如何统一自然界四种基本作用力,是当今科学界面对的最大难题!

宇宙时空探索 2024-10-27 15:15:19

近百年来,科学界饱受困扰于如何将宇宙的主导力量统一加以阐述。不少人提出,当强弱和电磁力三者得以统一之际,何以引力无法同步融合?这其实是个误解,下面我们将深入探讨此一议题。

基本的四种作用力的统一无疑是个极为复杂的课题,绝非一般人所能轻易理解。时空通讯作为普罗大众的一员,亦感困惑。不过时空通讯有自知之明,对于未知领域,愿意学习研究,或许就比那些不愿学习、自以为是地想创造新理论颠覆现代物理学基础的人略胜一筹。

因此,我坚持科学界的观点:目前为止,我们所知的宇宙中的一切运动变化,都是由引力、电磁力、强力、弱力这四种基本作用力所控制,无一例外。如果有谁能找到例外,那将是重大突破,足以获得诺贝尔奖。

经过全球科学家们数十年的不懈奋斗,电磁力和弱力两种已纳入统一框架,但强力的统一仍在研究中,尚无定论。至于引力,则更显得毫无头绪,还有漫长的探索之路。因此,说三种力已统一是不准确的。

在人类早期,世界被简单地看作由金木水火土构成(东方观点)或由水、火、土、气组成(希腊观点),那时还不知基本相互作用力为何物。

直到伽利略、牛顿时代,人们才发现万有引力,认识到宏观世界万物皆受其影响,在引力作用下运转。

19世纪中叶,麦克斯韦电磁理论揭示了电和磁的作用,发现世界第二种力——电磁力。20世纪初,爱因斯坦发现经典力学存在缺陷,将场论引入牛顿引力理论,揭示引力本质为时空弯曲,消除了牛顿理论中超距作用的观点。

至此,人类了解到有两种基本作用力统治着世界,且两者都与“场”有关。那么,这两个“场”(引力场、电磁场)能否合二为一呢?

于是,统一引力场和电磁场的研究热潮掀起,被命名为“统一场论”。爱因斯坦自20世纪20年代起投入其中,期盼能在有生之年实现突破,但直至1955年去世,亦未见成果。其他科学家随后被新兴的量子力学所吸引,研究热情渐减。

20世纪50年代,量子力学飞速发展,让人们从宏观深入到微观层面,发现了除引力、电磁力之外的强力和弱力,而这些力都基于不同数理模型。

科学界对世界的认识愈深,世界在我们眼中便愈显复杂。但无论多复杂,世界仍是由引力、电磁力、强力、弱力四力共同作用。强力、弱力控制微观世界原子以下的活动规律,电磁力、引力则影响宏观世界万物的中长力运动。各力均有其规律,并有科学家们历经几个世纪探求的数理公式,特别是数学结构,既精确又复杂。

为什么不能更简洁呢?是否有一种理论能将四种力全部纳入一个框架?

在量子力学蓬勃发展的背景下,人们又重拾被弃的统一场论,开始思考这一问题。但现在范围更广,不单是两种力的统一,而是四种力,称为大统一理论。

1954年,杨振宁与R.米尔斯提出规范场论,揭示了电磁作用和其他作用力可能的共同本质——规范不变性,开辟了以规范原理统一相互作用的新途径,为研究大统一理论开启了突破口。

1967年,格拉肖、温伯格、萨拉姆提出新模型,成功将电磁力和弱力纳入同一数学框架。

这是科学史上首次成功统一相互作用力的理论,实验证实了他们的理论,三位科学家因而荣获1979年诺贝尔物理学奖。1983年,欧洲核子研究中心发现理论预测的中间玻色子W和Z,标志着电磁力和弱力统一得到实验验证。

这一进展让人们看到了所有力统一的曙光,科学家们开始尝试将强力纳入电弱统一框架。

科学家们希望通过大型强子对撞机实现这一目标,但至今实验结果与理论相悖,理论预言的质子衰变并未发生,探索之路尚不顺畅。因此,有关三种力已统一的传言,似乎仅停留在传言阶段。

若要将引力纳入其中,则距离更远,前景更加渺茫。引力子问题——引力的传递者——是量子力学假设的一种粒子,被认为无质量。但这种粒子是否存在,目前尚有争议。

科学界依旧孜孜不倦探索和追求,涌现出弦理论、超弦理论等新理论,为解释宇宙更深层问题提供新视角。同时,量子理论发展也揭示了粒子运动中更多迷人特性,引发更多疑问。在大统一理论基础上,超统一理论又被提出。

人类探索所有力的统一之路还很长,但这是一项极有意义的重大事件。一旦弄清这些,人类对世界的理解将实现重大突破。

事实上,宇宙由简到繁,大爆炸前及最早宇宙时期,并无这四种力,那时的宇宙极为简单,拥有惊人的数学美,非0即1。自普朗克时间起,复杂的结构和力才开始分化。

爱因斯坦在思考质能关系时,采用了复杂运算,最后得出了极简单的质能方程:E=mc平方。这一方程揭示了世间最简单、最核心的关系——物体质量即其能量的度量,引领人类进入核能时代。

统一世间所有力的理论,正是科学界所寻的简单总公式。这个公式将揭示四种力的本质,比爱因斯坦质能方程更概括世界本质,成为解锁世界核心机制的钥匙,揭示宇宙深处最朴素的真理,令世界变得更加简单、易懂。

解决此问题,人类将更深入理解世界诞生那一刻的情况,那婴儿般的宇宙时刻,最简单质朴的时刻。自此,人类了解了自己的起源,或许能走出“婴儿期”,加速成长。

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