斯坦一人, 從20世紀20年代,愛因斯坦展開研究開始,一直到今天,近百年的時間中,所有物理學家都失敗了

如同鬼魅一般的新理論

愛因斯坦一直認為,在自然科學中存在一個「統一」的理論, 人們可以用一個簡潔美妙的公式,作為宇宙中的一個最基本的法則

當愛因斯坦提出相對論之后,他就一直致力于尋找大統一理論來解釋物質之間 所有的相互作用。

現在我們知道, 世界上存在四種基本作用力——引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力,但是在當時,愛因斯坦還不知道強、弱相互作用力,他只是想把引力和電磁力統一起來,不過,就算只有兩種力,他也失敗了。

大統一理論是 萬物理論的「第一級台階」,如果能將四種力統一起來,那麼物理學家們就能以此為基礎, 構建一個具有總結性、一致性的物理理論框架,從而解釋宇宙中所有的物理奧秘

萬物理論的困境

現在,萬物理論已經有了兩種理論框架,它們的名字你肯定聽說過,就是 廣義相對論與量子場論,也就是說,現代物理學發展了那麼幾十年,現在就差臨門一腳,只要把二者結合起來就能構建起一個完美的、統一的框架了。

然而,問題就出現在這最后一步,物理學家們發現, 廣義相對論與量子場論不相容

怎麼描述這種不相容呢?首先我們需要知道, 兩種理論分別在各自的領域內做出的預測,幾乎都能被實驗復現和證明,也就是說,這兩種理論分開來看,都是正確的。

然而, 當一些客觀的特殊情況出現時,用兩種理論得到的結果竟然無法同時正確它們需要分開使用,而不能一起解釋同一個現象,比如兩者在 重整化方法上的矛盾。

還有一個重要的分歧在于統一四個基本作用力,在這些力中, 唯獨引力無法量子化,量子力學成功解釋了電磁力、強力與弱力的量子行為,卻很難將引力納入自己的范疇,這讓兩種理論的結合造成了困難。

不能解決的困難

這種困難還非常難以解決, 因為量子引力所需要的能量以及尺度,是目前世界上任何一個實驗室都無法滿足的,就算使用最先進的粒子對撞機,人類也缺乏足夠大的空間以及足夠猛的能量。

愛因斯坦在尋找新理論時認為,這樣的理論應該滿足:

不涉及量子效應或機率性;不涉及任何物質或能量;它不依賴于任何特定的坐標系或觀測者;不含有任何任意性或調節參數。

然而在愛因斯坦那個年代,強力與弱力的基本概念都尚未形成, 他的努力已經超過時代水平太多,無論他怎麼努力,他都不可能敲開大統一理論的大門。

但是,大統一理論的研究是有必要的,無數的物理學家在為之努力,在所有理論假設中, 超弦理論是最有希望將四種作用力統一起來的理論了。

超弦理論

簡單來說,超弦理論的認為在低維世界中表現成四種不同的作用力, 在高維世界中則是一種物質的統一,所有基本粒子 都是弦的不同振動激發態

雖然超弦理論是目前最接近大統一理論的猜想,不過要想驗證這個猜想,還是得使用超大的粒子對撞機。

大統一理論究竟是怎麼樣的,還是只能期待未來的物理學家怎麼解答了。

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