內(nèi)容簡(jiǎn)介：愛(ài)因斯坦逝世后，物理學(xué)家在這條統(tǒng)一道路上又走過(guò)了六十年。六十年里理論物理學(xué)家們都做了些什么？現(xiàn)在統(tǒng)一之路又在何方？未來(lái)又將如何？本書(shū)作者從牛頓力學(xué)、量子力學(xué)的簡(jiǎn)介開(kāi)始，接著介紹數(shù)學(xué)中的群論、對(duì)稱性守恒定律，進(jìn)而介紹標(biāo)準(zhǔn)模型、規(guī)范場(chǎng)論、量子場(chǎng)論、費(fèi)曼路徑積分、費(fèi)曼圖等，讓讀者對(duì)理論物理學(xué)中的“統(tǒng)一”框架，尤其是主流物理學(xué)界公認(rèn)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”有一個(gè)基本的了解。 最后還討論了統(tǒng)一理論與大爆炸宇宙學(xué)、暗物質(zhì)、暗能量的關(guān)系，以及標(biāo)準(zhǔn)模型的困難與局限性，并簡(jiǎn)單介紹了包括弦理論、M理論、弦網(wǎng)等概念，讓讀者既能領(lǐng)略理論之美和科學(xué)家的追求，又能體會(huì)到科研的艱辛，激發(fā)年輕人探索自然規(guī)律、踏入科學(xué)大門(mén)的渴望和好奇心。
推薦理由：愛(ài)因斯坦晚年三十年為何看似一事無(wú)成？他晚年追求的“統(tǒng)一理論”究竟是什么？科學(xué)專家們?cè)谖锢韺W(xué)統(tǒng)一大業(yè)中做出了哪些努力？未來(lái)人類是否會(huì)創(chuàng)造出通用的“萬(wàn)物理論”？
20世紀(jì)初的兩次物理學(xué)革命，為我們帶來(lái)了相對(duì)論和量子論。今天，物理學(xué)需要新一輪的革命，將兩者結(jié)合起來(lái)。這種微觀與宇宙的統(tǒng)一，能否為物理學(xué)與其他科學(xué)的統(tǒng)一開(kāi)辟一條新路？相信科學(xué)家們會(huì)繼續(xù)努力，讓我們期待在更高的層次上欣賞大自然的“樸素之美”！
引言：物理理論的簡(jiǎn)潔之美
統(tǒng)一，就是把事情簡(jiǎn)單化，從多到少，從少到一，這就叫統(tǒng)一。
在解釋光電效應(yīng)、提出兩大相對(duì)論之后，愛(ài)因斯坦開(kāi)始研究統(tǒng)一場(chǎng)論，他就像“躲在小樓里，渾然一體，不問(wèn)冬夏春秋”，這個(gè)“統(tǒng)一”持續(xù)了三十多年，直到他去世。愛(ài)因斯坦將自己的余生都奉獻(xiàn)給了這個(gè)物理學(xué)的“統(tǒng)一夢(mèng)”，但他為此孤軍奮戰(zhàn)了三十多年，卻沒(méi)有取得任何成果。
“統(tǒng)一場(chǎng)論”一詞雖然源于愛(ài)因斯坦，但其思想?yún)s源于麥克斯韋和法拉第的電磁場(chǎng)理論。其實(shí)，如果我們省略“場(chǎng)論”一詞，只談理論的統(tǒng)一，應(yīng)該追溯到牛頓時(shí)代。
愛(ài)因斯坦逝世后，物理學(xué)家在這條統(tǒng)一之路上又走過(guò)了六十年。六十年跌宕起伏，理論物理學(xué)家們都做了些什么？現(xiàn)在統(tǒng)一之路又在何方？未來(lái)又在何方？本書(shū)作者從牛頓力學(xué)、量子力學(xué)的簡(jiǎn)介開(kāi)始，接著介紹數(shù)學(xué)中的群論、對(duì)稱性守恒定律，進(jìn)而介紹標(biāo)準(zhǔn)模型、規(guī)范場(chǎng)論、量子場(chǎng)論、費(fèi)曼路徑積分、費(fèi)曼圖等，讓讀者對(duì)理論物理學(xué)中的“統(tǒng)一”框架，尤其是主流物理學(xué)界公認(rèn)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”有一個(gè)基本的了解。 最后還討論了統(tǒng)一理論與大爆炸宇宙學(xué)、暗物質(zhì)、暗能量的關(guān)系以及標(biāo)準(zhǔn)模型的困難與局限性，并簡(jiǎn)單介紹了弦理論、M理論、弦網(wǎng)等概念，讓讀者既能領(lǐng)略理論之美和科學(xué)家的追求，又能體會(huì)科研的艱辛，激勵(lì)年輕人保持探索自然規(guī)律、跨入科學(xué)大門(mén)的渴望與好奇心。
物理學(xué)走向統(tǒng)一的道路，其實(shí)就是追求一種樸素的美。
