"為什么愛(ài)因斯坦*后三十年似乎一無(wú)所獲？他晚年所追求的“統(tǒng)一理論”到底是什么？科學(xué)牛人們?cè)谖锢韺W(xué)統(tǒng)一大業(yè)上都做了哪些努力？人類未來(lái)會(huì)創(chuàng)造一個(gè)放之四海而皆準(zhǔn)的“萬(wàn)物之理”嗎？
二十世紀(jì)初物理界的兩場(chǎng)革命，帶給了我們相對(duì)論和量子理論。如今，物理學(xué)需要新一輪的革命，將兩者結(jié)合統(tǒng)一在一起。這種微觀和宇觀的統(tǒng)一，是否能為物理學(xué)以及其他科學(xué)的統(tǒng)一之路，開(kāi)辟出一條新的路徑？相信科學(xué)家們將繼續(xù)努力，讓我們期待欣賞大自然更高一層次的“簡(jiǎn)約之美”！"
本書簡(jiǎn)介：
愛(ài)因斯坦逝世后，物理學(xué)家們?cè)谶@條統(tǒng)一路上，又走過(guò)了一個(gè)甲子的歷程。六十年的風(fēng)風(fēng)雨雨，點(diǎn)點(diǎn)滴滴，理論物理學(xué)家們作了些什么？統(tǒng)一之路如今走到了哪里？前途如何？本書作者從介紹牛頓力學(xué)、量子力學(xué)開(kāi)始，到數(shù)學(xué)中的群論、對(duì)稱守恒原理，再介紹標(biāo)準(zhǔn)模型、規(guī)范理論、量子場(chǎng)論、費(fèi)曼路徑積分、費(fèi)曼圖等等，讓讀者對(duì)理論物理中的“統(tǒng)一”大框架，特別是主流物理界公認(rèn)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，有一個(gè)基本認(rèn)識(shí)。最后，也探討一下統(tǒng)一理論與大爆炸宇宙學(xué)、暗物質(zhì)、暗能量的關(guān)系，以及標(biāo)準(zhǔn)模型的困難和局限，簡(jiǎn)要地介紹包括弦論、M理論、弦網(wǎng)等概念，讓讀者不僅領(lǐng)略到理論的美妙，科學(xué)家的追求，也體會(huì)到科學(xué)研究的艱辛，激勵(lì)年輕人對(duì)探索自然規(guī)律的愿望和好奇心，踏進(jìn)科學(xué)的大門。
作者簡(jiǎn)介：
張?zhí)烊兀破兆骷�，美�?guó)得克薩斯州奧斯汀大學(xué)理論物理博士，現(xiàn)住美國(guó)芝加哥。研究課題包括廣義相對(duì)論、黑洞輻射、費(fèi)曼路徑積分、毫微微秒激光、集成電路EDA軟件等。發(fā)表專業(yè)論文三十余篇。2012年開(kāi)始，出版一系列科普著作，其文風(fēng)深入淺出，趣味盎然，亦保持科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，深得讀者喜愛(ài)。是第六版《十萬(wàn)個(gè)為什么》物理卷參編者之一。已出版科普讀物：《蝴蝶效應(yīng)之謎：走近分形與混沌》《世紀(jì)幽靈：走近量子糾纏》《電子，電子！誰(shuí)來(lái)拯救摩爾定律？》《上帝如何設(shè)計(jì)世界：愛(ài)因斯坦的困惑》《數(shù)學(xué)物理趣談：從無(wú)窮小開(kāi)始》。
目錄：
引言：物理理論的簡(jiǎn)約之美第一篇：從牛頓到愛(ài)因斯坦1.統(tǒng)一路上話牛頓2.法拉第和麥克斯韋的忘年交3.時(shí)間空間成一統(tǒng)4.慣性、引力、與幾何5.突破維數(shù)的疆界6.外爾-蘇黎世一只孤獨(dú)的狼
第二篇：奇妙的量子世界1.普朗克放出量子精靈2.薛定諤的緊箍咒3.“不確定”的海森堡4.哥本哈根的靈魂5.狄拉克玩數(shù)學(xué)6.泡利-上帝的鞭子7.自旋的奧秘8.造物者的靈符9.費(fèi)曼的游戲10.粒子和場(chǎng)
第三篇：對(duì)稱和群論1. 少年天才創(chuàng)群論2. 奇妙的旋轉(zhuǎn)3. 何謂“李代數(shù)”4. 數(shù)學(xué)才女論守恒5. 對(duì)稱破缺之謎
第四篇：粒子動(dòng)物園1. 追尋世界的本源2. 從煉金術(shù)到周期率3. 原子模型4. 粒子家族大爆炸5. 基本粒子知多少
第五篇：標(biāo)準(zhǔn)模型1. 規(guī)范理論之誕生2. 楊-米爾斯理論3. 上帝是個(gè)左撇子？4. 俘獲上帝粒子5. 弱電同道6. 夸克世界五彩繽紛
第六篇：大爆炸、統(tǒng)一論、及其它1. 觀察時(shí)間的起點(diǎn)2. 世界為什么是這個(gè)樣？3. 暗物質(zhì)和暗能量的啟示4. 群星燦爛5. 頑固的引力6. 輪椅上的奇跡7. 威滕的菲爾茨獎(jiǎng)8. 期待革命"
前言"引言：物理理論的簡(jiǎn)約之美
愛(ài)因斯坦解釋了光電效應(yīng)，提出兩個(gè)相對(duì)論之后，便開(kāi)始了他對(duì)統(tǒng)一場(chǎng)論的研究。大有“躲進(jìn)小樓成一統(tǒng)，管他冬夏與春秋”之勢(shì)，這一“統(tǒng)”就是三十余年，到死方休。愛(ài)因斯坦將其后半生獻(xiàn)給了物理學(xué)中這場(chǎng)“統(tǒng)一之夢(mèng)”，然而，他為此獨(dú)自?shī)^斗30余年卻未得其果。
盡管統(tǒng)一場(chǎng)論一詞始于愛(ài)因斯坦，但其思想?yún)s是始于麥克斯韋和法拉第的電磁場(chǎng)理論。事實(shí)上，如果略去“場(chǎng)論”二字，只談理論之統(tǒng)一，那就應(yīng)該追溯到牛頓的年代了。"引言：物理理論的簡(jiǎn)約之美
