终极理论的爱因斯坦最后的问题

如题所述

1955年4月17日是星期日,爱因斯坦从普林斯顿医院的病榻上坐起来,开始了他一生的最后一次计算。几个小时以后,20世纪最伟大的科学家去世了。他的床边放着他最后的、也是失败的一项努力,即创造自己的“统一场理论”——对于宇宙中所有已知力量的一项单一的、条理清晰的解释。
当时爱因斯坦寻求这样一项理论已经有30多年,但却没有获得成功。在他去世以后将近半个世纪的今天,他的梦想可能即将成为现实。世界上的一些最杰出的理论物理学家认为,他们瞥见了一项宏大的理论,其涵盖范围甚至远远超出爱因斯坦的想像。
寻根溯源
该理论宏大的称号和更加宏大的目标,掩盖了其在1831年夏季在一个维多利亚女王时代的实验室中的起源。当时在伦敦的皇家学会,伟大的英国物理学家迈克尔·法拉第正在研究电和磁之间的关系。他当时已经知道,电流通过导线产生磁场。他想要知道的是,相反的情况是否也是如此——磁力能够产生电吗?
在一些起步时的失败以后,他获得了成功,制造了有史以来的第一个发电机。在此过程中,法拉第发现了某种具有深远意义的事情——尽管表面现象不同,但是电和磁仅仅是同一个基本现象的不同的方面。
虽然法拉第的试验技能使他得以瞥见这一统一性,但是他缺乏揭示其全部辉煌成果所需的十分重要的智力工具:数学。1861年,苏格兰理论家詹姆斯·麦克斯韦成功地把法拉第的发现转换成数学语言。其成果就是现在著名的麦克斯韦电磁方程组。这些方程阐明了电与磁实质上的统一性。
虽然这是一项杰出的成就,但是它回避了一个明显的问题——宇宙的这种统一性是否包括各种力当中人们所最熟悉的引力呢?这正是爱因斯坦在1915年发表自己完全新颖的引力设想——称为“广义相对论”——以后不久开始应对的挑战。
但是他很快就发现,这一难题比他所想像的要难得多。第一个重大障碍是找到一条把广义相对论、他自己的引力理论和麦克斯韦的方程结合成为一个统一的模式的途径。根据广义相对论,引力是我们周围的空间与时间的物质结构本身扭曲的结果。与此形成对照,麦克斯韦的方程则把电磁力看作一种穿越四维领域流动的“力场”。
1919年,爱因斯坦认识到可以统一这两项截然不同理论的一条重大线索。当时德国数学家卡卢扎证明了有一系列方程能够把这两项理论综合起来,但是只有在宇宙包含一个额外的第五维情况下才能做到。
这种观点的确令人震惊,但是它是否并不仅仅是一种好奇的想法呢?这额外的一维在哪里?1926年,瑞典数学家克莱恩提出了一项答案。他认为,它也许卷曲成太小的形状,以致无法察觉,就像一根头发过于窄小,以致看起来似乎只有一维。
虽然爱因斯坦的直觉使他确信它很重要,但是他无法把卡卢扎和克莱恩的发现转变成自己所寻求的引力和电磁力的统一理论——始终存在尚未解决的零星问题或者滑稽的结果,他还尝试了另外一些方法,但是效果同样欠佳。在爱因斯坦忙于解决自己的统一场理论的同时,人们发现了两种更基本的力——把原子核相互连接起来的所谓的核强力,以及造成放射性的核弱力。更加糟糕的是,这两种力可以用“信使”粒子传导的理论来完美解释——而这与爱因斯坦对引力的看法大相径庭。
