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[物理史] 爱因斯坦追求一个统一的理论

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发布于:2020-06-10



(译自APS News ,2005年12月)

爱因斯坦 (Albert Einstein) 在物理方面获得了包括布朗运动、光电效应、特殊和广义相对论等几个辉煌的突破而成名后,花了一生最后的30年,欲寻找一方法,可以将重力和电磁作用力结合成单一简雅的理论,却徒劳无功。

[物理史] 爱因斯坦追求一个统一的理论

爱因斯坦 (Albert Einstein)

爱因斯坦受到理智的驱使,要统一大自然的作用力。他强烈地认为所有的自然现象都可以用单一的理论来解释,所以他于1923年的诺贝尔得奖感言中说:「我欲探索一个统整理论的理智思维,是无法满足于存在有两个本质彼此完全独立的领域之假设。」

此外,爱因斯坦深信,在解决量子力学明显矛盾的必要性,和整合电磁作用力与重力的必要性之间是有关联的。他总坚持说,量子力学应可由某个更完整的理论推导出来。对爱因斯坦来说,虽然他从未满意量子力学所具有的怪异和随机性,但却认为任何可接受的统一场论都应该导至量子力学。1920年代,当爱因斯坦开始着手研究统一场论时,电磁作用力和重力是仅知的自然作用力,电子和质子也是大家仅知的次原子粒子。当时大多数的物理学家对于新发现的量子理论都倍感兴奋,而专注于研究它怪异及有趣的结果。他们并不认为有任何大需要,要研究一理论来统一电磁作用力和重力。

然而,爱因斯坦和其他几个科学家却着手研究统一的问题。1916年,外勒 (Hermann Weyl) 基于黎曼 (Riemann) 几何的推广,提出一个统合方案。受到外勒研究成果的激发,卡鲁札 (Theodor Kaluza) 认为,扩大时空至五维,即可在四维中得到爱因斯坦方程式,再加上和马克士威的电磁方程式相等的一组方程式。第五维紧緻并捲成很小,以致侦测不到。克莱恩 (Oskar Klein) 后来将此想法精緻化。

爱因斯坦喜欢五维的方法。1919年,他写信给卡鲁札:「经由五维圆柱世界来达成整合的想法从未出现在我脑海中……乍一看,我超喜欢你的想法。」卡鲁札于1921年发表了他的论文,而爱因斯坦也于1922年,以相类似的方法,和格罗默 (Jacob Grommer) 发表了他第一篇有关统一场论的论文。爱因斯坦还曾试用另一方法,他藉着推广度规张量,但仍保留四维几何,以扩大广义相对论,而得以涵盖电磁方程式。

爱因斯坦在他生命最后的30年持续不懈地研究这两个基本的方法,然而两个方法都没产生他所企求的完整统一理论。他一个个地研究,但很快就放弃。爱因斯坦于1938年的信中这样写着:「我大部分理智思辩的结晶都早早就埋葬在失望的墓园里。」然而,他从未放弃追求一个统一的理论,甚至当他临终躺在床上,他还是继续他的研究。在他死前一天,他要求将他最后的笔记拿到他身边。爱因斯坦无法找到统一理论的一个原因,可能是因为他拒绝了量子力学,导致他忽视了物理学的新进展,而和其他的物理界保持了距离。爱因斯坦知道他的情况,所以1954年他说:「我一定很像一只鸵鸟,头永远埋在相对论的沙堆中,不愿面对邪恶的量子。」但他越研究统一论,就离其余的物理界越远。

[物理史] 爱因斯坦追求一个统一的理论

(Alan Richards所摄)爱因斯坦的最后黑板,普林斯顿高等研究院 (1955)

不仅如此,爱因斯坦越来越专注于数学形式的辩正,不再跟随他年轻时指引他做出伟大发现的物理直觉。有许多人说爱因斯坦会失败,是因为他超越了他的时代─完成统一理论所需的知识和工具,在他1955年死之前,根本尚未发展出来。

今天,有许多物理学家开始继续爱因斯坦的探索,其中最有希望的方法似乎是弦论。弦论需要10维或更多来描述所有的基本粒子,如振动的弦,不同的振动模式,会产生不同的粒子。

弦论至今尚未做出任何可验证的预测,有些科学家担心弦论正如爱因斯坦晚年一样,沉迷于美丽的数学,偏离物理现实太远了。然而,也有许多人相信,弦论的确掌握着完成爱因斯坦探索的关键,所以许多研究人员都希望能找到测试弦论一些预测的方法。

虽然爱因斯坦的研究并未产生有用的物理理论,但他让统一理论成为物理学家的一个重要目标。的确,一个适用于万物的理论通常被称为现代物理的「圣杯」。爱因斯坦如果知道有那幺多物理学家尽心尽力地奉献一生,追求他的梦想,应该很欣慰吧。


原文刊载于物理双月刊2016年2月号38卷第1期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。

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