愛(ài)因斯坦解釋了光電效應(yīng)，提出兩個(gè)相對(duì)論之后，便開(kāi)始了他對(duì)統(tǒng)一場(chǎng)論的研究。大有“躲進(jìn)小樓成一統(tǒng)，管他冬夏與春秋”之勢(shì)，這一“統(tǒng)”就是三十余年，到死方休。愛(ài)因斯坦將其后半生獻(xiàn)給了物理學(xué)中這場(chǎng)“統(tǒng)一之夢(mèng)”，然而，他為此獨(dú)自?shī)^斗30余年卻未得其果。盡管統(tǒng)一場(chǎng)論一詞始于愛(ài)因斯坦，但其思想?yún)s是始于麥克斯韋和法拉第的電磁場(chǎng)理論。事實(shí)上，如果略去“場(chǎng)論”二字，只談理論之統(tǒng)一，那就應(yīng)該追溯到牛頓的年代了。愛(ài)因斯坦逝世后，物理學(xué)家們?cè)谶@條統(tǒng)一路上，又走過(guò)了一個(gè)甲子的歷程。六十年的風(fēng)風(fēng)雨雨，點(diǎn)點(diǎn)滴滴，理論物理學(xué)家們作了些什么？統(tǒng)一之路如今走到了哪里？前途如何？本書作者從介紹牛頓力學(xué)、量子力學(xué)開(kāi)始，到數(shù)學(xué)中的群論、對(duì)稱守恒原理，再介紹標(biāo)準(zhǔn)模型、規(guī)范理論、量子場(chǎng)論、費(fèi)曼路徑積分、費(fèi)曼圖等等，讓讀者對(duì)理論物理中的“統(tǒng)一”大框架，特別是主流物理界公認(rèn)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，有一個(gè)基本認(rèn)識(shí)。最后，也探討一下統(tǒng)一理論與大爆炸宇宙學(xué)、暗物質(zhì)、暗能量的關(guān)系，以及標(biāo)準(zhǔn)模型的困難和局限，簡(jiǎn)要地介紹包括弦論、M理論、弦網(wǎng)等概念，讓讀者不僅領(lǐng)略到理論的美妙，科學(xué)家的追求，也體會(huì)到科學(xué)研究的艱辛，激勵(lì)年輕人對(duì)探索自然規(guī)律的愿望和好奇心，踏進(jìn)科學(xué)的大門。物理學(xué)中的統(tǒng)一路，實(shí)際上追求的是一種簡(jiǎn)約之美。把復(fù)雜的事情簡(jiǎn)單化，是一種本領(lǐng)和智慧。簡(jiǎn)約并不簡(jiǎn)單，大智若愚，大道至簡(jiǎn)，用簡(jiǎn)去繁，以少勝多。中國(guó)清代有位書畫家鄭板橋，被稱為“揚(yáng)州八怪”之一，在書齋中掛了一幅自寫的對(duì)聯(lián)，題曰：“刪繁就簡(jiǎn)三秋樹(shù)，領(lǐng)異標(biāo)新二月花”，以此表明他的書法及文學(xué)理念，主張以最簡(jiǎn)練清晰的筆墨，不同凡響的思想，表現(xiàn)出最豐富的內(nèi)容。物理學(xué)家的“統(tǒng)一”，是要統(tǒng)一些什么？歸納起來(lái)有三個(gè)方面：一是物理規(guī)律的統(tǒng)一；二是物質(zhì)本源的統(tǒng)一；三是相互作用的統(tǒng)一。統(tǒng)一的意思就是使事物簡(jiǎn)單化。從多變少，由少歸一，便謂之統(tǒng)一。因而，物理學(xué)家所追求的簡(jiǎn)單化、統(tǒng)一化，聽(tīng)起來(lái)與鄭板橋追求的書畫筆墨及文字之“簡(jiǎn)約”，同出一轍。兩者實(shí)質(zhì)上也就是所謂“奧卡姆剃刀”原則的變換說(shuō)法，同屬“簡(jiǎn)約之美”。奧卡姆不是人名，是英格蘭的一個(gè)村莊。14世紀(jì)時(shí)那兒出了一位叫威廉的邏輯學(xué)家。此人流傳下來(lái)的東西不多，唯有這一句話膾炙人口：“Entitiesshouldnotbemultipliedunnecessarily”�？捎弥形膶⑵浞g成一段八字格言：“如無(wú)必要，勿增實(shí)體”。意思是說(shuō)，刪除一切沒(méi)必要的多余“實(shí)體”，留下最少的。對(duì)于理論物理，這一原理最好的表述是：當(dāng)你面對(duì)著導(dǎo)致同樣結(jié)論的兩種理論，選擇那個(gè)最簡(jiǎn)單的，實(shí)體最少的！物理統(tǒng)一理論中的實(shí)體，可被理解為基本規(guī)律、粒子、和作用力。也就是說(shuō)，統(tǒng)一，就是用最少數(shù)目的物理規(guī)律來(lái)描述自然現(xiàn)象；用最少數(shù)目的“不可分割基本粒子”來(lái)構(gòu)成所有的物質(zhì)；用最少種類的“力”來(lái)描述物質(zhì)之間的相互作用，這才符合奧卡姆剃刀原則，符合簡(jiǎn)約之美！牛頓曾經(jīng)感嘆地說(shuō)過(guò)：“我能計(jì)算天體運(yùn)行的軌道，但無(wú)法計(jì)算人類的瘋狂”奧卡姆剃刀原則也許難以描述多變的社會(huì)現(xiàn)象及復(fù)雜的人性，但將其用于科學(xué)中的優(yōu)越性卻毋庸置疑。幾百年來(lái)，這一原理在科學(xué)上得到了廣泛應(yīng)用，從牛頓的萬(wàn)有引力到愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，再到如今的標(biāo)準(zhǔn)模型，漫長(zhǎng)延綿的統(tǒng)一路上，奧卡姆剃刀已經(jīng)成為重要的科學(xué)思維理念。然而，物理學(xué)中的統(tǒng)一理論，即用以描述物質(zhì)世界的“最少數(shù)目”的標(biāo)準(zhǔn)，是隨著時(shí)間而變化的�？