然而令人难以置信的是,爱因斯坦对卡卢扎和克莱恩想法的看重最终被证明是正确的——尽管其证明方式就连爱因斯坦自己理解起来也会很吃力。
最后的局外者:引力
理论家们发现,超对称剔除了这些亚原子粒子之间表面上的所有差别,以揭示其基本的统一性。但是他们还发现,它为他们提供了有关万物终极理论的另外一项更加具有深远意义的线索——这一线索暗示怎样才能把大一统场理论的超力与惟一剩下来的局外者引力相统一。
一些理论家当时已经尝试了利用量子场理论让引力参加进来。这些大胆的尝试当中最有希望的全都包括超对称,以及额外的维——恰恰是这一想法在半个世纪以前使爱因斯坦着迷。他们所缺乏的是某种将会把引力与其它的力相统一,而又不会释放出数学“妖魔”的重要成分。这种成分是一种十分大胆的、就连爱因斯坦也不敢想像的东西——超弦。
1984年,加利福尼亚理工学院的约翰·施瓦茨和伦敦大学的迈克尔·格林等理论家的成果使同行震惊,他们宣布能够把引力与其它的力统一起来,而又不会遇到通常的问题。惟一的条件是,粒子不再被看作仅仅是点,而是称为超弦的极小的物体。这些像线一样的物体要比原子核小得多,它们还必须拥有超对称性(因而成为“超弦”),并且存在于10维之中。
这是一项惊人的断言,促使大批理论家纷纷对超弦进行进一步的研究。虽然只能有一种万物终极理论,但是理论家们提出的超弦理论却足足有5种,而且没有任何明确的方法能够在它们之间做出选择。超弦似乎仅仅是某种更加宏大的东西的一个影子。
力的统一
由于爱因斯坦已赴黄泉,他统一引力与电磁的努力也被扔进了垃圾堆。人们的注意力转向统一电磁力和新近发现的核弱力。20世纪20年代,物理学家们认为自己已经发现了做到这一点的方法,即运用所谓的量子场理论。
根据这一理论,每种基本作用力都有自己特殊的信使粒子。50年代物理学家们开始探索电磁力的携带者(光子)和核弱力的携带者(W粒子)之间的相似之处。查明这些相似之处不是简单的事情——主要由于W粒子与无质量的光子相比,不知要重多少倍。但是到60年代末,三位理论家——美国的温伯格和格拉肖以及英国的萨拉姆——已经独立地制订了理论,表明这两种力实际上仅仅是单独一种电弱力的不同的方面。更加美妙的是,这种统一使得人们预言到一些新的现象,并且有可能通过试验来检验。70年代当这些预言开始得到证实的时候,物理学家们欢欣鼓舞——物理学自一个世纪多以前麦克斯韦取得突破以后又一次成功实现统一。
到此时,哈佛大学的格拉肖已经开始寻找揭示力的基本统一性的其它途径。1973年,他发现了把电磁力、核弱力和核强力统一起来的一个数学公式。它称为“大统一理论”(GUT),开辟了有关自然界的基本作用力的广阔视野,认为所有这三种力都曾经是一种在大爆炸刚刚结束的时候统治着宇宙的单一的“超力”的一部分。随着宇宙冷却下来,它们分裂开来,从而创造了我们今天所看到的宇宙。
这一理论再一次做出了预言,但是这回对这些预言加以证实是比较困难的。理论家们于70年代初发现的“超对称”是一项把构成物质的粒子——譬如电子和质子——与携带着力的粒子——譬如光子——统一起来的数学特性。

