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第三节 大统一理论（第1页）

第三节：大统一理论

爱因斯坦在索维尔会议上的失败使其产生羞辱，也就是从那个时候开始。

爱因斯坦就着手研究“大统一理论”，试图把量子力学与相对论统一起来。

大统一理论试图将万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力统一到一个框架内，但是直到爱因斯坦1955年逝世，他也没有找到答案。他辛苦几十年几乎耗尽其后半生的梦想，虽未成功但大统一理论却激励了后人。

爱因斯坦在创建相对论时就意识到，自然科学中“统一”的概念或许是一个最基本的法则。以至于一些人认为这是爱因斯坦的一大失误。但是在爱因斯坦的哲学中，“统一”的概念深深扎根于他的思想中，他越来越确信“自然界应当满足简单性原则”。虽然“大统一理论”没有成功，可是建立统一理论的思想却始终吸引着成千上万的物理学家们。比如海森堡、泡里、惠勒、偏重于弦理论的格林、霍金等很多科学家都在致力于统一理论的研究。

现代物理认为自然界与粒子物理学中存在着四大基本作用力：引力相互作用、强力、弱力和电磁力合称四种基本相互作用，其中引力是其中最弱的一种。

世界的几种基本力理论如下：

弱电统一理论：通过希格斯机制破缺成量子电动力学，在低能极限下成为费米的弱相互作用理论。

量子色动力学：强相互作用只存在于夸克之间，夸克是禁闭的，不能被独立观测到。

希格斯机制：希格斯标量场通过取非零的真空期望值使对称性破缺，弱相互用的三种媒介玻色子（力粒子）-Z0、W+和W-通过此机制获得质量，所有费米子也通过此机制获得质量，而电磁力的媒介玻色子-光子和强力的媒介玻色子-八种胶子，仍然无质量。

支配宇宙的一个支柱是万有引力相互作用力，引力由广义相对论支配，广义相对论仍然是一个经典理论，把引力量子化仍然处于试探阶段。

万有引力

按照现代物理学，在微观粒子世界，两个质子间的电磁力相互作用远远大于引力相互作用，因此研究微观粒子间的作用时都不考虑万有引力作用的影响。一般物体之间的引力也是很小的，例如两个直径为1米的铁球，紧靠在一起时，也就相当于0。03克左右的一个小滴水的重量，相比受到地球几万牛顿的引力是非常小的。如果是两个质量都是60千克的人，相距0。5米，他们之间的相互作用还不足百万分之一牛顿，而一只蚂蚁拖动草的力是这个引力的一千倍！很多时候，物体之间的万有引力是非常小的。所以研究物体在地球引力场中的运动时，也都通常都不考虑周围其他物体的引力。

但是对于人来说，由于地球质量非常大，人被强大的地球质量吸引，产生的力量也非常大，以至于人无法摆脱地球的束缚。另外天体之间的引力，比如太阳和地球的引力就非常大，巨大的引力就能地球绕太阳转动，这是因为这些天体本身质量非常大，引力就成了支配天体运动唯一的一种力。这包括地球，恒星的形成；包括宇宙天体最后坍缩为白矮星、中子星和黑洞，目前科学家们认为是由于引力的作用，因此引力也是促使天体演化的重要因素。

万有引力的发现是十七世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地球上的物体运动的规律和天体运动的规律统一了起来，对以后物理学和天文学的发展具有深远的影响。它第一次揭示了自然界中一种基本相互作用的规律，使人类对于如何认识宇宙自然的历史树立了一座金光闪闪的丰碑。

牛顿的万有引力概念是所有科学中最实用的概念之一。牛顿认为万有引力是所有物质的基本特征，这成为大部分物理科学的理论基石。

万有引力是由于物体具有质量而在物体之间产生的一种相互作用。它的大小和物体的质量以及两个物体之间的距离有关。物体的质量越大，它们之间的引力相互作用就越大；物体之间的距离越远，它们之间的万有引力就越小。

两个可看作质点的物体之间的万有引力，可以用以下公式计算：F=GmMr2，即万有引力等于引力常量乘以两物体质量的乘积除以它们距离的平方。

其中G代表引力常量，其值约为6。67×10-11单位N·m2kg2。G为英国科学家卡文迪许通过扭秤实验测得。

十七世纪早期，人们已经能够区分很多力，比如摩擦力、重力、空气阻力等。牛顿首次将这些看似不同的力准确地归结到万有引力概念里：苹果落地、人有体重、月亮围绕地球转，所有这些现象都是由相同原因引起的。牛顿的万有引力定律简单易懂，涵盖面广。