茖W(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)手段不斷改進(jìn)和發(fā)展，各種理論得以建立和完善，我們對(duì)大自然的理性認(rèn)識(shí)也深入到不同的層次。這一切，使得在科學(xué)發(fā)展的不同歷史時(shí)期，會(huì)有不同意義下的不同“統(tǒng)一理論”，它們猶如在一條曲折流逝的河流中，一定位置出現(xiàn)的一片片平靜的港灣。河流總是從這些港灣和支流，不斷地吸取精華，沉淀糟粕，川流不息，奔向大海。牛頓的力學(xué)定律加萬(wàn)有引力，毫無(wú)疑問(wèn)地是物理學(xué)中第一個(gè)“統(tǒng)一理論”。牛頓之前的物理學(xué)，已經(jīng)有了許多獨(dú)立的、貌似互不相關(guān)的物理定律。伽利略發(fā)現(xiàn)了慣性原理，還從著名的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)證實(shí)了自由落體所遵循的規(guī)律。開(kāi)普勒在研究第谷提供的大量實(shí)驗(yàn)及觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，提出了行星運(yùn)動(dòng)三定律�；莞购秃耍�(dāng)時(shí)在力學(xué)、光學(xué)、等多個(gè)領(lǐng)域也都有所建樹(shù)。然而，是牛頓第一個(gè)認(rèn)識(shí)到這些零零落落的孤立定律之間深刻的內(nèi)在聯(lián)系。他將這些分散的“支流”匯總在一起，完成了物理學(xué)上的第一次理論統(tǒng)一。與那些“孤立”定律不同的是，牛頓三大定律所描述的是“所有”物體在力的作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這兒的物體，可以是地面上的沙粒，也可以是宇宙中的天體。牛頓用鋒利的奧卡姆剃刀，將物體的大小、形狀、質(zhì)地、軟硬之類不重要的具體性質(zhì)通通砍去，只留下一個(gè)質(zhì)量m。因此，所有的物體都變成了一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，它們?cè)诹Φ淖饔孟拢挤贤瑯拥倪\(yùn)動(dòng)規(guī)律。場(chǎng)論的思想，則始于麥克斯韋和法拉第的電磁場(chǎng)理論。法拉第在進(jìn)行并記錄了大量電磁實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了“場(chǎng)”的概念。精通數(shù)學(xué)的麥克斯韋，希望用微分方程來(lái)描述和總結(jié)這些實(shí)驗(yàn)規(guī)律。開(kāi)始時(shí)，麥克斯韋面對(duì)著20多個(gè)方程式，其中包括由庫(kù)侖、高斯、法拉第、安倍等人研究總結(jié)的各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還包括電介質(zhì)的性質(zhì)，各種電磁現(xiàn)象的規(guī)律等等。麥克斯韋大刀闊斧地?fù)]舞奧卡姆剃刀，剃去冗余重復(fù)的部分，加上必要的新概念，最后將它們高度凝聚提煉簡(jiǎn)化為四個(gè)對(duì)稱而漂亮的矢量方程式，將電、磁、光三者“統(tǒng)一”于一個(gè)經(jīng)典場(chǎng)中。后來(lái)，愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論，將時(shí)間和空間的概念，統(tǒng)一于一個(gè)四維的時(shí)空框架，時(shí)間和空間不再是絕對(duì)而單獨(dú)的存在，而是被洛倫茨變換互相聯(lián)系在一起的整體。從狹義相對(duì)論的時(shí)空概念，就能得到尺收縮、鐘變慢的結(jié)論，與以太中的洛侖茲理論得到的結(jié)論一致，那么，以太的“實(shí)體”于此是多余的，因此，它被愛(ài)因斯坦用奧卡姆剃刀無(wú)情地剃去。愛(ài)因斯坦留下兩條他認(rèn)為必要的實(shí)體：相對(duì)性原理和光速不變，建立了狹義相對(duì)論。再后來(lái)，他將相對(duì)性原理擴(kuò)展，用等效原理將引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量等同起來(lái)，將引力效應(yīng)與時(shí)空幾何統(tǒng)一起來(lái)，建立了廣義相對(duì)論。物理學(xué)的一次又一次的進(jìn)展，原來(lái)都是和一次又一次的“統(tǒng)一”聯(lián)系在一起，難怪愛(ài)因斯坦最后要將其半生的努力獻(xiàn)給統(tǒng)一大業(yè)。在愛(ài)因斯坦剛建立廣義相對(duì)論的年代，弱相互作用和強(qiáng)相互作用尚未登場(chǎng)。愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)對(duì)前景應(yīng)該是頗為樂(lè)觀的，他也許想，電磁力和引力是如此相像：它們同樣是遠(yuǎn)程起作用（上世紀(jì)30年代開(kāi)始，就有了對(duì)近程起作用的、現(xiàn)在稱之為“弱相互作用”的描述），都符合距離的平方反比率，只要能將電磁力融入廣義相對(duì)論的引力框架中，不就大功告成，統(tǒng)一起來(lái)了嗎？