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当代物理界的“痛点”引力与电磁力的统一,爱因斯坦穷其30年成

在现代科学发展过程中,物理学家总是在寻找更加普适物理规律,比如牛顿通过观察发现了万有引力,并推算出万有引力计算公式为F=GMm/R^2(G为万有引力常数),后来爱因斯坦发现牛顿的万有引力公式计算的并不精确,且牛顿认为引力是一种超距作用。在爱因斯坦看来,这显然是无法解释引力到底是如何产生并在如此长程下起作用的,于是他推出了新的引力解释——广义相对论。

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牛顿

 爱因斯坦对引力的描述

在1905年之前,爱因斯坦还是一位名不见经传的专利局小公务员, 时间来到1905这一年,不知道是爱因斯坦厚积薄发,还是灵感喷涌,爱因斯坦在这一年连续发表了几篇诺奖级别的论文,这一年就是被称之为爱因斯坦“奇迹年”。其中一篇是具有划时代意义的狭义相对论。

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爱因斯坦

爱因斯坦在所有惯性系之间的都满足相对性原理以及预言光速永远不变这两个条件下通过数学推导得出了狭义相对论。从狭义相对论的框架下,时间与空间是一体的,形成为一个时空(闵可夫斯基四维时空)必须统一考虑。通俗的说,同样发生一个事件,对于不同的人来说发生的时间可能是不同的。但是狭义相对论有一个致命的缺席就是只服从惯性系,而不服从非惯性系。

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惯性系与非惯性系

那么惯性系与非惯性系的区别到底是什么呢?举一个实际的例子,请看下图所示:在一个封闭的小车有一个物体m,物体与车厢接触光滑,也就是说忽略摩擦力的作用,小车的加速度为a,但是不论小车为运动状态是什么,物体m总是保持静止或者匀速直线运动,那么我们就说车厢内是一个惯性参考系,反之,m却以a加速度加速运动,那么此时的参考系为非惯性参考系。

总结一下就是:

1.如果一个参考系中,自由物体相对参考系保持静止或保持匀速直线运动状态,那么这个参考系就是惯性系,牛顿定律成立。

2.反之,如果在一个参考系中,自由物体保持定加速度运动或者变加速度运动,这个参考系就是非惯性系,牛顿运动定律不成立。

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惯性系与非惯性系的区别

我们知道,真正的惯性系在现实中很难存在,大多的惯性系都是假设成立的。因此在狭义相对论发表之后,爱因斯坦认为狭义相对论只满足在惯性系条件下,而无法推广非惯性系。经过10年的潜心研究,在1915年,爱因斯坦终于发表他的广义相对论理论。

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爱因斯坦对时间与空间的统一

同样的广义相对论依然在时空上做文章,广义相对论是对于引力的描述是物质的存在会使时空偏离,造成造成弯曲,物质分布决定时空曲率,时空曲率反过来制约物质的运动轨迹。其数学表现形式为数学家黎曼提出的黎曼几何。黎曼几何是一种非欧几何的一种,可以说黎曼几何为广义相对论的形成提供了重要的数学基础。

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太阳的质量造成时空弯曲

麦克斯韦方程组对电磁学的诠释

除引力外,在生活中常见的另外一种基本作用力,就是电磁力。提到电磁力,我们首先想到的是电可以驱动电机旋转,吸铁石可以吸附铁屑,电机的定子与铁屑都受到了力的作用。

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电磁力

1785年,法国物理学家库伦发现在真空中两个静止点电荷之间的相互作用力与距离平方成反比,与电量乘积成正比,且两者的受力方向可以总结为同性电荷相斥,异性电荷相吸且沿着两者的连线上。可以用F=K(Qq/r^2)(K为静电力常量)来定量的计算受力的大小。

