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愛因斯坦晚年毫無成就!為什麼研究大統一理論完全失敗?看完即懂
2023/08/15

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愛因斯坦晚年最大的研究居然以失敗告終?愛因斯坦晚年研究的「大統一理論」,為什麼以失敗告終?

我們都知道,愛因斯坦是20世紀最偉大的物理學家之一,他提出了相對論、光電效應、質能方程等革命性的理論,為物理學的發展做出了巨大的貢獻。但是,你們可能不知道的是,愛因斯坦在晚年的時候,有一個沒有實現的夢想, 那就是建立一個能夠解釋宇宙中所有自然現象的「大統一理論」。

什麼是大統一理論呢?

簡單來說,就是一種能夠將四種基本作用力——強力、弱力、電磁力和引力——統一在一個物理框架下的理論。 這樣的理論如果存在的話,就可以用一套公式來描述所有物質的構成和變化,從微觀的原子到巨觀的星系,從簡單的化學反應到復雜的生命過程,都可以用同一種語言來表達。

這就是物理學家追求的終極目標,也是愛因斯坦晚年花費了三十多年時間努力尋找的答案。

那麼,愛因斯坦為什麼沒有成功呢?他在哪里遇到了困難呢?要回答這個問題,我們就要先了解一下物理學的發展歷史。

在愛因斯坦之前,物理學主要分為兩個領域: 經典力學和電磁學。經典力學是由 牛頓創立的,它可以用牛頓三定律和萬有引力定律來 描述物體和天體之間的運動。電磁學是由 麥克斯韋創立的,它可以用麥克斯韋方程組來描述 電場和磁場之間的相互作用。

這兩個領域看起來毫不相關,但是在19世紀末20世紀初,物理學家們發現了一些新的現象,比如 光電效應、黑體輻射、原子結構等,這些現象無法用經典力學和電磁學來解釋。

于是,量子力學和相對論應運而生。

量子力學是 由普朗克、玻爾、海森堡、薛定諤等人創立的,它可以用波函數和機率來描述微觀粒子的行為。相對論是由愛因斯坦創立的,它可以用 時空曲率和質能關系來描述高速運動和強引力下的現象。這兩個理論徹底改變了我們對自然界的認識,也給物理學帶來了新的挑戰。

首先,在量子力學中,我們發現了三種新的基本作用力:強力、弱力和電磁力。 強力是由夸克之間交換膠子產生的,它可以使原子核中的 質子和中子結合在一起。弱力是由 費米子之間交換W和Z玻色子產生的

,它可以使原子核中的質子和中子轉變為 電子和中微子。電磁力是 由帶電粒子之間交換光子產生的,它可以使原子中的電子和核心相互吸引

這三種力都可以用量子場論來描述,也就是說, 它們都可以用一種叫做規范對稱性的數學原理來推導出來。而且,物理學家們還發現了一種方法,可以將弱力和電磁力統一在一個理論中,這就是電弱理論。電弱理論告訴我們,在高能量的情況下, 弱力和電磁力會表現為同一種力,叫做電弱相互作用。

然后,在相對論中,我們發現了

引力的新的本質:時空曲率。愛因斯坦告訴我們, 引力并不是一種像其他三種力那樣的場,而是一種由物質和能量引起的時空的彎曲:物質和能量告訴時空如何彎曲,而時空彎曲會告訴物質和能量如何運動。 這就是廣義相對論的核心思想,它可以用一個叫做愛因斯坦場方程的公式來表達。

這樣一來,我們就有了四種基本作用力:強力、弱力、電磁力和引力。其中前三種都可以用量子場論來描述,而后一種則需要用廣義相對論來描述。

這就產生了一個明顯的不協調:為什麼引力不能像其他三種力那樣被量子化呢?為什麼量子場論不能像廣義相對論那樣考慮時空的彎曲呢?

這就是物理學面臨的最大的難題之一: 量子引力問題!