愛(ài)因斯坦幾十年大統(tǒng)一夢(mèng)的努力以失敗而告終。以現(xiàn)在如筆者這樣的馬后炮觀點(diǎn)看起來(lái)，愛(ài)因斯坦至少有兩點(diǎn)缺失：一是低估了萬(wàn)有引力“桀驁不馴”的本性，二是選錯(cuò)了道，企圖用經(jīng)典場(chǎng)論，而不是量子場(chǎng)論來(lái)構(gòu)建統(tǒng)一理論。也就是說(shuō)，愛(ài)因斯坦忽略了更深入研究他自己參與創(chuàng)建的量子理論，也更忽略了量子理論后來(lái)幾十年的發(fā)展。當(dāng)然，人們可能會(huì)說(shuō)，從量子場(chǎng)論出發(fā)的這條統(tǒng)一之路不也仍然是困難重重，尚未打通么？的確是這樣，但是大多數(shù)的物理學(xué)家們認(rèn)為這是一條正確的道路，也是一條無(wú)法回避的道路。試想，一個(gè)物理學(xué)的大統(tǒng)一理論可以不包括已經(jīng)發(fā)展驗(yàn)證超過(guò)百年的量子理論么？即使我們尚不知道這條道路的終點(diǎn)在何時(shí)，但堅(jiān)持走下去必將在歷史上留下痕跡，也許是彎曲迂回的痕跡，但將來(lái)仍然是“有跡可尋”的。當(dāng)年，量子力學(xué)中有了薛定諤方程和海森堡的矩陣力學(xué)，萬(wàn)有引力有了愛(ài)因斯坦的場(chǎng)方程，電磁作用有經(jīng)典的麥克斯韋方程組。三套馬車分道揚(yáng)鑣、各行其是，的確應(yīng)該將它們統(tǒng)一在一個(gè)單一的數(shù)學(xué)框架中，這是理論物理學(xué)家們喜歡玩的游戲。量子力學(xué)的誕生和引力的幾何化，是當(dāng)年物理界觸目驚心的兩大革命，經(jīng)典電磁學(xué)呢，在成功建立了麥克斯韋理論的基礎(chǔ)上，正在忙忙碌碌地走向應(yīng)用。它造就了數(shù)不清的專利和許多杰出的工程師，揭開(kāi)了電氣工程中輝煌的一頁(yè)。對(duì)二十世紀(jì)初期的物理界而言，大多數(shù)理論朝著完善和推廣量子力學(xué)的方向發(fā)展，風(fēng)云激蕩的時(shí)勢(shì)，造出了一個(gè)又一個(gè)的量子英雄，諾貝爾在天國(guó)里也只好忙著發(fā)獎(jiǎng)給這些對(duì)他聞所未聞的奇怪理論作出貢獻(xiàn)的科學(xué)家們。與電磁和量子領(lǐng)域非凡熱鬧的氣氛相比較，廣義相對(duì)論便顯得孤獨(dú)多了，它在默默地等待著天文學(xué)中更精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證資料。三組理論并非全無(wú)關(guān)系，在解決具體物理問(wèn)題時(shí)，有時(shí)候三者都需要考慮。但是，它們畢竟有它們自己的用武之地：量子理論適宜探索微觀世界；廣義相對(duì)論在宇宙中長(zhǎng)袖善舞；電磁理論則成功地服務(wù)于人類的衣食住行。還有一件人們不應(yīng)該忘記的大事，是與物理學(xué)的兩大革命密切相關(guān)的，那就是在1945年8月6日，于日本廣島爆炸的第一顆原子彈。這次爆炸傷及了十幾萬(wàn)無(wú)辜的生命，造成的后患難以數(shù)計(jì)，使得愛(ài)因斯坦后悔當(dāng)年上書羅斯福促成制成原子彈一事。盡管如此，當(dāng)時(shí)第一顆原子彈的技術(shù)畢竟是被同盟國(guó)所掌握，它的爆炸加速了日本的投降、二戰(zhàn)的結(jié)束，否則，世界歷史，中國(guó)歷史，也許都要被改寫了。從物理學(xué)史的觀點(diǎn)來(lái)回顧上世紀(jì)初物理界這兩大革命理論，量子力學(xué)象征著現(xiàn)代物理的開(kāi)始，而相對(duì)論則代表了經(jīng)典理論的結(jié)束。愛(ài)因斯坦統(tǒng)一之夢(mèng)失敗的原因之一，恐怕正是因?yàn)樗麑⒔?jīng)典的尾巴抓得太牢了，因而擋住了一部分他觀察現(xiàn)代物理龍頭的視線。愛(ài)因斯坦始終不能接受測(cè)不準(zhǔn)原理等不同于經(jīng)典現(xiàn)象的量子規(guī)律，盡管他扮演的的老頑固角色對(duì)量子力學(xué)的發(fā)展也起到了正面推動(dòng)的作用，但是，參與反推和參與正推總是有所不同的。記得著名的物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主史蒂芬溫伯格對(duì)愛(ài)因斯坦曾經(jīng)有過(guò)一句非常精辟的評(píng)論。原話記不清了，其大意是說(shuō)，愛(ài)因斯坦所犯的最大錯(cuò)誤不是他自己認(rèn)為的“在場(chǎng)方程中引入了宇宙常數(shù)”，而是在于他成為了他自己的理論成就的“囚徒”。他癡迷于他的廣義相對(duì)論的物理數(shù)學(xué)之美中，想用這個(gè)經(jīng)典理論一統(tǒng)天下，包括統(tǒng)一他不接受的量子理論。但這在事實(shí)上是不可能的，事實(shí)上，量子理論的出現(xiàn)是一場(chǎng)比廣義相對(duì)論更為深刻的革命，因?yàn)樗隽私?jīng)典思想的牢籠，走出了一條不確定性和決定性融合在一起的現(xiàn)代物理之路。一個(gè)成功的物理大統(tǒng)一理論必定要建立在量子理論的基礎(chǔ)上。