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库仑定律

起初,电和磁看起来毫无关系,奥斯特发现了通电导线外可以导致小磁针的旋转,之后若干年法拉第出色的科学直觉使得他认为电与磁似乎存在某种微妙的关系,法拉第最出色的能力就是动手做实验,经过一次无意的行为,法拉第终于发现了磁铁在穿过通电线圈后可以点亮灯泡的现象而提出了电磁感应现象。后来麦克斯韦在总结前人的研究成果上,终于统一了电与磁,并给出了人类历史上最完美的方程组——麦克斯韦方程组,麦克斯韦也一跃成为电磁学的集大成者。

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法拉第

起初麦克斯韦方程组是有20余个方程组成,但是由于与经典力学的冲突,麦克斯韦的理论一直未受到足够的重视,麦克斯韦为了推广自己的理论,最终因积劳成疾而去世。除此之外,在加上数学发展的局限,麦克斯韦最后没能给出简化版本的麦克斯韦方程组。

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麦克斯韦

1884年,奥利弗·赫维赛德和约西亚·吉布斯以矢量分析的形式重新表达,才有了我们课本上只有四个方程的麦克斯韦方程组!从麦克斯韦方程组可以看出,麦克斯韦使用场的概念,通过空间某区域的电磁场量(D、E、B、H)和场源(电荷q、电流I)之间的关系来反映特定电场的性质,总结了磁场的性质,电场的性质,电生磁的性质,磁生电的性质。

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麦克斯韦方程组

自麦克斯韦统一了电与磁之后,电磁力被看作是一种基本作用力,其所有的定量计算都可以被麦克斯韦方程组所囊括,与其他超前的科学理论不同,麦克斯韦方程组自发表以来,对人类社会的实际生活贡献巨大。

 爱因斯坦着手统一引力与电磁力

1915年11月,数学家希尔伯特看到了黎曼几何在广义相对论上成功的应用后,给爱因斯坦写了一封信,他在信中写道:“在数学上普适的麦克斯韦方程组可以看作引力场方程的延伸,引力与电磁力其实是一种力”。爱因斯坦在看到了这封信后回信到:“你的来信给了我极大的期望,我一直想在引力与电磁力之间搭建一座桥梁。”

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电磁力与引力

从1922年开始,受到了他的先贤麦克斯韦统一了电、磁、光的启发,爱因斯坦试图通过建立一种统一的理论来描述引力与电磁力,但是令人遗憾的是直到他1955年去世也未能形成突破。爱因斯坦始终在向广义相对论一样使用一种几何的方式来统一电磁力与引力,他将将黎曼几何四维时空与电磁场放在一起创造了五维时空思想,但是每一次看似成功后,爱因斯坦都会发现有悖于常理的差别。

当代物理界的“痛点”引力与电磁力的统一,爱因斯坦穷其30年成

五维时空

在爱因斯坦试图构建引力与电磁力的统一时,物理学家又陆续发现了原子核内强相互作用力与弱相互作用力,人们终于在统一其他的基本力上取得了新的突破。从20世纪50年代开始,美国物理学格拉肖家受到了杨振宁与李政道的宇称不守恒理论的启发,预测了电磁力与弱相互作用力是同一种力的不同表现形式。随着量子力学的发展,物理学家认为传递力的作用是通过一种矢量玻色子完成的,而光子用来传递电磁力,W-、W+、Z0传递弱力。这在1983年的欧洲核子研究中心超级质子同步加速器第一次得到了证实。

电磁力与弱力的统一也找到了新的方式来了通过量子力学——量子场论。

 结语

物理学发展到今天,人类已经找到了电磁力、强相互作用力、弱相互作用力这三种作用力的作用机理。并编制了统一的理论来描述,这个理论叫做标准模型,但是对于引力依然没有被纳入到这一系统中来。

当代物理界的“痛点”引力与电磁力的统一,爱因斯坦穷其30年成

引力子

但是科学家似乎找到了一种途径,那就是通过量子场论的方法来解释,因为在标准模型中每一种基本力都会有一种媒介粒子。对于引力,物理学家们已经提出会有一种引力子起到传递引力的媒介粒子,可是到目前为止,引力子还没有发现。

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