物理中的统一性

物理中的统一性

吴思聪化材14 学号：201001391416

摘要：物理学体系中的有关统一性的信念源远流长，而且随着物理学领域的不断扩大，在深度和广度上发展。爱因斯坦说：“……物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西，也就是说，它在基础上具有统一性。”

静电现象被发现以后，其与磁现象的相似，以及电作用力所被揭示出的平方反比规律，又吸引人们将静电和磁现象统一起来。之后，法拉第的电磁感应定律将电、磁与机械运动联为一体，麦克斯韦更通过大量借用力学方式总结出的有关电磁学的方程组，使牛顿力学有了与之平行的姐妹关系。这是人们认识到，统一不但是现实的，而且是存在的。热学超越“热质说”后，通过微观世界的分子运动体现为宏观世界的热这一灼见，将统一引入了新的方向。

进入20世纪后不久，相对论和量子力学就以各自特有的方式登上了舞台。相对论的出场是以高速运动的宏观世界为对象的，量子力学则缘于微观世界：相对论先是不为人们理解，然而又以戏剧化的方式得到了证实，而量子力学则正好相反。起初物理界是张开双臂欢迎它的，但面对它所提出的一个接一个犹如天方夜谭的新概念，导致它“解决的问题，还不如造成的新问题多”。然而，正是由于坚持量子力学的物理学家艰苦卓绝的努力，是人们的视野得到了拓展，认识到世界仍是统一的。

物理史上几次大的统一主要有：

第一次综合，是开普勒和伽利略等人分别对天体运动和地面物体运动的研究基础上，由牛顿总结、提炼打出质点运动定律和万有引力定律，建立的严整的经典致电力学体系。牛顿对人类2000多年的探索活动做出了总结，提出了对所有运动和引力吸引作用的统一理论。牛顿的全部理论，都是由三条运动定律和一条平方反比性的引力定律归纳得出的。三条运动定律的根本内容就是运动，或者说动量。

第二次综合，是19世纪麦克斯韦等人把电、磁以至光统一为电磁场，建立以麦克斯韦方程组和洛仑兹力公式为主的经典电动力学。从第一次综合到第二次综合，物理学理论从经典的质点动力学到经典电磁场理论。场概念引入引力理论，即经典理论场理论。

第三次综合，是1920年代以前相对论的建树。狭义相对论使以光速传播的电磁场运动与质点的机械运动结合，使相对论电动力学与相对论质点动力学综合，把这两种不同的运动形式的时间和空间统一起来。又以质能方程将质量和能量看作同一物理概念。

第四次综合，是1930年代以前量子力学的创立。量子力学将物质的波动性和粒子性统一起来，用来表示所有微观物质系统的运动规律。

第五次综合，是1920年代后的量子场理论的诞生和发展。

而1920年代起始的统一场论探索正乃爱因斯坦等物理学家感悟与认知大自然的对称统一的漫长历程。或许可以把物理学家们对相互作用的统一场论作为第六项工程。

爱因斯坦在创建相对论时就意识到，自然科学中“统一”的概念或许是一个最基本的法则。还在30年代爱因斯坦就着手研究“大统一理论”，试图将当时已发现的四种相互作用统一到一个理论框架下，从而找到这四种相互作用产生的根源。这一工作几乎耗尽了他后半生的精力，以致于一些史学家断言这是爱因斯坦的一大失误。但是，在爱因斯坦的哲学中，“统一”的概念深深扎根于他的思想中，他越来越确信“自然界应当满足简单性原则”。虽然“大统一理论”没有成功，可是建立统一理论的思想却始终吸引着成千上万的物理学家们。

爱因斯坦固然感悟统一性而倡导了统一场论的宏伟工程，其他如海森伯、波恩、杨振宁以及超弦-超模理论的缔造者也都为这个工程做出了突出贡献。

统一场的理论起源很简单。例如，有两个不同的场，引力场和电磁场。为什么是两个而不是一个呢？这就到头吗？被统一场的渴望激励着的物理学家们问：引力场和电磁场是不

是同一个现象的两个方面？于是出现了今天的统一场论。

在爱因斯坦1955年去世时，物理学家们学会了怎样和谐的融合量子力学和狭义相对论，。他们发现了中子、中微子和千百种其他看起来基本的粒子，还认识到千变万化的大自然由四种力主宰：电磁力、引力、强力和弱力。到了1980年，构造了一个能解释所有基本粒子和力的实验结果的理论——基本粒子的标准模型。标准模型告诉我们质子和中子如何由夸克构成，夸克又如何束缚在一起。标准模型用非常紧凑的形式概述了我们已知的几乎所有的物理学基本定律。核物理、化学、材料科学和电子工程师等领域的所有现象都概括在那里面。有时我们听到说核心理论统一了电磁作用和弱作用，这是误导。这里涉及的仍是两种截然不同的相互作用，它们与不同的对称性相联系。他们在核心理论中是混合，不是统一。

而对于统一场论，自然界似乎在暗示，一个基本力的统一理论是有可能的。因此，在过去的30年里，理论家们至少提出了十多个方法，在粒子物理学领域，这些方法有“拟色”、“前子模型”、和超对称。在时空物理学领域，有扭量理论、因果集、超引力、动力三角化和圈量子引力。这些理论中，有一个吸引了绝大多数人的关注：弦理论。它声称正确描述了宏观和微观，还提出了大胆的假设：世界包含着看不见的维度和比我们知道的多得多的粒子。它认为所有基本粒子源于同一个服从美妙的简单定律的实体——弦的振动。它宣称统一了大自然所有的粒子和力。但是弦论是起源于一种不恰当的物理理论和实验。目前还远远谈不上是建立起来的可归纳到统一理论的核心理论。

虽然上述理论有着很大的缺陷，将核心相互作用—强、弱和电磁—理论统一成一个统一理论，会涉及一些猜测，但原理是清楚的。我们已经看到，在所有相互作用的基本力的比较水平上，对引力的统一看起来势头良好，关于统一理论的想法正在变得越来越具体。超弦理论所孕育的想法似乎很有希望，但还没有人能够将这些概念聚拢在一起给出我们希望的新效应。哪只脚能他出引力统一的足音？我们希望听到什么？这也许是未来要的答案。自然界正唱着诱人的歌，让我们靠近点倾听。

参考文献：《超弦史话》李淼北京大学出版社

《美哉物理》沈葹上海科学技术出版社

《物理学的困惑》[美]斯莫林湖南科学技术出版社

《自然规律中蕴含的统一性》[美]约翰泰勒北京理工大学出版社

《存在之轻—质量、以太和力的统一性》[美]弗兰克维尔切克湖南科学技术出版社