【第12期 · 抽奖送书】物理学的“统一”理想

科学世界 · 公众号 · 科学 · 2019-12-25 17:52

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《走向统一的自然力》

作者：厉光烈

版次： 2019年6月第一版

定价： 98.00元

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物理学的“统一”理想

撰文/刘树勇

在物理学的发展史上，“统一”似乎成为物理学家的一种“执念”，每个时期都有物理学家试图去构筑物理学理论发展统一的基础。

本书以“走向统一的自然力”为主线，讲述了科学家探寻能统一描述物质基本组分与作用于其间的自然力的终极理论的故事，通俗地介绍了几乎所有的物理学基础理论，宛如将物理学基础理论的一颗颗明珠串成了一条项链。

物理学理论的统一之路，始于16世纪中叶。从哥白尼创立天体运行的“日心说”之后，伽利略更多地是证明其合理性，而开普勒则从细节上加以论证，更多地体现着其精确性。同时，伽利略也发现了在地面上物体运动的规律。二人的工作都对作用于地面物体的力和天体之间的力有所认识。但是，这两种力是不是同一种力的问题，则由牛顿承担下来。牛顿后来说，他之所以取得成就，是因为踩在了“巨人”的肩头之上。

牛顿使我们相信：地上的世界与天上的世界受到相同的物理定律的支配。牛顿在《自然哲学的数学原理》（以下简称《原理》）所描述的经典力学，是人类掌握的第一个完整的科学理论体系，或称为科学宇宙观，其影响所及遍布经典自然科学的所有领域。《原理》达到的理论高度是前所未有的，其后也不多见。爱因斯坦评价说：“至今还没有可能用一个同样无所不包的统一概念，来代替牛顿的关于宇宙的统一概念。要是没有牛顿的明晰的体系，我们到现在为止所取得的收获就会成为不可能。”

人类对于电荷和磁性的研究引入了数理方法，不但加快了研究的速度，而且大大加深了认识的深度，正是这种精确性保证了对电磁现象蕴含的普遍性质的一般性认识。库仑定律和安培定律的形式与万有引力定律的形式是一样的，即都具有平方反比的形式。由于在法拉第所处的时代，万有引力作为一种超距作用，这使人们较为容易地猜想到，电引力和磁引力（也包括斥力）也应该是一种超距作用。这种“启发”是有合理性的。然而，法拉第并不是这样看的，他认为，电或磁的作用在传播时，其速度是有限的。法拉第独具慧眼，利用电力线和磁力线来表示这种电荷之间或磁体之间的作用。当然，力线这种形象的图示所揭示的和描述的是场的本质。这对电磁统一的过程是必不可少的，甚至对力的认识和描述是一个飞跃，在自然力走向统一的过程中具有里程碑的意义。

19世纪50年代，麦克斯韦研究了法拉第的力线理论，为“场”的思想提供了数学形式。除此之外，麦克斯韦在统一了电磁现象之后，即建立统一的麦克斯韦方程组之后，又作出了大胆的预言：存在电磁波，甚至光也是一种电磁波。这个预言在20年之后，由德国物理学家赫兹验证。赫兹验证电磁波，进而验证了麦克斯韦的理论，揭开了电子技术大发展的序幕。随着无线电技术以及各种电子技术的不断发展，特别是电子计算机技术的发展，让人类进入了信息化的时代。

爱因斯坦借助广义相对论开创了现代宇宙学的新领域。此外，他还提出“受激辐射”的概念，对于后来激光理论的研究产生了重要的作用。此后，借助德布罗意的微观粒子的波粒二象性理论研究原子的理想气体的量子理论，与印度物理学家玻色合作创建了玻色-爱因斯坦量子统计理论。在20世纪20年代之后，爱因斯坦把大量的精力投入到统一引力与电磁力的研究工作上，却都是不成功的。

【第12期 · 抽奖送书】物理学的“统一”理想

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