新笔下文学

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第106章 改变世界的谈话（第2页）

牛顿的万有引力定律首次实现天地力学统一，将苹果落地与月球绕行纳入同一数学体系。

麦克斯韦方程组更进一步将电磁现象纳入统一理论，揭示电场与磁场的本质统一性。

19世纪微观研究的突破揭示了更深层的统一性，宏观的机械力本质是分子间的电磁作用，比如范德华力，热现象实为分子运动的宏观表现，通过麦克斯韦-玻尔兹曼分布描述。

至此经典物理学形成两大支柱，引力由牛顿体系描述，电磁力由麦克斯韦方程组诠释，而物质运动则由统计力学补充完善。

但尴尬的是，麦克斯韦方程组和牛顿力学这套框架居然是矛盾的，那么到底是麦克斯韦方程组有问题还是牛顿力学的这套框架有问题呢？

爱因斯坦通过狭义相对论重构时空观念，成功兼容麦克斯韦方程组，基于光速不变原理与相对性原理的统一，却不得不将引力单独处理，在等效原理基础上提出的广义相对论。

在狭义相对论这个新框架里，麦克斯韦方程组不用做任何修改就能直接入驻，即在狭义相对论的体系中，麦克斯韦方程是能够直接适用的。

然而，牛顿力学里有些东西无法直接搬过来，但是稍微修改一下就可以很愉快的搬到这个新框架里来，比如动量守恒定律，直接用牛顿力学里动量的定义，在狭义相对论里动量是不守恒的，需要修改一下就守恒了，这是二等公民。

还有一类东西，无论怎么改都无法让它适应这个新框架，这是刁民。

刁民让人很头痛，不过还好，虽然有刁民，但是刁民的数量不多，就一个，引力。

牛顿的万有引力定律在牛顿力学那个框架里玩得很愉快，但是它骨头很硬，不管怎么改，它就是宁死不服狭义相对论这个新框架，那要怎么办呢？

当然，物理学家可以继续改，他们相信虽然现在引力它不服，但是以后总能找到让它服气的改法。

但是爱因斯坦另辟蹊径，他说引力这小子不服改我就不改了，然后他另外提出了一套新理论来描述引力，相当于单独给引力盖了一栋别墅。

结果这套新引力理论极其成功，而且爱因斯坦提出这套新理论的方式，跟以往的物理学家们提出新理论的方式完全不一样，这种新手法带来梦幻般的成功惊呆了全世界的物理学家，然后爱因斯坦就被捧上天了，这套新理论就叫广义相对论。

过去的物理学家们是通过不断做实验，去测量各种数据，然后总结规律，用一组数学公式来总结规律，来解释这些数据，如果解释得非常好，那么就认为是找到了这种现象的规律，然后顺带着发现了隐藏在理论里的某些性质，比如某种对称性。

他们遵循着实验-理论-对称性这样一条线，这也符合我们通常的理解。

但是，爱因斯坦把这个过程给颠倒了，他发现上面的过程在处理比较简单的问题的时候还行，但是当问题变得比较复杂，当实验不再能提供足够多的数据的时候，按照上面的方式处理问题简直是一种灾难。

比如，牛顿发现万有引力定律的时候，开普勒从第谷观测的海量天文数据里，归纳出了行星运动的三大定律，然后牛顿从这里面慢慢猜出了引力和距离的平方反比关系，这个还马马虎虎可以猜出来。

但牛顿引力理论的升级版-广义相对论的情况是这样的：

这种复杂的方程怎么从实验数据里去凑出公式来？

况且，广义相对论在我们日常生活里，跟牛顿引力的结果几乎一样，第谷观测了那么多天文数据可以让开普勒和牛顿去猜公式，但是在20世纪初根本没有数据让爱因斯坦去猜广义相对论？

水星近日点进动问题是极少数不符合牛顿引力理论的，但是人们面对这种问题，普遍第一反应是在水星里面还有一颗尚未发现的小行星，而不是用了几百年的牛顿引力有问题。

退一万步说，就算你当时认为那是因为牛顿引力不够精确造成的，但是就这样一个数据，你怎么可能从中归纳出广义相对论的场方程？

经过一连串的深度碰壁之后，爱因斯坦意识到当理论变得复杂的时候，试图从实验去归纳出理论的方式是行不通的，实验不可靠，那么爱因斯坦就要找更加可靠的东西，这个更加可靠的东西就是对称性！

对称性可以简单的理解为不变性，比如动量守恒定律就具有空间对称性，也就是说，它在任何位置都是成立的，比如能量守恒定律具有时间对称性，他在任何时间都是成立的。

实验数据可能不可靠，但对称性是绝对可靠的！

于是爱因斯坦在物理学的研究方式上来了一场哥白尼式的革命，他先通过观察分析找到一个十分可靠的对称性，然后要求新的理论具有这种对称性，从而直接从数学上推导出它的方程，再用实验数据来验证他的理论是否正确。

在这里，原来的实验-理论-对称性变成了对称性-理论-实验，对称性从原来理论的副产品变成了决定理论的核心，实验则从原来的归纳理论的基础变成了验证理论的工具。

于是，爱因斯坦用广义相对论驯服了引力，用狭义相对论安置好了电磁力之后，接下来的路就很明显了，统一引力和电磁力！

就像当年麦克斯韦统一电、磁、光那样，毕竟用一套理论解释所有的物理现象是物理学家们的终极梦想。

但是，爱因斯坦穷尽他的后半生都没能统一引力和电磁力，不仅如此，随着实验仪器的进步，卢瑟福原子模型揭示强核力存在，随后汤川秀树提出介子理论解释核力，费米则建立弱相互作用理论。

这些成果表明，自然界存在四种基本相互作用，引力、电磁力、强力和弱力，但引力与电磁力仍未能统一，强力和弱力亦各自为战。

这下可好，不但没能统一引力和电磁力，居然又冒出来两种新的力。

其中，引力用广义相对论描述，电磁力用麦克斯韦方程组描述，强力和弱力都还不知道怎么描述，统一就更别谈了。

这个时候，杨-米尔斯理论登场了，其非阿贝尔规范对称性为强相互作用提供数学描述，通过SU（3）群规范场，标准模型更将弱力与电磁力统一为电弱力，通过SU（2）×U（1）群规范对称性破缺，最终形成当前粒子物理的四大基本力架构。

也就是说，在四种基本力里，除了引力，其它三种力都是用杨-米尔斯理论描述的，所以杨-米尔斯理论的重要性不言而喻！

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