因此，本書作者在第二篇中簡(jiǎn)要地?cái)⑹隽肆孔游锢淼陌l(fā)展歷史和基本概念，帶領(lǐng)讀者了解量子力學(xué)的創(chuàng)建過(guò)程，從科學(xué)家的物理思想及趣聞?shì)W事中，也同時(shí)深入探測(cè)微觀世界、體會(huì)領(lǐng)略神奇的量子現(xiàn)象。物理理論的建立少不了數(shù)學(xué)，為了理解物理中的統(tǒng)一理論，一定的數(shù)學(xué)知識(shí)是必要的。實(shí)際上，理論物理和數(shù)學(xué)互相滲透融合在一起，彼此促進(jìn)，相輔相成。在本書中，作者盡量避免寫出數(shù)學(xué)公式，而是代之以通俗的語(yǔ)言，描述艱深的數(shù)學(xué)概念，諸如群論、李群、李代數(shù)、對(duì)稱、守恒、生成元、自發(fā)對(duì)稱破缺等等，作者通過(guò)深入淺出的描述和恰到好處的比喻，將這些數(shù)學(xué)名詞與日常生活的種種經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，令讀者耳目一新。世界的本源是什么？這是從希臘時(shí)代開(kāi)始，哲學(xué)家和科學(xué)家們就不停追溯和思考的難題。對(duì)此類問(wèn)題的探索關(guān)系到兩個(gè)方面：構(gòu)成物質(zhì)的基本磚塊有哪些？這些磚塊之間的作用力又有哪些？說(shuō)穿了，物理學(xué)中尋求的統(tǒng)一理論的本質(zhì)，就是要尋求統(tǒng)一這些基本磚塊及其相互作用的理論。大家在中學(xué)物理及化學(xué)中，已經(jīng)接觸過(guò)的分子結(jié)構(gòu)、原子模型、質(zhì)子、中子、電子、以及元素周期表等等，是在原子（分子）層次的統(tǒng)一理論。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，人類對(duì)物質(zhì)本源的認(rèn)識(shí)已經(jīng)深入到更下一個(gè)層次�？茖W(xué)家們制造了大型加速器，利用快速運(yùn)動(dòng)粒子之間的碰撞來(lái)產(chǎn)生新粒子，也從浩瀚無(wú)邊的宇宙中發(fā)現(xiàn)和捕獲未知粒子。清點(diǎn)各種粒子，其種類已經(jīng)有好幾百種。這其中，哪些算是“基本”的？哪些是由基本粒子構(gòu)成的？如何將粒子動(dòng)物園中的各種“動(dòng)物”分門別類？這是本書在第四篇中將介紹的內(nèi)容。物理學(xué)家們從上世紀(jì)80年代開(kāi)始建立的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，是統(tǒng)一路上的一個(gè)重要成果。標(biāo)準(zhǔn)模型建立在楊-米爾斯規(guī)范場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上，將目前物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰磕軌蜻_(dá)到的微觀世界最小層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和相互作用，統(tǒng)一于61種基本粒子。該理論所預(yù)言的數(shù)種粒子在實(shí)驗(yàn)中均被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，2012年最后發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子，為這個(gè)理論貼上了一個(gè)醒目的標(biāo)簽。本書第五篇，便在敘述楊-米爾斯理論的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)單介紹標(biāo)準(zhǔn)模型。一波未平，一波又起�，F(xiàn)有的基本粒子尚未被統(tǒng)一，宇宙學(xué)的領(lǐng)域又傳來(lái)了新的信息。原來(lái)我們能探測(cè)到的物質(zhì)種類，只占宇宙中所有物質(zhì)成分的百分之四點(diǎn)九。其余的屬于我們對(duì)其性質(zhì)幾乎完全無(wú)知的暗物質(zhì)和暗能量。這些“暗貨”到底是些什么？如何將它們統(tǒng)一在我們的物理理論中？天文學(xué)和宇宙學(xué)的實(shí)驗(yàn)觀察數(shù)據(jù)，既給我們提出了挑戰(zhàn)，也有可能向我們展現(xiàn)克服困難的玄機(jī)。作者在第六篇中，探索大爆炸開(kāi)始的短暫時(shí)刻，4種相互作用如何分離。微觀和宇觀的結(jié)合，是否能為物理學(xué)的統(tǒng)一之路，開(kāi)辟新的捷徑？盡管標(biāo)準(zhǔn)模型取得了一定的成功，但也發(fā)現(xiàn)它與少量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不相符合。并且，它將引力拋棄在外，因此人們并不認(rèn)為它能夠作為將來(lái)所謂“終極理論”的候選者。那么，除了標(biāo)準(zhǔn)模型之外，還有哪些主要的理論呢？物理學(xué)家為了統(tǒng)一引力，作了哪些努力？統(tǒng)一大業(yè)將何去何從？在本書的最后幾節(jié)，作者將對(duì)弦論、M理論、引力量子化、弦網(wǎng)等略微介紹。上世紀(jì)初物理界的兩場(chǎng)革命，帶給了我們相對(duì)論和量子理論。如今，物理學(xué)需要新一輪的革命，將兩者結(jié)合統(tǒng)一在一起。