物理学界,统一路在何方?

2016-09-20作者:张天蓉编辑:清华大学出版社

谈到物理学史的时候,我们常常说到20世纪初物理学天空中的两朵乌云,一朵发展为量子力学,一朵发展成了相对论。一百多年来,这两个理论分别在理论物理学中的两个极端:微观世界和宇观世界中叱咤风云。然而,当它们碰到一起的时候,却显得水火不相容,似乎弄得物理学家们哑口无言,手脚无措。



历史总是呈现某种螺旋式的循环。有时候,事情转来转去又回到看起来是非常古老的问题。如今我们碰到的问题是:世界是由什么构成的?100多年前,人们就相信所有的物质都是由原子组成的,但那时候对原子结构的细节却还知道很少,直到1911年卢瑟福提出原子的行星模型,才使得人们能够在脑海中对原子勾画出一个具体直观的图像。而这五、六十年来粒子物理的发展,使我们了解到更深层的物质结构。



粒子物理的标准模型告诉我们,我们能观察到的所有一切物质,包括地球、太阳、星星,都是由12种基本粒子组成的,其中包括6种夸克和6种轻子,可以将它们分成4个家族。


然而,近年来宇宙学的长足进展,给理论物理学提出了许多新问题。特别是宇宙学家们对宇宙物质成分绝大部分是暗物质和暗能量的新看法,完全是标准模型未曾预料到的。物理学家们好像又回到了100多年之前的困惑,不过这次面对的不是原子,而是暗物质和暗能量。这些奇怪的“暗货”,构成宇宙96%的成分,主宰了宇宙的动力学,关系着宇宙的过去和未来。物理学家接受它们的存在,却不知道它们到底是什么。


科学的规律永远如此,任何时候都有数不清的疑问和困惑。正如人们所说的:疑问和困惑才能启发灵感,危机就是转机和生机。或许,暗物质和暗能量就是新时代天空中的两片乌云,它们有可能引发物理理论新的革命。当感觉“山穷水尽疑无路”时,才有可能迎来“柳暗花明又一村”的景象。


也有学者认为,相对论和量子理论本来就只是20世纪尚未完成的物理学革命的第一步。从这两个理论的研究继而提出的“引力量子”统一理论才是21世纪物理学中真正的难题。只有彻底解决这个问题,才能解决宇宙学中的暗物质和暗能量等等问题。这似乎又有些类似于爱因斯坦后半生所追求的统一之梦,当然,此梦非彼梦,时间已经过去了大半个世纪,无论是在基础物理学的理论方面,还是在宇宙学天文学的实验观测方面,都有了许多爱因斯坦无从预料的进展和结果。




不过,追求统一理论的愿望是一致的。也许这是一个只能无限逼近,但却永不可及的遥远目标,是上帝精心策划的造物秘密之一,它让物理学家们前仆后继,孜孜以求,永不放弃,追寻那个渺茫又美丽的梦。不过,物理学家们心甘情愿,义不容辞,因为他们从寻梦中满足了自我,得到了无穷的乐趣。


物理学家们企图从不同的途径来迈向大统一之路,有的人从量子理论开始,想将相对论包括进来,这条路发展出了弦论;有的从广义相对论出发,企图将经典引力理论量子化,然后再修正量子理论;有的人则倾向于干脆放弃原来的两个理论,另辟捷径。这多条道路有时分道扬镳,有时又会聚在一起。无论走哪一条路,起码的要求是既要考虑爱因斯坦理论中 “新颖的时空观”,也得兼顾量子论中的“奇谈怪论”,需要既是物质的理论,又是时空的理论;既能诠释微观粒子的运动,又能解释宇宙演化的历史;能够包罗各种理论,解释所有实验结果,这是一个艰巨的任务。


前进的方向很多,曙光也许就在前方。何时才能到达胜利的彼岸呢,取决于年轻一代科学家的加入和努力。


内容来源:书问

作者张天蓉
出版清华大学出版社
定价35元
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