愛因斯坦當然也意識到了這個問題,但是他沒有采取大多數物理學家們所采取的方法:試圖將引力量子化,或者將量子場論推廣到彎曲時空中。

他認為,這樣做只是在修補已有的理論,而不是尋找更深層次的原理。

他相信, 存在著一種更加優美、簡潔、自洽、普適的理論,可以將四種基本作用力統一在一個幾何學的框架下,就像他將牛頓引力和洛倫茲變換統一在廣義相對論中一樣。

他認為,這樣的理論應該滿足一些基本的要求,比如:

- 它應該是一個經典的場論,也就是說, 它不涉及量子效應或機率性;

- 它應該是一個純幾何學的理論,也就是說, 它不涉及任何物質或能量;

- 它應該是一個不變性的理論,也就是說, 它不依賴于任何特定的坐標系或觀測者

- 它應該是一個唯一性的理論,也就是說, 它不含有任何任意性或調節參數。

基于這些要求,愛因斯坦開始了他尋找大統一理論的旅程。

他嘗試了各種各樣的方法,比如:

- 將五維時空卷曲到四維時空上,并認為多出來的維度可以解釋電磁場;

- 將廣義相對論的度規張量推廣到更一般的形式,并認為這樣可以包含其他場的信息;

- 將廣義相對論的作用量加上一些額外的項,并認為這樣可以得到更豐富的物理結果。

然而, 這些方法都沒有取得令人滿意的效果

有些方法導致了數學上的困難,比如 方程無解或解不唯一;有些方法導致了物理上的矛盾,比如 預言了不存在的現象或違反了實驗觀測;有些方法導致了哲學上的不滿,比如 引入了過多的假設或參數。愛因斯坦不斷地修改、改進、放棄他的理論,但是始終沒有找到一個能夠讓他信服的理論。

他在1955年去世的時候,還在寫一篇關于統一場論的論文,

但是這篇論文也沒有給出一個完整的答案。

那麼,愛因斯坦為什麼沒有成功呢?他在哪里遇到了困難呢?

要回答這個問題,我們就要從多個方面來分析。

第一點,從歷史的角度來看,愛因斯坦是一個超前于時代的人。他在尋找大統一理論的時候, 物理學還沒有發展到足夠成熟的階段他沒有看到強相互作用和弱相互作用的完整理論,也沒有看到電弱統一理論和標準模型的建立。 他沒有看到暗物質和暗能量的發現,也沒有看到引力波和黑洞的探測。 他沒有看到超對稱和超引力的提出,也沒有看到弦論和M理論的發展。

如果他能夠活得更久一些,或者能夠接受更多新的思想和實驗結果,也許他就能找到一個更好的方向。

其次,從數學的角度來看,

愛因斯坦是一個堅持經典幾何學的人。他在尋找大統一理論的時候, 拒絕了量子力學和機率性的思想,也拒絕了非歐幾何學和拓撲學的思想。他認為, 自然界應該是確定性和連續性的,而不是隨機性和離散性的。他認為,時空應該是平滑和可微分的, 而不是奇異和非可微分的。他認為,物理定律應該是局域性和線性性的, 而不是非局域性和非線性性的。這些觀點 限制了他對自然界更深層次結構的探索,也使他錯過了一些重要的數學工具。

最后,從哲學的角度來看, 愛因斯坦是一個追求唯一性和簡潔性的人。他在尋找大統一理論的時候,期望能夠找到一個不含有任何任意性或調節參數的理論。他期望能夠用一個簡單而優美的公式來描述所有自然現象。他期望能夠用一個純幾何學而不涉及任何物質或能量的理論來解釋所有基本作用力。

這些期望雖然很美好,但是也可能很不現實。我們并不知道自然界是否真的存在著這樣一個理論,或者說我們 是否有能力發現這樣一個理論也許自然界本身就是復雜和多樣的,也許我們需要用多種理論來描述不同的現象,也許我們需要用物質和能量來解釋基本作用力。

總而言之,愛因斯坦沒有成功建立大統一理論的原因是多方面的, 既有歷史的局限性,也有數學的困難,還有哲學的偏見。

但是,這并不意味著他的努力是徒勞的。他為物理學提供了一個遠大的目標,也為后人留下了一些有價值的思想 。他的大統一理論之夢雖然沒有實現,但是卻激發了無數物理學家們繼續探索自然界的奧秘。

今天,我們仍然在尋找大統一理論的線索,也許有一天,我們就能找到那個能夠解釋一切的理論。

那麼,你們對大統一理論有什麼看法呢?

你們認為它是否存在呢?

你們認為它應該是什麼樣子呢?

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