這種微觀和宇觀的統(tǒng)一，是否能為物理學(xué)以及其他科學(xué)的統(tǒng)一之路，開(kāi)辟出一條新的路徑？相信科學(xué)家們將繼續(xù)努力，讓我們期待欣賞大自然更高一層次的“簡(jiǎn)約之美”！愛(ài)因斯坦30年如一日的統(tǒng)一夢(mèng)，即使未成正果，也精神可嘉。愛(ài)因斯坦留給后人的遺產(chǎn)，有前半生大膽創(chuàng)建物理理論的思想光輝，也有后半生不折不撓追求統(tǒng)一的奮斗精神。愛(ài)因斯坦超人的物理直覺(jué)，和對(duì)數(shù)學(xué)思想的異常敏感，造就他成為一代偉人。在后半生探索統(tǒng)一場(chǎng)論的過(guò)程中，愛(ài)因斯坦對(duì)物理和數(shù)學(xué)的觀念發(fā)生了一些微妙的變化�；蛟S是因?yàn)槔杪鼛缀沃谝碚摰闹匾越o他的沖擊太大，印象太深刻了；也有可能是他對(duì)自己的物理直覺(jué)太過(guò)于自信了，以為不需要多想，那種直覺(jué)自然而然就在那里。總之，在后來(lái)幾十年的研究中，他似乎不再像原來(lái)建立兩個(gè)相對(duì)論時(shí)那樣深究物理概念，提出革命思想，而是轉(zhuǎn)而企圖以幾何出發(fā)來(lái)將廣義相對(duì)論拓展到電磁場(chǎng)�？墒呛苓z憾，這種從數(shù)學(xué)走向物理的想法沒(méi)有使他成功。愛(ài)因斯坦太鐘愛(ài)廣義相對(duì)論，抵制量子論，以至于他在1950年評(píng)價(jià)物理學(xué)領(lǐng)域中的成果時(shí)說(shuō)：“基礎(chǔ)物理理論需要一開(kāi)始就在基本概念上與廣義相對(duì)論一致，否則在我看來(lái)都是注定會(huì)失敗的�！笨上�(ài)因斯坦這次的預(yù)言不準(zhǔn)確，并且，他未成統(tǒng)一大業(yè)便駕鶴西去了。如今，不知遠(yuǎn)在天國(guó)的他是否已經(jīng)注意到量子理論這幾十年的成功，還是仍然像1950年那樣，對(duì)量子理論與廣義相對(duì)論的水火不容而耿耿于懷。種種說(shuō)不清的原因，使愛(ài)因斯坦最后30余年的科學(xué)努力，似乎一無(wú)所獲，沒(méi)有得到什么對(duì)現(xiàn)代物理研究來(lái)說(shuō)值得一提的結(jié)果。不可否認(rèn)，愛(ài)因斯坦是一個(gè)偉人，但畢竟100余年過(guò)去了，他的許多理論我們?nèi)栽谑褂茫木薮蟮纳碛�，與他堅(jiān)持不懈的經(jīng)典統(tǒng)一夢(mèng)，卻都漸行漸遠(yuǎn)，漸遠(yuǎn)漸淡，逐漸遠(yuǎn)離我們，慢慢地消失在歷史無(wú)情的歲月里。物理學(xué)家對(duì)統(tǒng)一理論的追求，只不過(guò)表明了探索大自然更深一層秘密的愿望和決心。有誰(shuí)會(huì)真正相信，用一個(gè)“萬(wàn)能公式”，或是一個(gè)“萬(wàn)有理論”，就解決了所有的問(wèn)題呢？求統(tǒng)一的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)更多的多元化和“不統(tǒng)一”，在不統(tǒng)一的世界中又不斷顯現(xiàn)共同的、統(tǒng)一的特征，愛(ài)因斯坦的統(tǒng)一夢(mèng)后繼有人，但統(tǒng)一之路永無(wú)止境！引言：物理理論的簡(jiǎn)約之美
愛(ài)因斯坦解釋了光電效應(yīng)，提出兩個(gè)相對(duì)論之后，便開(kāi)始了他對(duì)統(tǒng)一場(chǎng)論的研究。大有“躲進(jìn)小樓成一統(tǒng)，管他冬夏與春秋”之勢(shì)，這一“統(tǒng)”就是三十余年，到死方休。愛(ài)因斯坦將其后半生獻(xiàn)給了物理學(xué)中這場(chǎng)“統(tǒng)一之夢(mèng)”，然而，他為此獨(dú)自?shī)^斗30余年卻未得其果。盡管統(tǒng)一場(chǎng)論一詞始于愛(ài)因斯坦，但其思想?yún)s是始于麥克斯韋和法拉第的電磁場(chǎng)理論。事實(shí)上，如果略去“場(chǎng)論”二字，只談理論之統(tǒng)一，那就應(yīng)該追溯到牛頓的年代了。愛(ài)因斯坦逝世后，物理學(xué)家們?cè)谶@條統(tǒng)一路上，又走過(guò)了一個(gè)甲子的歷程。六十年的風(fēng)風(fēng)雨雨，點(diǎn)點(diǎn)滴滴，理論物理學(xué)家們作了些什么？統(tǒng)一之路如今走到了哪里？前途如何？本書作者從介紹牛頓力學(xué)、量子力學(xué)開(kāi)始，到數(shù)學(xué)中的群論、對(duì)稱守恒原理，再介紹標(biāo)準(zhǔn)模型、規(guī)范理論、量子場(chǎng)論、費(fèi)曼路徑積分、費(fèi)曼圖等等，讓讀者對(duì)理論物理中的“統(tǒng)一”大框架，特別是主流物理界公認(rèn)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，有一個(gè)基本認(rèn)識(shí)。最后，也探討一下統(tǒng)一理論與大爆炸宇宙學(xué)、暗物質(zhì)、暗能量的關(guān)系，以及標(biāo)準(zhǔn)模型的困難和局限，簡(jiǎn)要地介紹包括弦論、M理論、弦網(wǎng)等概念，讓讀者不僅領(lǐng)略到理論的美妙，科學(xué)家的追求，也體會(huì)到科學(xué)研究的艱辛，激勵(lì)年輕人對(duì)探索自然規(guī)律的愿望和好奇心，踏進(jìn)科學(xué)的大門。