把復(fù)雜的事情簡(jiǎn)單化，是一種技巧，一種智慧。簡(jiǎn)單不簡(jiǎn)單，大智似愚，簡(jiǎn)單之道，在于用簡(jiǎn)單去繁，以少勝多。清代有一位書(shū)法家、畫(huà)家叫鄭板橋，被稱為“揚(yáng)州八怪”之一。他在書(shū)房里掛著一副自己寫(xiě)的對(duì)聯(lián)：“簡(jiǎn)化秋樹(shù)，二月花別具一格”，彰顯了他的書(shū)法和文學(xué)理念，主張用最簡(jiǎn)練、最清晰的筆法和不凡的構(gòu)思來(lái)表達(dá)最豐富的內(nèi)容。
物理學(xué)家的“統(tǒng)一”可以概括為三個(gè)方面：第一，物理定律的統(tǒng)一；第二，物質(zhì)本源的統(tǒng)一；第三，相互作用的統(tǒng)一。
因此，物理學(xué)家所追求的簡(jiǎn)單統(tǒng)一，和鄭板橋在書(shū)畫(huà)墨跡上所追求的“簡(jiǎn)單”，聽(tīng)起來(lái)如出一轍，本質(zhì)上都只是所謂“奧卡姆剃刀”原理的變通，都屬于“簡(jiǎn)單之美”。
奧卡姆不是一個(gè)人的名字，而是英國(guó)的一個(gè)村莊。14世紀(jì)，那里有一位名叫“威廉”的邏輯學(xué)家。這個(gè)人留下的東西不多，但有一句話卻很流行：not be。中文可以翻譯成八字箴言：若無(wú)必要，就不要加實(shí)體（奧卡姆剃刀原則）。意思是把不必要的、多余的“實(shí)體”全部刪去，留下最精煉的部分。
對(duì)于理論物理學(xué)來(lái)說(shuō)，這個(gè)原則最好的表達(dá)方式就是：當(dāng)你面對(duì)兩個(gè)得出相同結(jié)論的理論時(shí)，選擇最簡(jiǎn)單的、實(shí)體最少的那個(gè)！統(tǒng)一物理學(xué)理論中的實(shí)體可以理解為基本定律、粒子和力。換言之，統(tǒng)一意味著用最少的物理定律來(lái)描述自然現(xiàn)象；用最少的“不可分割的基本粒子”來(lái)構(gòu)成所有物質(zhì)；用最少的“力”來(lái)描述物質(zhì)之間的相互作用。這符合奧卡姆剃刀原理和簡(jiǎn)單之美！
牛頓曾感嘆：“我可以計(jì)算天體的軌道，但我無(wú)法計(jì)算人類的瘋狂。”
奧卡姆剃刀或許難以描述瞬息萬(wàn)變的社會(huì)現(xiàn)象和復(fù)雜的人性，但它在科學(xué)上的優(yōu)越性卻是毋庸置疑的。數(shù)百年來(lái)，這一原理在科學(xué)中被廣泛應(yīng)用，從牛頓的萬(wàn)有引力到愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，再到今天的標(biāo)準(zhǔn)模型。在漫長(zhǎng)的統(tǒng)一道路上，奧卡姆剃刀已成為重要的科學(xué)思維概念。
然而，物理學(xué)中的統(tǒng)一理論，即描述物質(zhì)世界的“最小數(shù)”的標(biāo)準(zhǔn)，是隨著時(shí)間而變化的。隨著科技的不斷進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)方法的不斷完善和發(fā)展，各種理論相繼建立和完善，我們對(duì)自然的理性認(rèn)識(shí)也不斷深化到不同的層次。這一切，導(dǎo)致在科學(xué)發(fā)展的不同歷史時(shí)期，出現(xiàn)了意義不同的“統(tǒng)一理論”。它們就像一條蜿蜒的河流，在某個(gè)位置出現(xiàn)了平靜的港灣。河流總是從這些港灣和支流中汲取精華，剔除糟粕，源源不斷地流向大海。
牛頓的力學(xué)定律加上萬(wàn)有引力，無(wú)疑是物理學(xué)中第一個(gè)“統(tǒng)一理論”。在牛頓之前，已經(jīng)存在著許多相互獨(dú)立、看似毫無(wú)關(guān)聯(lián)的物理定律：伽利略發(fā)現(xiàn)了慣性原理，并通過(guò)著名的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)證實(shí)了自由落體運(yùn)動(dòng)所遵循的規(guī)律；開(kāi)普勒根據(jù)第谷留下的大量實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)數(shù)據(jù)提出了行星運(yùn)動(dòng)三大定律；惠更斯和胡克當(dāng)時(shí)也在力學(xué)、光學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域取得了成就。但最先認(rèn)識(shí)到這些分散、孤立的定律之間存在深刻的內(nèi)在聯(lián)系的，還是牛頓。他把這些分散的“支流”匯集在一起??，完成了物理學(xué)中第一次理論統(tǒng)一。
