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愛因斯坦最大的遺愿!晚年研究“大統(tǒng)一理論”,為什么以失敗告終

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愛因斯坦晚年一直致力于大統(tǒng)一理論,但終其一生,也未能在大統(tǒng)一理論上有多大的建樹。

以當(dāng)代的視角來看,愛因斯坦的大統(tǒng)一之路之所以無法成功,是因?yàn)樽咂朔较颉?/p>



在物理學(xué)烏云系列,我已經(jīng)說過,解決烏云的意義就在于物理學(xué)的統(tǒng)一,直到完成萬有理論。

在具體的實(shí)踐上,就是統(tǒng)一四種基本力。

在四大基本作用力中,強(qiáng)力和弱力是最晚發(fā)現(xiàn)的,也是最陌生的兩種力。



在100年前,那時(shí)候我們認(rèn)為自然界都是由引力和電磁力控制的。畢竟這兩種力的作用范圍趨近無窮遠(yuǎn),所以在宏觀物體上的表現(xiàn)十分明顯,很容易發(fā)現(xiàn)。

在愛因斯坦晚年的時(shí)候,雖然弱力已經(jīng)被發(fā)現(xiàn),但是還沒有獲得主流學(xué)界的認(rèn)可。

愛因斯坦時(shí)代的大統(tǒng)一理論只是統(tǒng)一引力和電磁力。那時(shí)候弱力還沒有成氣候,強(qiáng)力還沒有被發(fā)現(xiàn)。

而現(xiàn)在我們說的大統(tǒng)一理論是嘗試統(tǒng)一電磁力,弱力,和強(qiáng)力的物理理論。



并非是愛因斯坦時(shí)期的大統(tǒng)一理論的延續(xù),而是另一種新理論。

愛因斯坦時(shí)期的大統(tǒng)一理論如今早已被拋棄,主要原因是引力是最難統(tǒng)一的一種力,引力是應(yīng)該被放在最后被統(tǒng)一的。正確的思路是先統(tǒng)一電磁力和弱力,然后再統(tǒng)一強(qiáng)力,最后再統(tǒng)一引力。

這種思路之所以被廣泛接受,是因?yàn)橛袃蓚€(gè)重要的支持。一個(gè)是電弱理論的成功,另一個(gè)是大爆炸模型的推斷。

在理論上,如果我們不斷加熱物體,那物體必然會(huì)分解成分子和原子的氣態(tài)混合物。



倘若再提高溫度,那原子會(huì)繼續(xù)分解成電子,中子和質(zhì)子。如果再繼續(xù)升高溫度,中子和質(zhì)子就會(huì)繼續(xù)分解成夸克,中微子這樣的基本粒子。



如果再提高溫度,比如達(dá)到普朗克溫度,則所有的基本粒子都會(huì)融合在一起,形成共同體。這時(shí)候四種基本相互作用力也就會(huì)變成同一種作用。

在量子力學(xué)中,保證物理規(guī)律成立的最低時(shí)間尺度不能低于普朗克時(shí)間,普朗克時(shí)間大約為10^-43秒。也就是說,小于普朗克時(shí)間的變化都不具備任何物理意義,所以我們才說,在物理理論中,時(shí)間的最小值就是普朗克時(shí)間??臻g的最小尺度就是普朗克長(zhǎng)度。

大爆炸模型預(yù)測(cè),宇宙中所有的粒子和四種基本作用力都起始于大爆炸之初的奇(qi)點(diǎn)。



在宇宙大爆炸的第一個(gè)瞬間,也就是在第一個(gè)普朗克時(shí)間內(nèi),宇宙溫度曾處于普朗克溫度。所有的力和物質(zhì)都是同一種事物。

當(dāng)宇宙的年齡超過第一個(gè)普朗克時(shí)間后,溫度降到10^31攝氏度,時(shí)間為10^-35秒時(shí),物理規(guī)律才開始生效,這一階段引力率先與其他三種力脫離出來

當(dāng)時(shí)間達(dá)到10^-32s時(shí),溫度降至10^26攝氏度。強(qiáng)力又脫離出來。

當(dāng)時(shí)間達(dá)到10^-12s時(shí),溫度降至10^15攝氏度,能量為100Gev。弱力和電磁力再次脫離。至此,四大基本作用力全部完成分離。

大爆炸之后的宇宙平均溫度逐步降低,引力,強(qiáng)力,弱力和電磁力依次分離開來。

逆行推理,只要我們?cè)诹W訉?duì)撞機(jī)中不斷提高粒子撞擊時(shí)的能量和溫度,就能看到電磁力率先會(huì)合并弱力,再合并強(qiáng)力,最后合并引力。



但是目前的實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)造的能量和溫度,只能夠看到弱力和電磁力的合并。還遠(yuǎn)不足以達(dá)到合并強(qiáng)力和引力的程度。