物理學(xué)中的統(tǒng)一路，實(shí)際上追求的是一種簡(jiǎn)約之美。把復(fù)雜的事情簡(jiǎn)單化，是一種本領(lǐng)和智慧。簡(jiǎn)約并不簡(jiǎn)單，大智若愚，大道至簡(jiǎn)，用簡(jiǎn)去繁，以少勝多。中國(guó)清代有位書畫家鄭板橋，被稱為“揚(yáng)州八怪”之一，在書齋中掛了一幅自寫的對(duì)聯(lián)，題曰：“刪繁就簡(jiǎn)三秋樹(shù)，領(lǐng)異標(biāo)新二月花”，以此表明他的書法及文學(xué)理念，主張以最簡(jiǎn)練清晰的筆墨，不同凡響的思想，表現(xiàn)出最豐富的內(nèi)容。物理學(xué)家的“統(tǒng)一”，是要統(tǒng)一些什么？歸納起來(lái)有三個(gè)方面：一是物理規(guī)律的統(tǒng)一；二是物質(zhì)本源的統(tǒng)一；三是相互作用的統(tǒng)一。統(tǒng)一的意思就是使事物簡(jiǎn)單化。從多變少，由少歸一，便謂之統(tǒng)一。因而，物理學(xué)家所追求的簡(jiǎn)單化、統(tǒng)一化，聽(tīng)起來(lái)與鄭板橋追求的書畫筆墨及文字之“簡(jiǎn)約”，同出一轍。兩者實(shí)質(zhì)上也就是所謂“奧卡姆剃刀”原則的變換說(shuō)法，同屬“簡(jiǎn)約之美”。奧卡姆不是人名，是英格蘭的一個(gè)村莊。14世紀(jì)時(shí)那兒出了一位叫威廉的邏輯學(xué)家。此人流傳下來(lái)的東西不多，唯有這一句話膾炙人口：“Entitiesshouldnotbemultipliedunnecessarily”。可用中文將其翻譯成一段八字格言：“如無(wú)必要，勿增實(shí)體”。意思是說(shuō)，刪除一切沒(méi)必要的多余“實(shí)體”，留下最少的。對(duì)于理論物理，這一原理最好的表述是：當(dāng)你面對(duì)著導(dǎo)致同樣結(jié)論的兩種理論，選擇那個(gè)最簡(jiǎn)單的，實(shí)體最少的！物理統(tǒng)一理論中的實(shí)體，可被理解為基本規(guī)律、粒子、和作用力。也就是說(shuō)，統(tǒng)一，就是用最少數(shù)目的物理規(guī)律來(lái)描述自然現(xiàn)象；用最少數(shù)目的“不可分割基本粒子”來(lái)構(gòu)成所有的物質(zhì)；用最少種類的“力”來(lái)描述物質(zhì)之間的相互作用，這才符合奧卡姆剃刀原則，符合簡(jiǎn)約之美！牛頓曾經(jīng)感嘆地說(shuō)過(guò)：“我能計(jì)算天體運(yùn)行的軌道，但無(wú)法計(jì)算人類的瘋狂”奧卡姆剃刀原則也許難以描述多變的社會(huì)現(xiàn)象及復(fù)雜的人性，但將其用于科學(xué)中的優(yōu)越性卻毋庸置疑。幾百年來(lái)，這一原理在科學(xué)上得到了廣泛應(yīng)用，從牛頓的萬(wàn)有引力到愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，再到如今的標(biāo)準(zhǔn)模型，漫長(zhǎng)延綿"1.觀察時(shí)間的起點(diǎn)
從遠(yuǎn)古時(shí)代起，人類就開(kāi)始了對(duì)天體運(yùn)行及宇宙起源的探索和思考，無(wú)論是西方舊約中的上帝創(chuàng)世紀(jì)，還是中國(guó)神話中的盤古開(kāi)天地，都將天地宇宙描述成是處于永恒的運(yùn)動(dòng)和變化之中。既然宇宙并非靜止不變，那么，它是否有一個(gè)起點(diǎn)和終點(diǎn)？它是如何演化成我們現(xiàn)在所觀察到的這種形態(tài)的？100多年前，大多數(shù)宇宙學(xué)家們認(rèn)為宇宙是均勻而各向同性、沒(méi)有開(kāi)始沒(méi)有結(jié)束。但是，1929年天文學(xué)家哈勃的觀測(cè)事實(shí)改變了人們的觀點(diǎn)，證明我們的宇宙正在膨脹。所有的星系都在遠(yuǎn)離我們而去，星系和星團(tuán)間彼此的距離在不斷增大�？茖W(xué)家們根據(jù)所觀測(cè)到的宇宙膨脹數(shù)據(jù)，認(rèn)為宇宙起源于大約137億年之前的一次大爆炸，那時(shí)候，宇宙中的所有質(zhì)量都集中在一個(gè)幾何尺寸很小的“原生原子”上，我們現(xiàn)在所感受到的時(shí)間和空間結(jié)構(gòu)，包括我們?nèi)祟愖陨�，就是從這個(gè)“奇點(diǎn)”爆炸而產(chǎn)生的。大爆炸理論并不完善。但它是迄今為止能夠解釋更多的天文現(xiàn)象而被物理學(xué)家天文學(xué)家普遍接受的宇宙演化理論。本書介紹的物理學(xué)統(tǒng)一理論，與宇宙學(xué)中的“大爆炸”理論又有什么關(guān)系呢？?jī)烧呖雌饋?lái)好像迥然不同，研究對(duì)象的尺度更是天壤之別。統(tǒng)一理論研究的大多數(shù)是微觀世界的規(guī)律：量子力學(xué)、量子場(chǎng)論，基本粒子，相互作用，是往微觀方向深入發(fā)展下去。而宇宙學(xué)研究的是天文數(shù)字級(jí)別的星球、星系、宇宙演化，宇觀尺度的事物。大爆炸理論，也只是一個(gè)假說(shuō)，即使是真實(shí)的，也是發(fā)生在130億年之前的事情，和我們現(xiàn)在進(jìn)行的物理統(tǒng)一理論怎么能聯(lián)系到一塊兒呢？