温馨提示:答案为网友推荐,仅供参考
第1个回答  2021-05-01

在霍金去世前,他曾写过一本书《大问题的简答》。霍金在此书中用10个章节,提出了10个困扰人类的终极问题,然后针对这些问题给出了答案。今天我们就来看看,霍金的这10个终极问题是什么和他是如何解答的。

第2个回答  2021-08-04
大统一理论公式
现在,人们发现微观粒子之间仅存在四种相互作用力,它们是万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力.宇宙间所有现象都可以用这四种作用力来解释.进一步研究四种作用力之间联系与统一,寻找能统一说明四种相互作用力的理论称为大统一理论.
爱因斯坦在提出相对论以后,从20年代开始就致力于寻找一种统一的理论来解释所有相互作用,也就是解释一切物理现象,直到他1955年逝世.他几十年的努力虽未成功,但却激励了后人.
地球膨裂说认为,要想搞清大统一理论公式,必须首先搞清为什么万有引力公式和库仑力公式中的常数G和K互换万有引力和库仑力相等
要想搞清这一问题,必须搞清万有引力就是磁力。现代科学证明:“任何物质都具有磁性,所以任何物质在不均匀磁场中都会受到磁力的作用”{1}。科学家们现已测出:“星际空间磁感应强度为10^-10(T)、原子核表面约10^12(T)、中子星表面 约10^8(T)、人体表面 3×10^(-10) (T){2}” 。连人体表面磁感应强度都 3×10^-10 (T),这说明铅球和苹果也必然具有磁力,所以苹果坠地并不是被万有引力吸落的,而是被地球磁力吸落的。因此万有引力是不存在的,万有引力就是磁力。
我们以原子核和电子间的万有引力和库仑力对万有引力公式和库仑力公式中的常数G和K互换万有引力和库仑力相等进行验证。
我们知道:G=6.67×10^-11、原子核质量为1.67×10^-27、电子质量为9.1×10^-31、原子核的电荷q1=1.6×10^-19、电子的电荷q2=1.6×10^-19、K=9.0×10^9。
常数G和K互换后原子核和电子间的库仑力G q1q2/r^2=6.67×10^-11×1.6×10^-19×1.6×10^-19=1.7×10^-48/r^2;
常数G和K互换后原子核和电子间万有引力KMm/r^2=9.0×10^9×1.67×10^-27×9.1×10^-31 =1.36×10^-47/r^2。
因为原子不显电性(磁性)电子和原子核的距离的正常距离,和原子显电性(磁性)电子和原子核的的超正常距离二者的差别非常小,所以差别可以乎略不计。
因此,常数G和K互换后的原子核和电子间的库仑力与常数G和K互换后原子核和电子间的万有引力二者基本相等。因此说库仑力就是万有引力就是磁力。
我们从G=6.67×10^-11、星际空间磁感应强度为10^-10(T),二者基本相等可以看出万有引力常数G就是星际空间磁感应强度;我们从K=9.0×10^9、原子核表面磁场强度约10^12(T)二者基本相等,可以看出库仑力常数K就是原子核表面磁场强度。因此计算万有引力和库仑力时,用的万有引力公式GMm/r^2和库仑力公式Kq1q2/r^2中的常数G和K应该换成磁场强度。
为什么计算原子核和电子间的万有引力和库仑力时,万有引力公式和库仑力公式中的常数G和K应该互换呢?地球膨裂说认为,原子之所以不显电性(磁性)是因为电子和原子核的距离是正常距离,因为原子核和电子都有磁性,原子核和电子间的距离是正常距离,因此,原子和电子之间的磁场强度应为原子核表面磁场强度约10^12(T)。原子之所以显电性(磁性)是因为流动的电子数量会受外界作用增多或减小,这样宏观反映为带电体,流动的电子和原子核的距离超出正常距离,所以原子核和流动电子之间的磁场强度应为星际空间磁感应强度为10^-10(T)。
因此,求宏观中的万有引力公式中的常数G应为空间磁感应强度;求微观中的万有引力公式中的常数G应为原子核表面磁场强度;求宏观中库仑力公式中的常数K应为原子核表面磁场强度,求微观中库仑力公式中的常数K应为星际空间磁感应强度。因此宏观中的磁场强度和微观中的磁场强度正好相反,万有引力和库仑力公式中的磁场强度正好相反。
因为宏观中的磁场强度和微观中的磁场强度正好相反,因此计算原子核和电子间的万有引力和库仑力时,用的万有引力公式GMm/r^2和库仑力公式Kq1q2/r^2中的常数G和K应该互换。
为什么万有引力公式GMm/r^2和库仑力公式Kq1q2/r^2只适用于宏观,万有引力公式KMm/r^2和库仑力公式Gq1q2/r^2只适用于微观呢?这是因为万有引力公式GMm/r^2和库仑力公式Kq1q2/r^2是在宏观条件下求得的,宏观中的磁场强度和微观中的磁场强度正好相反,所以只适用于宏观。
地球膨裂说认为,既然万有引力就是库仑力,万有引力就是磁力,所以库仑力也是磁力,这就是大统一理论。只要把万有引力公式F=GMm/r^2中的常数G换成磁场强度B(可变量),F=BMm/r^2就是大统一理论公式。因为微观和宏观中的库仑力等于常数互换后的万有引力,所以只要测出两个带电体的质量,求库仑力求常数互换后的万有引力就可以了。
参考文献:
{1}、百度搜索:百度百科,磁性。磁性概述:因为任何物质都具有磁性,所以任何物质在不均匀磁场中都会受到磁力的作用。
{2}、百度搜索:磁感应强度,4量纲,(单位:T),原子核表面 约10^12;中子星表面 约10^8;星际空间 10^(-10);人体表面 3*10^(-10)。
作者:赖柏林本回答被网友采纳
相似回答