與那些“孤立”的定律不同，牛頓三大定律描述的是“一切”物體在力的作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這里的物體可以是地面上的沙土，也可以是宇宙中的天體。牛頓用一把鋒利的“奧卡姆剃刀”，把物體的大小、形狀、質(zhì)地、軟硬等一切不重要的具體屬性都割掉，只留下質(zhì)量m。于是，一切物體都變成了質(zhì)點(diǎn)，在力的作用下，都遵循著相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
場(chǎng)論的思想始于麥克斯韋和法拉第的電磁場(chǎng)理論。法拉第根據(jù)大量電磁實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了“場(chǎng)”的概念。精通數(shù)學(xué)的麥克斯韋希望用微分方程來(lái)描述和總結(jié)這些實(shí)驗(yàn)規(guī)律。最初麥克斯韋面對(duì)的是20多個(gè)方程，包括庫(kù)侖、高斯、法拉第、安培等人研究和總結(jié)的各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以及電介質(zhì)的性質(zhì)、各種電磁現(xiàn)象的規(guī)律等。麥克斯韋大舉揮舞“奧卡姆剃刀”，削去多余重復(fù)的部分，加入必要的新概念，最終將它們細(xì)化簡(jiǎn)化為4個(gè)對(duì)稱優(yōu)美的矢量方程，將電、磁、光“統(tǒng)一”為一個(gè)經(jīng)典場(chǎng)。
后來(lái)，愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論將時(shí)間和空間的概念統(tǒng)一在四維時(shí)空框架中。此時(shí)，時(shí)間和空間不再是絕對(duì)獨(dú)立的存在，而是一個(gè)通過(guò)洛倫茲變換相互聯(lián)系的整體。從狹義相對(duì)論的時(shí)空概念，我們可以得到尺子縮小、鐘表變慢的結(jié)論，這與洛倫茲理論在以太中的結(jié)論是一致的。那么，以太這個(gè)“實(shí)體”在這里就是多余的，于是就被愛(ài)因斯坦用“奧卡姆剃刀”無(wú)情地剃掉了。愛(ài)因斯坦留下了兩個(gè)他認(rèn)為必要的實(shí)體：相對(duì)性原理和光速不變，并創(chuàng)立了狹義相對(duì)論。 后來(lái)，他擴(kuò)展了相對(duì)論原理，利用等效原理使引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量相等，把引力效應(yīng)與時(shí)空幾何統(tǒng)一起來(lái)，建立了廣義相對(duì)論。
原來(lái)物理學(xué)的每一次進(jìn)步都與一次次的“統(tǒng)一”有關(guān)，難怪愛(ài)因斯坦最后把自己的半生奉獻(xiàn)給了統(tǒng)一大業(yè)。
愛(ài)因斯坦最初創(chuàng)立廣義相對(duì)論時(shí)，弱相互作用和強(qiáng)相互作用尚未出現(xiàn)。愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)對(duì)前景的估計(jì)應(yīng)該是相當(dāng)樂(lè)觀的。他可能認(rèn)為電磁力和引力如此相似：它們也是超距作用的（在20世紀(jì)）。
從上世紀(jì)三十年代開(kāi)始，就有了符合距離平方反比的短程相互作用的描述，現(xiàn)在叫“弱相互作用”，只要能把電磁力納入廣義相對(duì)論的引力框架，那不就是徹底的統(tǒng)一了嗎？
遺憾的是，愛(ài)因斯坦數(shù)十年為實(shí)現(xiàn)大統(tǒng)一夢(mèng)想所做的努力最終以失敗告終。從作者的后見(jiàn)之明來(lái)看，愛(ài)因斯坦至少犯了兩個(gè)錯(cuò)誤：第一，他低估了引力“難以駕馭”的本質(zhì)；第二，他選擇了錯(cuò)誤的道路，想用經(jīng)典場(chǎng)論而不是量子場(chǎng)論來(lái)建立統(tǒng)一理論。換言之，愛(ài)因斯坦忽視了對(duì)他協(xié)助創(chuàng)建的量子理論的更深入研究，也忽視了此后幾十年量子理論的發(fā)展。
當(dāng)然，人們可能會(huì)說(shuō)，從量子場(chǎng)論出發(fā)的統(tǒng)一之路依然困難重重，尚未打通？事實(shí)也確實(shí)如此，但大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，這是正確的道路，也是必然的道路。試想一下，物理學(xué)的大統(tǒng)一理論，能不包括已經(jīng)發(fā)展和驗(yàn)證了百余年的量子理論嗎？即便我們不知道這條路的盡頭在哪里，堅(jiān)持走下去，一定會(huì)在歷史上留下痕跡，也許是曲折的痕跡，但未來(lái)還是會(huì)有“可尋的痕跡”。