万有引力定律是牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中首先提出的，此前牛顿经过长期的思考了。

1666年，23岁的牛顿还是剑桥大学一名三年级的学生。他身体瘦小，沉默寡言，性格严肃，这使很多人相信他还是个孩子。当时黑死病席卷了伦敦，导致很多人死亡，很多大学被迫关闭，牛顿只好返回安全的乡村，逃避瘟疫的光临。

在乡村的日子里，牛顿一直被这样的问题困惑：是什么力量驱使月球围绕地球转，地球围绕太阳转？为什么月球不会掉落到地球上？为什么地球不会掉落到太阳上？

一天瘦弱的牛顿安静地坐在姐姐的果园里，思考着天地之间的问题，这时牛顿突然听到熟悉的“咚”的一声，一只苹果落到草地上。他急忙转头观察落在地上的那些苹果，这个平常再平常的现象却给牛顿以灵感，激发这位年轻人思考一个新问题：苹果会落地，而月球却不会掉落到地球上，苹果和月亮之间有什么不同呢？

第二天早晨，牛顿看到自己小外甥正在玩小球的游戏。小外甥手上拴着一条皮筋，皮筋的另一端系着小球。他先慢慢地摇摆小球，然后越来越快，但是小球还是在手里控制着，随后外甥把小球抛出，小球从手中飞了出去。

牛顿忽然意识到月球和外甥手中小球的运动极为相像。两种力量作用于小球，这两种力量是向外的推动力和皮筋的拉力。同样，应该有两种力量作用于月球，即月球运行的推动力和重力的拉力。正是在这两种力平衡的作用下，月球才不会落到地球上。

由此牛顿推论，重力不仅仅是行星和恒星之间的作用力，还有可能是万物之间普遍存在着吸引力。由于牛顿迷信炼金术，当时牛顿掌握了一些天文观测知识，于是他深信物质之间相互吸引。这使他断言，相互吸引力不但适用于硕大的天体之间，而且适用于各种体积的物体之间。苹果落地、抛出的石块落地、行星沿着轨道围绕太阳运行都是万有引力作用的结果。

当时那个年代人们普遍认为，适用于地球的自然定律与太空中的定律大相径庭。牛顿的万有引力定律沉重打击了这一观点，它告诉人们支配自然和宇宙的法则是很简单的。

牛顿推动了引力定律的发展，指出万有引力不仅仅是星体的特征，也是所有物体的特征。作为所有最重要的科学定律之一，万有引力定律及其数学公式已成为现代整个物理学的基础。

当然，当时牛顿提出了万有引力理论，却未能精确得出万有引力的公式，因为公式中的“G”实在太小了，直到1798年英国物理学家卡文迪许做出了著名的卡文迪许实验，利用扭秤实验，测出了比较精确的引力恒数的数值。

牛顿虽然第一个提出万有引力定律，但是牛顿的贡献也与当时别人的实验及天文观测有非常大的关系的。牛顿之前，有很多天文学家在对宇宙中的星球进行观察。经过几位天文学家的观察记录，到开普勒时，他对这些观测结果进行了分析总结，得到开普勒三大定律：1。所有行星都绕太阳做椭圆运行，太阳在所有椭圆的公共焦点上。

2。行星的向径在相等的时间内扫过相等的面积。

3。所有行星轨道半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等，即R3T2=k。

开普勒三定律是不容置疑的，但为什么会这样呢？是什么让它们做加速度为零的运动？

根据天文观测，牛顿通过对于苹果掉在地上和小外甥手中转动的拴着皮筋的小球的深深思考，经过大量研究终于推出了万有引力定律。

如果没有前人的观察，牛顿就很难做出准确的万有引力定律，正如牛顿所说的他是站在巨人的肩膀上。牛顿发现万有引力定律虽然有别人的天文观测基础，但牛顿聪明勤于思考，并拥有一定的知识。在发现万有引力定律的那一段时间废寝忘食，每天魂不守舍。在食堂吃饭，饭碗在前，他在发呆。

去食堂吃饭，却走错了方向。一些老师在校园后的沙滩上散步时，看见一些牛顿留下的古怪的算式和符号。牛顿是勤奋多才的，牛顿还在在数学领域第一个发现了微积分，所以1669年，年仅27岁的牛顿，就担任了剑桥的数学教授。1672年当选为英国皇家学会的会员。