物理学想要的只是一个统一 17

本系列文章预计会有20个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第六季第16篇

--本文较长，预计阅读6min--

我们前面几个章节阐述了决定论和随即论，实际这本质就是一场量子力学与相对论的斗争！谁输谁赢在我看来各有所理。

我们在前几季物理学专门讲过相对论和量子力学，相对论的基本思想和量子力学思想，以及它们之间的恩恩怨怨，感兴趣的朋友可以翻看以前的文章。

今天我们从另外几个角度来看看二大派系争论的结果是什么？

【正文】

物理学，一直都有一个伟大的梦想，那就是“大统一”。就像牛顿当时发现了万有引力一样，当时世人觉得牛顿理论简单而又能够囊括万物。

简言之，世界就是这么的简单，一个公式而已！

可当时人们所了解的只是这个世界的冰山一角，所谓，夏虫不可语冰也！

你看，从万有引力到相对论、再到量子力学、以及混沌学...等等，世间的理论层次不齐，而且谁也解释不了谁...，但是好在远方的朋友”黑洞“倒是给了我们一些启发，请往下看...

黑洞有个奇特的性质，那就是其内部很难去推算。

它中心的那个无限小、无限致密的奇点，导致了现有物理学定理全部失效。

强行求解爱因斯坦引力场方程，就会在奇点处产生无限多种可能，例如白洞、虫洞、时空坐标互换，各种妖魔鬼怪全都跳了出来，连爱因斯坦自己都心惊胆战。这真是：天生一个大黑洞，无限风光很惊悚。

从数学角度讲，就是有太多解，每个解都蕴含了一个物理意义。

那么，黑洞为什么会使现有物理定理全都“歇菜”了？我们人间不是有相对论和量子力学两大神器吗，为何不去降伏这个“黑魔头”？

这是因为，广义相对论用来对付宏观大尺度天体，而量子力学是解决微观粒子之间关系的。一个宏观，一个微观，一山不容二虎，这就导致两大理论无法联合去攻克黑洞这个难题。

黑洞一方面极度弯曲了时空，影响宏大；另一方面极度坍缩，化为奇点，甚是微观。

也就是说，黑洞横跨宏观和微观两大世界，令众位物理大侠一筹莫展。

我们解释下，两个理论都是科学，怎么能对客观世界的基本概念都不一样呢？

量子力学认为粒子与粒子之间是通过交换更小的粒子而相互作用的，比如两个人滑冰时，互相传递一个皮球就会交换作用力；而广义相对论认为是弯曲的时空在影响物质的运动。一个是传递力的系统，一个是弯曲时空的几何，这怎么调和？

霍金也不过是把量子力学硬掺进了广义相对论，那不是调和，是混杂。

将两大理论统一就存在这样一个问题，是把量子力学往广义相对论上结合，还是把广义相对论往量子力学上结合呢？

两条路都有人走，但后者的成果较为显著。其实也不难理解，微观可以解释宏观，但宏观显然是无法解释微观的，所以应该以量子力学为基础。

追求统一，追求对宇宙解释的一致，这是科学家最大的梦想。

牛顿的伟大贡献是将苹果落地与地球绕太阳转统一于万有引力；

麦克斯韦的伟大是将电与磁统一，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场；

爱因斯坦的伟大之一是把质量和能量统一了，E＝mc2。质量和能量，就是一种东西的不同形态，就好比冰和水的关系，其实都是H2O。

科学家在统一的路上，虽然充满艰难险阻，但从未停止过他们的脚步，因为那是一种信念，是要将一切“定于一”的信仰。

我们再来看看粒子与粒子之间的作用力有多少种，有没有可能实现统一。

目前，人们发现微观粒子之间仅存在四种相互作用力，即：引力、电磁力、强力、弱力。

如何把这四种力统一起来，建立一个大一统的理论，是物理学家的最高梦想。爱因斯坦临终前，在床榻上还在向这个方向努力，但毫无进展。

有心的读者可能会问：你怎么又开始说引力了，不是都改成弯曲时空了吗？是这样，我们现在准备以量子力学为基础来建立万物理论，量子力学中是没有弯曲时空这个概念的，所以现在又回归到万有引力了。

我们先看看这四种力的运作方式。

电磁力，我们熟悉，就是带电荷的粒子之间通过电磁场来传递的相互作用力，或者干脆说，是通过交换光子而产生的作用力，光就是电磁波嘛；

强力，就是像质子、中子这类强子之间发生的作用力，是通过交换胶子来实现的；

弱力是通过传递W及Z玻色子来实现的。

说到这里，读者肯定十分想知道万有引力是通过交换什么子来实现的。抱歉，截至目前，还真不知道。

如果它不是通过交换什么子来实现，这就意味着用交换粒子来统一四种力的这条路走不通。如果不通的话，就要走爱因斯坦弯曲时空的道路了。

仅仅把引力改成弯曲时空就让我们痛苦不堪了，如果再把电磁力、强力、弱力都视作时空弯曲，还不“弯”死我们？

所以交换粒子的道路必须走通，引力必须是靠一个子来传递的，物理学家虽然没有发现这个子，但名字都起好了，就叫引力子。如果真有引力子，这四大力就可以统一用交换各种粒子来解释了。

你别说，引力和其他三种力确实很不一样。仅就强度来说，强力最大，电磁力次之，弱力就很小了，引力是极微小极微小的，以至于微观粒子之间的引力都可以不考虑，只有天体，因为质量大、粒子多，形成了“团购效应”，才会表现出强劲的引力。

比如高楼上抛掷一个铁球，为何会向下落？那是因为地球对它的引力。

但铁球砸到地面上，为何不能钻进去？那是因为地面的电磁力太大了，铁球根本就对付不了。这引力虽然极小极小，但是它的作用范围却是无限的。这确实有点儿奇怪。

更奇怪的是，我们一直不能发现引力子，这使得统一四种力的进程很渺茫。我们发现不了引力子，至少要从理论上推导出引力子吧；就像我们看不到黑洞，但我们能推导出来啊。可拿什么去构建引力子呢？

好，今天就先这样，下一讲再谈~

Masir 2022/08/07

祝 愉快~

参考文献 

[1]《时空简史》

[2] 《决定论or随机论》

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