爱因斯坦虚度的30年人生,是20世纪科学界最大的遗憾

小小怪 2022-06-1703:03:40名人评论10阅读模式

爱因斯坦是继阿基米德、牛顿之后有一位伟大的科学家,他提出的相对论可以说是 20 世纪最伟大的成果,相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化,它们共同奠定了现代物理学的基础。相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的常识性观念,提出了同时的相对性、四维时空、弯曲时空等全新的概念。

然而爱因斯坦最伟大的成就几乎都在 1920 年之前完成,之后再无惊世的成果,很多人都说爱因斯坦沉迷于神学之中,其实并不是,爱因斯坦是继续沿着麦克斯韦的路,想要完成宇宙大一统。

我们曾说评选全世界最伟大的两位物理学家,那么牛顿爱因斯坦将毫无疑问入选,一个人构建了宏观世界的力学体系,一位带我们进入了微观世界,探索这茫茫宇宙。而连接这两位的,毫无疑问是麦克斯韦,他是旧时代的终结者,也是新时代的开创者。

他建立的电磁场理论,将电学、磁学、光学统一起来,是19世纪物理学发展的最光辉的成果,也是物理史上的第一次大一统,可以说没有麦克斯韦,就没有现代文明。

据说剑桥某位物理学家有一次恭维爱因斯坦说:你站在了牛顿的肩上,爱因斯坦却回答:不,我是站在麦克斯韦的肩上!

爱因斯坦一生的科研之路就是在走麦克斯韦未走完的路,狭义相对论显然是为了解决麦克斯韦电磁理论与经典力学的矛盾才得以建立的,而广义相对论则是前面思想之延续。而其耗尽半生精力研究的统一场论,也是以统一引力场和电磁场为目标,实现物理史的第二次大一统。

场论的概念同样是起源于麦克斯韦的电磁场理论,麦克斯韦电磁场理论的核心概念是场,在某种空间区域,其中具有一定性质的物体能对与之不相接触的类似物体施加一种力,这就是场。那么一个带电物体对其他带电物体施加一种力(吸引力或排斥力,取决于极性)。磁体周围有磁场。

磁场

因为受宏观场存在形式的影响(不涉及分子、原子、电子等内部结构或机制,麦克斯韦的时代物理研究还没有深入微观领域)麦克斯韦电磁场理论对场的认识还是模糊的,停留在以场论场阶段,电力线和磁力线所描述的只是电场和磁场的宏观性质,并没有阐明场的性质和起源。

不过,麦克斯韦的电磁场理论统一了电和磁的作用,它是历史上第一个几种相互作用的统一理论。使当时许多物理学家得以从牛顿超距观念的束缚中摆脱出来,开始接受电磁作用和引力作用都是近距作用的观念。

后来物理学家将它放在微观领域之中,当一个电荷移动时,另一个电荷并不会立刻感应到。第一个电荷会感应到一个反作用力,并获得动量,但第二个电荷则没有感应,直到第一个电荷移动的影响以光速传递到第二个电荷那里,并给予其动量之后。那在第二个电荷移动前,动量就藏在场中。那么就这样就解释了电磁场的存在。后来场的概念成为整个现代物理的范式。

在狭义相对论中,爱因斯坦断言:自然界根本没有传到电磁波的媒介,电磁场自身就是媒介,爱因斯坦提出场在某一时空区域的特定状态,既没有电磁辐射也没有物质粒子。也就是所谓真空。爱因斯坦表示,场是物质存在的空间。表现为物质时空环境中各种因素的相互作用。

在此基础上,爱因斯坦把场的观点引进引力理论而创立了广义相对论。广义相对论引发了早已统一场论的研究热潮。

因为在广义相对论中引力场被描述为时空的弯曲,再加上当时知道的基本相互作用只有引力作用和电磁作用。所以无数科学家想成为继麦克斯韦之后,成为下一个完成大一统的人。

比如外尔从爱因斯坦广义相对论的对称性得到启发,意识到了电磁场的麦克斯韦方程也应当像爱因斯坦场方程一样,对应于一种基本的对称性,外尔建立了一种叫做标度不变性的对称变换,以统一引力和电磁力为目标,从对称观点出发,立足于规范不变。虽然并没有完成统一引力和电磁作用的宏大目标,但是催生了规范场论。

到了 30 年代,因为迟迟无法实现引力和电磁作用的大一统,再加上量子力学不断得到实证,许多物理学家纷纷转向研究量子力学,所以对于统一场论的研究便逐渐衰弱,早已统一场论的研究对物理的影响不大, 但是对微分几何的发展具有重大推动作用。

但是爱因斯坦并没有放弃,从 20 年代开始,他一直致力于统一场论的研究,在获得诺贝尔奖之后,爱因斯坦就曾说过两种场(指引力场和电磁场)互相独立的存在不能令寻求统一的心灵满意我们寻找数学上的统一场论,其中引力场与电磁长只是同一个场的不同分量。!