出乎人們意料之外，這兩件事情的確是緊密相連的。可以將我們的“統(tǒng)一之路”用能量級(jí)別畫出來(lái)，可知能量越高越走向統(tǒng)一，這也就是人類為什么要花費(fèi)非常昂貴的經(jīng)費(fèi)來(lái)建造速度越來(lái)越高的加速器的原因，因?yàn)槟鞘且粭l能夠帶領(lǐng)我們探索自然走向統(tǒng)一的“高能”公路。大自然是如此奇妙，巨大浩渺的宇宙，居然是起源于一個(gè)小得不能再小的奇點(diǎn)！而現(xiàn)在，理論物理學(xué)家們奔向統(tǒng)一孜孜以求的目標(biāo)，正是指向那個(gè)奇點(diǎn)，指向萬(wàn)物之本源--時(shí)間的起點(diǎn)。我們的現(xiàn)代加速器技術(shù)，所具有的能量級(jí)別還很低，比發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的位置稍高一點(diǎn)。人類也許自以為發(fā)現(xiàn)了很多大自然的奧秘，現(xiàn)代科技如此發(fā)達(dá)，統(tǒng)一理論應(yīng)該指日可待了，看了這張圖之后，你可能才恍然大悟，原來(lái)我們還差得很遠(yuǎn)�。∥覀兙嚯x大統(tǒng)一理論及量子引力時(shí)代，的確還差得很遠(yuǎn)。并且中間還隔著一段漫長(zhǎng)的未知“沙漠”。那沙漠中會(huì)有些什么呢？不探索是不知道的，即使有人弄出一個(gè)理論，預(yù)言了沙漠中的秘密，也仍然需要實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。因此，人類仍然孜孜不倦地思考、工作，提高加速器的能量，發(fā)現(xiàn)更多的粒子，探索那一大片新沙漠。不過(guò)，話說(shuō)回來(lái)，沒(méi)有任何人造的粒子加速器能比得過(guò)大自然的力量。我們所追求的目標(biāo)-能量極大的統(tǒng)一高能公路的終點(diǎn)，實(shí)際上就是宇宙之初，時(shí)間的起點(diǎn)。根據(jù)宇宙學(xué)的大爆炸理論，宇宙是由一個(gè)密度極大溫度極高的太初狀態(tài)演變而來(lái)的。在大爆炸開(kāi)始的最初幾分鐘內(nèi)，已經(jīng)生成質(zhì)子、中子、中微子等，合成了某些原子核。差不多走到了我們現(xiàn)在高能技術(shù)的水平。那么，多研究一些宇宙爆炸早期發(fā)生的事情，統(tǒng)一理論將會(huì)受益匪淺。因此，有時(shí)也將大爆炸理論成為宇宙學(xué)中的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。讀者可能會(huì)想，大爆炸已經(jīng)發(fā)生了137億年之久，人們常說(shuō)，機(jī)不可失，時(shí)不再來(lái)，過(guò)去了的就永遠(yuǎn)過(guò)去了。我們又如何去抓回那遙遠(yuǎn)過(guò)去的大爆炸的那短短一瞬間呢？我們現(xiàn)在所看到的，是爆炸發(fā)生了137億年之后的宇宙啊！上面的說(shuō)法不全對(duì)，我們現(xiàn)在看到的，只是爆炸發(fā)生了137億年之后的宇宙嗎？不僅僅是這樣。要知道，光線傳到我們地球上，是需要時(shí)間的。地球距離太陽(yáng)是8分鐘的光程，光線從太陽(yáng)傳到地球需要8分鐘的時(shí)間。也就是說(shuō)，我們看到的太陽(yáng)是它8分鐘之前的樣子。八分鐘很短，太陽(yáng)的變化可能不大，我們不會(huì)因此而感到大驚小怪。但是，如果考慮一個(gè)距離我們很遠(yuǎn)的星系，那就不能小看這個(gè)差別了。我們太陽(yáng)系所在的的銀河系，有一個(gè)比它大好幾倍的鄰居，叫做仙女座星系，據(jù)說(shuō)是勉強(qiáng)肉眼可見(jiàn)的最遠(yuǎn)星系。2005年，天文學(xué)家測(cè)定它離地球的距離大約為250萬(wàn)光年。那就是說(shuō)，我們觀察到這個(gè)星系的形態(tài)已經(jīng)是它250萬(wàn)年之前的樣子了。換個(gè)角度來(lái)說(shuō)，如果在這個(gè)星系中有某一個(gè)高等生物觀察我們地球的話，他絕對(duì)看不見(jiàn)我們地球上如此發(fā)達(dá)的文明社會(huì)，他觀察到的應(yīng)該是250萬(wàn)年之前的地球，頂多可能看到幾個(gè)原始人吧。因此，我們觀測(cè)到的天體越遙遠(yuǎn)，我們便可能窺探到越古老的過(guò)去。通過(guò)觀察遙遠(yuǎn)的星系，我們有可能研究星系，以至宇宙，最早期的形成過(guò)程。此外，大爆炸之后發(fā)生的許多現(xiàn)象，也在現(xiàn)在的宇宙中留下一些蛛絲馬跡。微波背景輻射就是最典型的例子。物理學(xué)家認(rèn)為，微波背景輻射是大爆炸后38萬(wàn)年左右那段時(shí)間遺留下來(lái)的輻射熱，是來(lái)自宇宙初期的“最古老的光”。對(duì)這種“背景光”的研究和測(cè)量，給予我們很多宇宙早期的信息。近些年被天文學(xué)家們觀測(cè)到并確認(rèn)存在的暗物質(zhì)和暗能量，使人們困惑，但也是大自然提供給我們的重要信息，對(duì)這兩類未知物質(zhì)的探索、研究、直到最后破解，必將使我們?cè)诮y(tǒng)一的大道上邁進(jìn)一大步。
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