身边物理：20世纪力学的伟大计划和基本力

2024-06-12 理论教育版权反馈

【摘要】：基本力20世纪力学最宏伟的计划在物理世界中，存在着各种各样的“力”，这些“力”在我们的日常生活中随处可见，并且深刻地影响着我们的生活。接下来，我们就来讲述一下这项20世纪力学最宏伟的计划。在20世纪的物理学中，有两次意义重大的革命，一次是狭义相对论和广义相对论的产生，它几乎是爱因斯坦一人完成的；另一次则是量子理论的建立。

基本力　20世纪力学最宏伟的计划

在物理世界中，存在着各种各样的“力”，这些“力”在我们的日常生活中随处可见，并且深刻地影响着我们的生活。那么，“基本力”这个听起来怪怪的名称究竟是哪一种“力”呢？接下来，我们就来讲述一下这项20世纪力学最宏伟的计划。

爱因斯坦

基本力即指自然界的4种基本力：万有引力、电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力。一直以来，人们有一种朴素的愿望，世界是统一的，各种基本相互作用应该有统一的起源。包括爱因斯坦、海森堡、泡利等在内的许多著名物理学家，晚年都曾致力于统一理论的研究，但是没有取得成功。

麦克斯韦方程首先统一了电和磁两种相互作用，温伯格（1967年）和萨拉姆（1968年）在格拉肖早期工作的基础上，成功地建立了一个优美的理论，把电磁力和弱相互作用力统一起来，看作是一个单一的力——电弱力——的不同表现形式。这模型的成功加深了人类对弱作用和电磁作用本质的认识，也推动人们在规范理论基础上，把各种相互作用力统一起来的努力。在20世纪的物理学中，有两次意义重大的革命，一次是狭义相对论和广义相对论的产生，它几乎是爱因斯坦一人完成的；另一次则是量子理论的建立。经过人们的努力，量子理论与狭义相对论成功地结合成迄今为止最为成功的理论——量子场论，它帮助人们更为准确地解释这个世界。

广义相对论也得到了长足的发展，在小至太阳系，大至整个宇宙的范围里，实验观测与理论很好地结合了起来，但在一些极端条件下，引出了时空奇异，显示了理论自身的一些不完善之处。就我们现在的科学认识水平，量子场论和广义相对论是不自洽的，因此应该有一个更大的理论框架来统一量子场论和广义相对论。

基本力在黑洞研究方面起到重要作用(www.chuimin.cn)

1915年11月25日，爱因斯坦向柏林的普鲁士科学院提交了一篇题为“万有引力方程”的论文，完整地论述了广义相对论。在这篇论文中，他不仅解释了天文观测中发现的水星轨道近日点移动之谜，而且还预言：星光经过太阳会发生偏折，偏折角度相当于牛顿理论所预言的数值的两倍，但是由于第一次世界大战的爆发，导致延误了对这个数值的测定，直到1919年5月25日的日全食，才给人们提供了大战后的第一次观测机会。英国人爱丁顿抓住这一机会，奔赴非洲西海岸的普林西比岛进行了观测。同年11月6日，汤姆逊在英国皇家学会和皇家天文学会联席会议上郑重宣布：爱因斯坦所预言的结果得到了证实。假如这个预言没有被成功验证的话，相对论获得承认的时间将会继续推迟下去。

现在人们已经知道，自然界中总共4种相互作用力，除有万有引力之外的其他3种都可用量子理论来描述，电磁、弱和强相互作用力的形成是用假设相互交换量子来解释的。可是，引力的形成则完全是另一回事，爱因斯坦的广义相对论是用物质影响空间的几何性质来解释引力的。在这一图像中，弥漫在空间中的物质使空间弯曲了，而弯曲的空间决定粒子的运动。人们套用解释电磁力的方法来解释引力，将物质交换的量子称为引力子，但这一尝试涉及物理学上的许多尖端问题，因而在理论上遇到了诸多阻碍。

自从20世纪后半叶以来，有很多科学家提出了各种大统一理论，希望将4种力用一种理论统一起来，但都遇到这样或者那样的困难，其中只有弱力和电磁力的统一（称之为电弱力）较为被人们接受。用规范理论统一四种基本相互作用是一种诱人的因素，但是在前进道路上也有遭到失败的可能。相信人们会寻找新的途径去统一各种基本的相互作用，通过一系列探索、失败，再探索、再失败，不断地去发现矛盾，解决矛盾，也正是在这样的不断探索中，人类对自然界的认识在一步步地加深着。

陷入沉思的爱因斯坦

有一次，爱因斯坦搬来一架梯子，要把墙上的一幅旧画换下来。他一步一步爬上去，突然，他想起一个问题，他忘记了自己正在爬梯子，马上沉思起来，这使他从梯子上猛地摔了下来。摔到地上以后，马上想到：看来物体总是沿着阻力最小的线路运动的。要不，人为什么会笔直地掉下来呢？想到这里，爱因斯坦顾不得疼痛，马上站立起来，一瘸一拐地走到桌边，提笔把自己的这个想法记了下来。这对他正在研究的问题——相对论有很大的启发。

身边物理：20世纪力学的伟大计划和基本力

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