我们知道,爱因斯坦的广义相对论利用黎曼几何描述引力场取得了非常突出的成就,他采用弯曲时空的黎曼几何来描述引力场, 给出引力场中的物理规律, 进而提出引力场方程。

爱因斯坦认为既然引力场可以用黎曼几何来描述,那么肯定会有一种新的几何来完成引力与电磁作用的统一。

他在 1929 年发表了《关于统一场论》的新论文,这篇论文试图在时空流形除了具有黎曼度规外还具有绝对平行性的条件下去获得引力和电磁力的统一理论。当时爱因斯坦自己对这篇论文颇为自豪,他在 1929 年 1 月 5 日曾写信给他的挚友 M.贝索,认为引力与电磁作用的统一工作已经大功告成。

然而情况并没有如爱因斯坦预料一般,引力与电磁力的统一并没有取得实质性的进展。后来爱因斯坦又转向研究卡鲁查-克莱因理论,卡鲁查是早期统一场论研究的代表人物,T.卡鲁查和O.克莱因把电磁势当作五维时空度规张量的部分分量,他并不是像爱因斯坦思考那样,建立新的几何理论去统一引力与电磁作用,而是把黎曼几何从 4 维 推广到 5维。革命性地提出了高维空间的概念。

爱因斯坦从 1931 年到 1941 年花费了 10 年的时间想从卡鲁查-克莱因理论入手,但是都没有成功。这时候,爱因斯坦已经在统一场论耗费了近 20 年的时间,他在 1945 年又《相对论性引力论的一种推广》, 他认为这尝试是符合逻辑的,但是在物理检验上存在困难。

这个时候的爱因斯坦除了继续与哥本哈根学派玻尔的论战之外,偶尔也探索引力波与相对论方程,比如 1952 年发表了《相对论和空间问题》。可以说大部分时间都花费在统一场论之中。

这实在是令人惋惜,当时哥本哈根学派的量子力学理论很多都已经得到了实验上的论战,然而爱因斯坦对于哥本哈根学派对于量子力学的诠释还是处于针锋相对状态。而且统一场论研究这个时候早已不再物理界研究主流之内,爱因斯坦在人生后 20 年在物理学界非常孤立。

1955 年 4 月 18 日,爱因斯坦去世,他耗费半生精力研究的统一场论以失败告终。如果这三十年时间,爱因斯坦将精力花费在其他研究之上,那么对于物理学界的推动将会是多少巨大。

细论爱因斯坦为什么会在统一场论中失败,因为当时知道的基本相互作用只有引力作用和电磁作用。弱相互作用在 30 年代才有费米理论提出,把弱相互作用看做是一种参与作用的四个粒子(如中子衰变中的中子、质子、电子和中微子)之间的点相互作用,而且当时对于弱相互作用的概念还十分模糊。

直到 1954 年,杨振宁和米尔斯独辟蹊径,不再局限于统一引力与电磁力,而是想从弱相互作用和电磁力入手,他们在外尔的基础上,把电磁作用是由定域规范不变性所决定的观念,推广到不可对易的定域对称群。揭示出规范不变性可能是电磁作用和其他作用的共同本质,从而开辟了用规范原理来统一各种相互作用的新途径。杨振宁完善了规范场论,物理学界正式从爱因斯坦统一场的研究转变为规范场论,成为物理学的新趋势,规范场后来被很多人认为最有可能实现统一四大力。

杨*米尔斯方程

后来,李政道、杨振宁、吴健雄等证明了弱作用的宇称不守恒和CP不守恒之后,物理学家们考虑建立一个基于量子场论的弱相互作用理论。美国科学家格拉肖最早提出用规范场的方法,将电磁作用与弱作用统一到一个数学框架中,1968 年 温伯格、萨拉姆在格拉肖电弱统一模型的基础上建立了电弱统一的完善理论,他们理论在多次试验中得到证实,电弱统一理论已经是一个得到实验相当严格检验的科学理论。

而四大基本相互作用中的强相互作用提出已经是在 1973 年了,当时关于电磁力的电磁场理论早已发展为量子电动力学、而强作用有量子色动力学、弱作用有费米点作用理论。格拉肖在电弱统一理论的基础上,将三者结合统一成描述弱、电、强三种相互作用的大一统理论。人们还将规范场论延展,成功为电磁作用、弱相互作用和强相互作用及组成所有物质的基本粒子提供了一个统一的数学形式化架构——标准模型。这套理论精确地表述了自然界的三种基本力的实验预测,它是一个规范群为SU(3) × SU(2) × U(1)的规范场论。

标准模型下的基本粒子

所以说,为什么爱因斯坦没有完成统一场论,因为太超越于时代了,当时四大基本相互作用中强力还没有被提出,弱力的概念还不明确,爱因斯坦因为相对论的原因又选择了其中最难的——引力,作为出发点。要知道,标准模型发展到现在,依然还没有描述引力。并且相比于电弱统一理论,标准模型的大一统还远远称不上成熟,仅仅是将其放置于一个理论框架之中。

另外,爱因斯坦和合作者都是从几何角度从发,较多考虑了物质的时空特性,忽略了物质的量子性,以及对许多实验数据视而不见,再加上他对于哥本哈根学派的量子理论并不接受,没有吸收量子场论的理论成果,总是试图将电磁场几何化,将电磁场和引力场建立成一种几何场,这都是导致爱因斯坦失败的原因。

不管怎么样,爱因斯坦执着探索的精神值得我们学习,但是如果他把这 30 年光阴用在其他研究领域,或者接受哥本哈根学派的量子力学诠释,对量子力学进行重新研究,以爱因斯坦的智慧,如今的物理学界是不是会大变样呢?

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