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愛因斯坦宇宙大一統公式簡單解釋

圖文 更新时间:2024-08-31 12:20:51

愛因斯坦,無疑是上世紀最偉大的物理學家,他在20世紀初相繼提出了著名的狹義和廣義相對論。

愛因斯坦宇宙大一統公式簡單解釋(尋找統一四種基本作用力的宇宙真理)1

狹義相對論是在兩大前提下提出來的:相對性原理和光速不變原理。按照狹義相對論诠釋,時間和空間不再獨立存在,而是有機的整體,兩者是相輔相成的,簡稱“時空”。

狹義相對論強調的四維時空是以“闵可夫斯基四維時空”為框架。四維時不再是絕對一成不變的,而是動态的。比如說,對于宇宙中發生的一件事來講,兩個處于不同參照系下觀察這件事發生的時間可能是不一樣的,這就是“同時的相對性”。

愛因斯坦宇宙大一統公式簡單解釋(尋找統一四種基本作用力的宇宙真理)2

不過,狹義相對論是建立在慣性系基礎上的,慣性系通俗來講就是“靜止或勻速直線運動狀态”。但現實世界是不存在這種參照系的,因為引力還有其他作用力無處不在。

于是在狹義相對論的基礎上,愛因斯坦把引力加進來,提出“引力質量與慣性質量等效”,把慣性系擴展到所有參照系,創建了更加普适的廣義相對論。

愛因斯坦宇宙大一統公式簡單解釋(尋找統一四種基本作用力的宇宙真理)3

廣義相對論認為,引力的本質其實就是彎曲,任何有質量的物體都可以造成時空的彎曲。數學表達形式與狹義相對論不一樣,表現形式為黎曼幾何。

除了引力,自然界中還存在其他基本作用力,比如說最常見的電磁力,還有微觀世界的強力和弱力。

偉大的麥克斯韋用他近乎完美的麥克斯韋方程組诠釋了電和磁其實是同一回事,統一了電和磁,提出了電磁力。之後,愛因斯坦開始走向了統一引力和電磁力的漫長之旅。

著名數學家希爾伯特曾經寫信給愛因斯坦,告訴他:從數學表達來看,引力和電磁力應該是一種力。

愛因斯坦宇宙大一統公式簡單解釋(尋找統一四種基本作用力的宇宙真理)4

愛因斯坦要尋找的五維時空

愛因斯坦也下定決心,一定要通過某種方式統一引力和電磁力,他堅信兩種基本力之間可以通過某種橋梁連接起來。他試圖将黎曼幾乎中的四維時空與電磁場聯系在一起,創建五維時空,但直到去世的那一天,都沒能完成。

期間科學家又發現了其他兩種基本作用力:強力和弱力。幸運的是,科學家很快統一了除引力之外的其他三種基本作用力。

愛因斯坦宇宙大一統公式簡單解釋(尋找統一四種基本作用力的宇宙真理)5

在這個過程中誕生了量子場論,科學家創建了标準粒子模型,認為基本作用力的傳遞都是通過“玻色子”來完成的,比如說弱力的傳播子是中間玻色子,電磁力的傳播子是光子,而強力的傳播子是膠子,三者都是玻色子。

至此,電磁力,弱力和強力完成了統一,科學家找到了三種基本作用力的工作機制。

遺憾的是,另一種基本作用力,引力仍舊沒有被納入标準模型中來,就是因為科學家始終沒有發現引力的傳播子:引力子。目前提出的引力子概念是科學家假設出來的。

愛因斯坦宇宙大一統公式簡單解釋(尋找統一四種基本作用力的宇宙真理)6

假設沒有問題,科學發展的過程本來就是先假設一個概念,一個理論,然後通過實驗進行驗證。

但幾十年過去了,直到今天仍舊沒能在實驗中發現引力子的存在。不得不說,這是一大遺憾,不僅僅是愛因斯坦的遺憾,他窮其半生都沒有能完成,更是整個物理學界的遺憾。

愛因斯坦宇宙大一統公式簡單解釋(尋找統一四種基本作用力的宇宙真理)7

不過遺憾歸遺憾,科學家并沒有放棄尋找引力子。或許根本就不存在所謂的引力子,但在尋找引力子的過程中,科學家并不會一無所獲,如果他們發現沒有引力子,意味着會有其他更大的發現。

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