那時(shí)，量子力學(xué)有薛定諤方程和海森堡矩陣力學(xué)，萬(wàn)有引力有愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程，電磁作用有經(jīng)典麥克斯韋方程。這三輛馬車(chē)在各自的道路上各司其職，它們確實(shí)應(yīng)該統(tǒng)一在一個(gè)數(shù)學(xué)框架下，這是理論物理學(xué)家喜歡玩的游戲。量子力學(xué)的誕生和引力的幾何化，是當(dāng)時(shí)物理學(xué)界兩場(chǎng)令人震驚的革命；而經(jīng)典電磁學(xué)在麥克斯韋理論成功建立的基礎(chǔ)上，正忙著走向應(yīng)用。它帶來(lái)了無(wú)數(shù)的專利和許多優(yōu)秀的工程師，在電氣工程領(lǐng)域翻開(kāi)了輝煌的一頁(yè)。對(duì)于20世紀(jì)初的物理學(xué)界來(lái)說(shuō)，大多數(shù)理論都在朝著完善和推廣量子力學(xué)的方向發(fā)展。動(dòng)蕩的時(shí)代造就了一個(gè)又一個(gè)的量子英雄，忙著把諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C給這些為這些從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)的奇怪理論做出貢獻(xiàn)的科學(xué)家。 相比于電磁場(chǎng)、量子領(lǐng)域非凡熱鬧的氛圍，廣義相對(duì)論顯得孤獨(dú)得多，它正在靜靜地等待天文學(xué)領(lǐng)域更為精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)。
這三組理論并非完全沒(méi)有關(guān)聯(lián)，在解決具體的物理問(wèn)題時(shí)留學(xué)之路，有時(shí)三者都需要考慮。但它們畢竟各有各的用處：量子理論適用于探索微觀世界；廣義相對(duì)論在宇宙學(xué)中大有用處；電磁理論則成功地服務(wù)于人類的衣食住行。還有一件大事也不容人們忘記，它與物理學(xué)的兩次重大革命息息相關(guān)。那就是1945年8月6日在日本廣島爆炸的原子彈。這次爆炸奪去了十多萬(wàn)無(wú)辜的生命，造成了無(wú)數(shù)的后患，也讓愛(ài)因斯坦后悔寫(xiě)信給羅斯福，促使他生產(chǎn)原子彈。盡管如此，原子彈的技術(shù)當(dāng)時(shí)還是被盟軍掌握，它的爆炸加速了日本的投降和二戰(zhàn)的結(jié)束。否則愛(ài)因斯坦簡(jiǎn)介，世界歷史和中國(guó)歷史也許會(huì)被改寫(xiě)。
從物理學(xué)史的角度回顧本世紀(jì)初物理學(xué)界的兩大革命性理論，量子力學(xué)象征著現(xiàn)代物理學(xué)的開(kāi)始愛(ài)因斯坦簡(jiǎn)介，而相對(duì)論則代表著經(jīng)典理論的終結(jié)。愛(ài)因斯坦統(tǒng)一夢(mèng)想失敗的原因之一，很可能就是因?yàn)樗サ锰o了經(jīng)典物理學(xué)的尾巴，從而遮擋了一部分觀察現(xiàn)代物理學(xué)頭部的視野。愛(ài)因斯坦始終無(wú)法接受不確定性原理等不同于經(jīng)典現(xiàn)象的量子定律，雖然他扮演的老頑固角色也對(duì)量子力學(xué)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。但參與逆向推導(dǎo)和參與正向推導(dǎo)總是有區(qū)別的，記得著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者斯蒂芬·溫伯格曾經(jīng)對(duì)愛(ài)因斯坦有過(guò)非常精辟的評(píng)價(jià)。 大致思路是，愛(ài)因斯坦犯下的最大錯(cuò)誤，并非如他所想的那樣“把宇宙常數(shù)引入場(chǎng)方程”，而是他成為了自己所建構(gòu)理論成果的“囚徒”。他沉迷于自己提出的廣義相對(duì)論的物理美和數(shù)學(xué)美，想用這個(gè)經(jīng)典理論來(lái)統(tǒng)一世界，包括統(tǒng)一他所不接受的量子理論。但這其實(shí)是不可能的。其實(shí)，量子理論的出現(xiàn)是比廣義相對(duì)論更深刻的革命，因?yàn)樗鼪_出了經(jīng)典思維的牢籠，走出了一條不確定性與確定性相結(jié)合的現(xiàn)代物理學(xué)之路。
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