愛因斯坦提出的統一場是物理問題還是哲學問題?


謝邀

愛因斯坦的統一場論,是物理問題,是物理問題,是物理問題。(重要的事情說三遍)

討論這個問題,首先要知道小愛同學為什麼追求統一場論。要說這個問題,就需要說點物理學史了。

故事追溯到,17世紀時,我們的牛頓同學,在1687年,幹了一件留芳千古的大事情(是什麼,估計你也知道了)。他在胡克的鼓勵下,發表了《自然哲學的數學原理》,等等,你看題目以為是數學方面的,和物理有什麼關係呢?聽我慢慢道來。因為,在那個時代,及以前,大家都把自然現象的研究都歸結圍哲學(西方現在很多國家,還把物理學博士,稱為PH.D.,沿襲了西方或者準確說,希臘的傳統)。這本人類近代科學史上,最牛逼的專著(個人看法,不喜勿噴)看起來是數學,實際上是一部近代物理學(理論物理)的開山之作。雖然裡面,有流數法(微積分),但是,這些是牛頓同學自己發明的數學方法(牛頓同學,果然不一般),為了研究物理(那時候叫哲學)問題。這本專著中,牛頓講了流數法,講了牛頓三定律,講了萬有引力定律。寫這本書,可不是為了建立物理學,牛頓有更大的抱負。他為了證明上帝是存在的(不要用這個來詆毀他,他所處在時代決定了)。牛頓覺得,他做到了,他證明了上帝的存在(事實是,後來大家慢慢都忘記牛頓同學的最終目的了)

但是,其他人可不這麼看。大家覺得,原來我們的地球真不是宇宙的中心,原來天上行星的運動,尤其月亮繞地球轉的原因和蘋果從樹上掉到地上的原因是一樣。從此以後,我們人類真正了解到,原來,我們的宇宙,自然界中的一些規律是可以理解的,原來不要上帝,我們一樣可以了解我們的宇宙(拉普拉斯是典型代表)。因此,這可以認為是物理學的第一次統一,這次統一了天上和地上的規律。這次統一,開啟了,近代科學的定量研究的大門。啟發我們,原來數學的作用這麼大(再也不是畢達哥拉斯學派,古希臘時候對數學認識了)。但是,牛頓引入了,絕對時間和絕對空間概念,認為時間和空間相互獨立,毫無關係。

你以為,牛頓同學作了這些就完了么?那你太小看牛頓同學了。牛頓,在晚年的時候,他迷上了光學。他做了大家都耳熟能詳的實驗。沒錯,就是光的色散實驗(太陽光)。你以為這就完了。並沒有,他還要解釋光的各種現象。他把光解釋為粒子。這過程中,萊布尼茨把光解釋為波。然後,他們一直爭論。他們都去世了,還是誰也沒有說服誰。然後,在1807年,一個天才少年,做了一個實驗。發現了,光的波動性(雙縫干涉,也可以驗證粒子性,只是當時條件下做不出來),大家宣判原來,這次牛頓錯了。你以為這就完了嗎?並沒有。接下來,說第二次統一。

1785年,有個叫庫倫的同學,發現了庫倫定律。開啟了電磁學研究的時代。但是,19世紀可以說是,電和磁,發展蓬勃發展的世紀。先是奧斯特發現了電流磁效應,也就是大名鼎鼎的奧斯特實驗。然後,法拉第同學出場了,他就在想既然電流有磁效應,那麼反過來是否也成立呢?有了這想法,法拉第同學,馬上就付諸行動了,他反覆實驗。於是在1831年,發現了影響深遠的電磁感應現象。發現了,這些,足夠法拉第功成名就了,但是,物理學家的好奇心可不是功成名就滿足的。法拉第同學,不僅實驗做得好,而且,現象力(物理直覺),那也是杠杠的。他堅信電磁的近距相互作用(與主流觀點,超距相互作用對立),而且,他還引入了力線概念。開始的時候,法拉第可謂是曲高和寡。直到過了若干年,一個叫作麥克斯韋的年輕人,讀到了法拉第的論文。覺得,大受啟發,然後找到了法拉第,一老一少作了深入的探討。然後,又過了若干年,分三步,完成了,他的理論工作。然後,又把他的工作寫成了一本書《電磁通論》。麥克斯韋的工作,被歸結為麥克斯韋方程組。這這個方程組包含了一切電磁現象,預言了電磁波。另外,在這個過程中,麥克斯韋同學,發現了一個常量,這個常量意義非凡。這個常量最奇特的地方是,它居然和當時測到的光速是非常接近的。於是,麥克斯韋同學,大膽預言,光就是電磁波。就這樣,麥克斯韋同學完成了第二次物理學上的大統一,居然將電現象和磁現象統一了,而且還讓我們對光的認識,上升到另一個層次。麥克斯韋同學,沒有等到他的預言被證實,就因病逝世。1888,赫茲同學證明了電磁波的存在,還發現了光電效應現象(這個現象的我解釋,留待後人來做)。這就是物理學中的第二次統一。這一晃就到了19世紀末了。偉大的物理學變革就要開啟了。