所以,現(xiàn)階段我們只能完成弱力和電磁力的統(tǒng)一,也就是電弱理論。

之后電弱理論會(huì)嘗試統(tǒng)一強(qiáng)力,最終完成大統(tǒng)一理論。

但大統(tǒng)一理論如果要統(tǒng)一引力,則人工創(chuàng)造的溫度須接近普朗克溫度,這對(duì)實(shí)驗(yàn)來說,幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。所以統(tǒng)一引力的理論需要繞開這種幾乎無法完成的實(shí)驗(yàn),重新建立新的引力嘗試統(tǒng)一引力,比如量子引力理論和超弦理論。



所以引力是最難,也是最后該被統(tǒng)一的力。

而愛因斯坦的大統(tǒng)一理論,而是直接嘗試讓電磁力和引力統(tǒng)一,其方向注定是錯(cuò)誤的。

接下來看看四大基本作用力的范圍。

我之前已經(jīng)多次強(qiáng)調(diào)過,力不可能發(fā)生超距作用,其中依靠的就是傳播子,物體之間正是因?yàn)椴粩嘟粨Q傳播子才維持了力的作用??梢哉f,沒有傳播子,力就無法發(fā)揮作用,當(dāng)然,引力這塊還在證實(shí)。



電磁力的傳播子是光子,其靜止質(zhì)量為0

強(qiáng)力的傳播子是膠子,其靜止質(zhì)量也為0

引力理論上的傳播子為引力子,其靜止質(zhì)量依舊為0。

弱力的傳播子是w玻色子和z玻色子。

w玻色子的靜止質(zhì)量為80.399 ± 0.023 GeV,而Z玻色子的靜止質(zhì)量則為91.1876 ± 0.0021 GeV。

根據(jù)不確定性原理的推導(dǎo),傳播子存在的時(shí)間Δt符合這一公式。



其中h為普朗克常數(shù),γ為洛倫茲因子,c為光速。M為傳播子的質(zhì)量。

光子,引力子和膠子的靜止質(zhì)量都為0,所以它們存在的時(shí)間接近無窮長(zhǎng)。所以電磁力,和引力的作用范圍可以趨近無限遠(yuǎn)。

而w和z玻色子由于具有較大的靜止質(zhì)量,代入公式后,就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們存在的時(shí)間極短,結(jié)合它們的速度,就可以算出w和z玻色子作用的范圍在10^-18米。這大概相當(dāng)一個(gè)質(zhì)子寬度的千分之一。



從理論上看,膠子的質(zhì)量也為0,其代表的強(qiáng)力作用范圍也應(yīng)該是無限遠(yuǎn)的,而事實(shí)上,強(qiáng)力的作用范圍僅限原子核內(nèi)質(zhì)子的長(zhǎng)度。

這主要是因?yàn)槟z子連接的夸克會(huì)形成強(qiáng)力,且具有夸克禁閉效應(yīng)。



所以膠子難以脫離夸克。但這并不是說膠子不會(huì)脫離夸克,只要能量足夠大,膠子依舊可以擺脫夸克。

而膠子一旦脫離夸克,其釋放的能量就會(huì)形成正—反夸克對(duì),新形成的正—反夸克對(duì)就是介子,其實(shí)介子就是游離與質(zhì)子和中子之間的殘余強(qiáng)力,也就是我們熟知的核力。核力負(fù)責(zé)維持原子核的穩(wěn)定。



質(zhì)子帶正電,如果沒有核力,質(zhì)子之間在電磁力的作用下就會(huì)相互排斥,正是由于核力強(qiáng)于電磁力,所以質(zhì)子才能聚合在一起形成穩(wěn)定的原子核。



在四種基本作用力中,其傳播子的靜止質(zhì)量只要為0,則傳播子的壽命不僅趨近無窮長(zhǎng),且傳播速度為光速。

光子以光速傳播電磁力,引力子以光速傳播引力(待證實(shí)),膠子以光速在夸克之間傳播強(qiáng)力。



由于夸克禁閉效應(yīng),膠子無法脫離夸克,所以強(qiáng)力被禁錮在原子核內(nèi)。

w和z玻色子由于具有靜止質(zhì)量,其壽命極短,所以弱力也被禁錮在原子核內(nèi)。

而光子和引力子沒有這樣的束縛,可以輕易突破微觀世界,抵達(dá)宏觀世界。

所以我們才說,宏觀世界的絕大部分物理現(xiàn)象都是由引力和電磁力主宰的。



強(qiáng)力和弱力之所以發(fā)現(xiàn)很晚,是因?yàn)檫@兩種力的作用尺度都在原子核內(nèi),只有當(dāng)人類發(fā)現(xiàn)了原子核,完善了量子力學(xué)后,才被發(fā)現(xiàn)。

在愛因斯坦活著的時(shí)候,量子力學(xué)還在上升期,所以那時(shí)候的大統(tǒng)一理論注定不會(huì)納入強(qiáng)力和弱力,所以從一開始,就注定了愛因斯坦的大統(tǒng)一理論是難以成功的。

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