新学期第一课：一文读完百年物理学史

　　本文经授权转载自微信公众号「新原理研究所」（ID：newprincipia）

　　1921年，在爱因斯坦（Albert Einstein） 的协助下，卡鲁扎（Theodor Kaluza） 的论文终于发表。这是一篇关于物理学统一的论文。

　　卡鲁扎的想法非常吸引人。当时，已知有四维时空，即三维空间和一维时间，他设想如果宇宙中还存在第五个维度，那么他就可以将爱因斯坦新提出的引力理论——广义相对论和麦克斯韦（James Clerk Maxwell） 的电磁理论统一起来。换句话说，他尝试将两种基本力——引力和电磁力统一在一起！

　　统一，是物理学的主要目标。 在过去的几个世纪里，物理学家一直在努力将各种不同的自然现象统一到单一的理论框架中。每当物理学家发现两种看似完全不同的事物，其实只是同一事物的两面时，都会带来巨大的科学飞跃。这样惊动人心的时刻，在卡鲁扎的尝试之前已经发生过几次。

　　物理学的第一次伟大的统一要回到1687年，牛顿（Isaac Newton） 在经历多年的思考之后，终于出版了巨著《自然哲学的数学原理》。他在书中提出了运动定律、万有引力定律，以及从这些定律推导出的各种各样的结果。牛顿深刻地意识到，使苹果或其他物体落到地面的物理定律和支配行星绕着太阳旋转的定律是一样的，从而实现了天与地的统一。

　　到了19世纪，物理学界其实发生了两次惊人的统一。

　　第一次鲜为人知，它发生在1830年代。当时，哈密顿（William Rowan Hamilton） 通过在费马原理和莫佩尔蒂原理之间建立数学等价，统一了光学和力学。在那个时代，这看起来并没有什么。但50年后，哈密顿的思想为统计力学奠定了基础；近100年后，它成了量子力学的核心。

　　第二次伟大的统一众所周知，它来自麦克斯韦。1860年代，麦克斯韦统一了物理学的三个领域——电、磁和光。此外，他还在统计力学的发展中发挥了关键作用，为未来量子力学的发展铺平了道路。麦克斯韦对物理学所作出的贡献通常被认为仅次于牛顿和爱因斯坦[1]

　　19世纪末，是经典物理学的黄金年代。一些物理学家甚至认为当时已知的所有物理现象，都可以被现有理论解释。

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　　然而，这种自满并没有维持多久，物理学就迎来了天翻地覆的革命。

　　牛顿力学对自然进行了极好的描述，但它并不是普遍有效的，尤其是当我们谈论极快和极小的世界时。可以说，牛顿力学很好地概括了我们对世界的通常认知，但跨入20世纪的物理学，却在不断地打破常识。例如，当物体的运动得非常快，甚至接近光的速度时，牛顿力学就不再适用，取而代之的理论是爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论。

　　到了1907年，爱因斯坦的老师闵可夫斯基（Hermann Minkowski）重写了狭义相对论。他在传统的三维欧几里得空间中，加上了第4个维度——时间。也就是说，他将过去独立的空间和时间统一成“时空”。这又是一次美妙的统一！

　　狭义相对论适用于没有引力时的所有物理现象。1907年开始，爱因斯坦开始重新思考引力。他首先提出了等效原理，该原理指出加速度和引力是等价的。爱因斯坦认为这是他“最幸福的想法”。几年后，他意识到等效原理意味着引力和几何之间存在着一种特殊的联系。1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，这个全新的理论告诉我们引力是时空弯曲产生的结果。两年后，爱因斯坦将广义相对论应用于宇宙学研究上，开启了宇宙学的新篇章。

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　　在爱因斯坦发展相对论的同时，物理学也在酝酿着另一场或许更加深刻的革命：

　　1900年，普朗克（Max Planck） 推导出黑体辐射公式；

　　1905年，爱因斯坦用光子的概念解释了光电效应；

　　1913年，玻尔（Niels Bohr） 提出了全新的原子模型；

　　1925年，海森堡（Werner Heisenberg） 等人创建了矩阵力学，也就是量子力学的第一个版本；

　　1926年，薛定谔（Erwin Schrödinger） 提出波动力学，这是量子力学的第二个版本。之后，狄拉克（Paul Dirac） 展示了矩阵力学和波动力学其实是等价的；

　　1927年，海森堡提出不确定性原理；

　　1928年，狄拉克将量子力学和狭义相对论相结合来描述电子，他也奠定了量子场论的基础。

　　1925年至1928年，一系列的发现建立了量子力学的基础。

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　　回到开头的故事，卡鲁扎成功了吗？虽然卡鲁扎的五维理论很诱人，但一个显而易见的问题是这第五个维度究竟在哪？1926年，克莱因（Oskar Klein） 给出了答案，这个维度卷曲成了非常小的圈，以至于我们根本看不到。他计算出，这个圈的直径只有10⁻³⁰厘米，这是比最小的原子还要小20个数量级以上的尺度。尽管克鲁扎和克莱因的理论最终没有成功， 但他们的思想却一直流传到今天。

　　到了上个世纪六十年代，物理学家发现了除引力和电磁力外的另外两种基本力——强力和弱力。很快，物理学家格拉肖（Sheldon Glashow） 、萨拉姆（Abdus Salam） 和温伯格（Steven Weinberg） 就成功地展示了电磁力和弱力其实只是电弱力的两面。

　　之后，物理学家试图在更高的能量下，将电磁力、弱力和强力统一。这样的理论被称为大统一理论，只是大统一理论的预言至今没有被验证。当然，物理学家的最终目标是统一所有四种基本力，换句话说，他们想要找到一个统一广义相对论和量子场论的“万有理论”。

　　除了这一终极目标外，今天物理学的上空充满了乌云，有许多的大问题都等待着被解决。

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　　在过去的100年中，相对论和量子力学的建立为物理学带来了全新的活力。

　　从理论成就上来说，物理学家发展了描述光和物质如何相互作用的量子电动力学（QED） ，提出了解释常规超导体的BCS理论， 发展了描述夸克和胶子间的强相互作用的量子色动力学（QCD） ……

　　在实验方面，物理学家在加速器中产生出了大量的新粒子并将它们归类，发现了整数和分数量子霍尔效应，创造出了玻色-爱因斯坦凝聚，捕捉到了广义相对论预言的引力波……

　　从观测角度上看，天文学家发现了宇宙正在膨胀，弥漫在宇宙中的微波背景辐射，恒星在死亡时演变成的白矮星、中子星和黑洞，来自太阳的中微子，太阳系之外的系外行星……

　　在技术上，物理学家发明了晶体管、激光器、发光二极管、电荷耦合器件、原子钟电子显微镜......

　　那么在接下来的100年，物理学又会带来哪些惊喜呢？我们或许可以预期核聚变迎来重大进展，有更多的探测器前往太阳系的各大行星 （尤其是火星） ，量子计算机开始被用来解决一些最棘手的问题，以及更多与医学相关的重大进展等等。当然，更重要的是，我们希望能够实现更多的统一[2]！

　　附录

　　创作团队

　　策划：大大

　　文字：二宗主

　　设计：岳岳

　　排版：Takeko

　　参考来源

　　1. https://physicsworld.com/a/physics-past-present-future/

　　2. https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.3137

　　3. https://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/11075#t=toc

　　原标题：百年物理

　　来源：新原理研究所

　　编辑：观山不易