在1900年,一個叫開爾文的勛爵。在新年致辭中,發表了,題為《籠罩在熱和光的動力理論上的十九世紀之雲》的著名演講。他認為黑體輻射和以太理論,只不過是小修小補的問題。沒想到,他剛說完不久,一個叫普朗克(量子之父?)的德國物理學家,發現了解釋黑體輻射的公式;但是,這個公式必須要將能量量子化。普朗克畢生都不接受自己的能量子概念,認為它就是個魔鬼。但是,我們的主角,愛因斯坦同學,可不是這樣看的。他不僅接受了能量子概念。他,還將能量子概念推廣了,愛因斯坦同學認為光在傳播的過程中,能量也是一份一份的,這就是光量子概念了。你以為,提了個概念就可以了,如果這樣就行,那就不是物理學了。愛因斯坦同學,用光量子解釋了,赫茲發現的光電效應(牛頓力學,經典電動力學,經典熱力學都沒法解釋)。慢慢地,大家接受了光量子概念,小愛同學也是因為光電效應獲獎的哦(獲獎申明裡面,沒有提相對論哦)。也因此,愛因斯坦被認為是量子力學創始人之一。這一項工作,把光的波動性和粒子性(不是牛頓認為的那種粒子,統一起來了。這可以認為是物理學中的第三次統一吧。

當然,大家肯定知道,愛因斯坦更因為相對論而出名。那就來說說,相對論。首先,1905年的時候,愛因斯坦建立了狹義相對論(據他回憶16歲就開始思考追光實驗,所以,凡是,用追光來懷疑相對論的,可以都不用看,人家100多年前就想過了),他拋棄了以太概念,將時間和空間統一起來了,認為時間和空間是相對的;這顛覆了牛頓以來的時空觀。但是,後來所有的實驗都支持愛因斯坦的相對論。因此,大家慢慢也就接受了狹義相對論了。可是,小愛同學在琢磨他的狹義相對論的時候,發現了一個問題,狹義相對論只對慣性系(慣性運動)成立。可是,自然界中是,誰也沒有看到過慣性系,而且,實際上慣性系根本不存在。為啥?因為,有萬有引力的存在。從1905年開始,愛因斯坦,就在想,既然引力無處不在,那麼怎樣才能讓他的相對論對引力也成立呢?他思考了,10年,終於在1915年,完成了他廣義相對論的工作。他發現,原來萬有引力是時空彎曲的表現形式。用泰勒的話說:物質告訴時空如何彎曲,時空告訴物質如何運動。我覺得,這也是一種統一啊。小愛同學統一了,物質,時空,極其運動規律。但是,當愛因斯坦,考慮他的廣義相對論的時候,他又發現了一個問題。他的廣義相對論只能應用於引力,但是,那時候,人們還知道另一種力(相互作用)就是電磁相互作用(其他相互作用還沒有被發現)。然後,他就想,是否是可以將引力相互作用和電磁相互作用統一起來呢。小愛同學的答案是肯定的,因此,他的後半生,都在追求電磁相互作用和引力相互作用的統一,愛因斯坦成為統一場論(不太記得是不是愛因斯坦說的)。只是,這次,他沒想到的是,這項工作於此艱難。直到1955年他去世了,也沒有什麼實質性進展。

當然,我們現在知道了,引力和另三種相互作用的統一是21世紀物理學中的難題的第一個。

至此,愛因斯坦的統一場論是哲學問題,還是物理問題。想必題主心中有答案了吧。

只是,我們早就脫離了,古人靠思想來辯證這些的時代了。自然界中的,深層次的問題,還是要靠自然科學(尤其物理學)來回答的。

過程中,還有很多細節沒有講到,而且難免有些偏差和錯誤,還望指正。

另外,列幾本參考書吧。

郭奕玲,《物理學史》,清華大學出版社。

亞伯拉罕?派斯,《愛因斯坦傳》,商務印書館。(這本書,很側重於愛因斯坦的學術研究方面的,裡面有一章專門講統一場論)

溫伯格著,李泳譯,《終極理論之夢》,湖南科學技術出版社。

先就這麼多吧。有點長,湊合著看吧。

謝謝!


似乎有一定哲學因素,因為物理定律是死的有時候並不具有完全對稱的美感,而且需要實驗證明(想想可憐的弦理論),除了哲學是這樣說的,也沒有哪個人可以證明宇宙非得是有一個理論支持的。


推薦閱讀:

量子力學是完備的還是不完備的?歷來出現的爭論在哪?
有哪些適合學數學的學生看的關於量子力學和量子場論的書?
為何兩電子的自旋函數是反對稱函數,我懷疑書本的觀點,提出自己的觀點,大家幫分析下誰對誰錯?
從實驗室走向市場的物質量子工程 | NSR專欄

TAG:阿爾伯特·愛因斯坦AlbertEinstein | 理論物理 | 量子物理 |