愛因斯坦最大的遺愿!晚年研究「大統一理論」,為什麼以失敗告終

天空之城 2022/10/13 檢舉 我要評論

愛因斯坦晚年一直致力于大統一理論,但終其一生,也未能在大統一理論上有多大的建樹。

以當代的視角來看,愛因斯坦的大統一之路之所以無法成功,是因為走偏了方向。

在物理學烏云系列,我已經說過,解決烏云的意義就在于物理學的統一,直到完成萬有理論。

在具體的實踐上,就是統一 四種基本力

在四大基本作用力中,強力和弱力是最晚發現的,也是最陌生的兩種力。

在100年前,那時候我們認為自然界都是由引力和電磁力控制的。畢竟這兩種力的作用范圍趨近無窮遠,所以在巨觀物體上的表現十分明顯,很容易發現。

在愛因斯坦晚年的時候,雖然弱力已經被發現,但是還沒有獲得主流學界的認可。

愛因斯坦時代的大統一理論只是統一引力和電磁力。那時候弱力還沒有成氣候,強力還沒有被發現。

而現在我們說的大統一理論是嘗試統一電磁力,弱力,和強力的物理理論。

并非是愛因斯坦時期的大統一理論的延續,而是另一種新理論。

愛因斯坦時期的大統一理論如今早已被拋棄,主要原因是引力是最難統一的一種力,引力是應該被放在最后被統一的。正確的思路是先統一電磁力和弱力,然后再統一強力,最后再統一引力。

這種思路之所以被廣泛接受,是因為有兩個重要的支持。一個是電弱理論的成功,另一個是大爆炸模型的推斷。

在理論上,如果我們不斷加熱物體,那物體必然會分解成分子和原子的氣態混合物。

倘若再提高溫度,那原子會繼續分解成電子,中子和質子。如果再繼續升高溫度,中子和質子就會繼續分解成夸克,中微子這樣的基本粒子。

如果再提高溫度,比如達到普朗克溫度,則所有的基本粒子都會融合在一起,形成共同體。這時候四種基本相互作用力也就會變成同一種作用。

在量子力學中,保證物理規律成立的最低時間尺度不能低于普朗克時間,普朗克時間大約為10^-43秒。也就是說,小于普朗克時間的變化都不具備任何物理意義,所以我們才說,在物理理論中,時間的最小值就是普朗克時間。空間的最小尺度就是普朗克長度。

大爆炸模型預測,宇宙中所有的粒子和四種基本作用力都起始于大爆炸之初的奇點。

在宇宙大爆炸的第一個瞬間,也就是在第一個普朗克時間內,宇宙溫度曾處于普朗克溫度。所有的力和物質都是同一種事物。

當宇宙的年齡超過第一個普朗克時間后,溫度降到10^31攝氏度,時間為10^-35秒時,物理規律才開始生效,這一階段引力率先與其他三種力脫離出來

當時間達到10^-32s時,溫度降至10^26攝氏度。強力又脫離出來。

當時間達到10^-12s時,溫度降至10^15攝氏度,能量為100Gev。弱力和電磁力再次脫離。至此,四大基本作用力全部完成分離。

大爆炸之后的宇宙平均溫度逐步降低,引力,強力,弱力和電磁力依次分離開來。

逆行推理,只要我們在粒子對撞機中不斷提高粒子撞擊時的能量和溫度,就能看到電磁力率先會合并弱力,再合并強力,最后合并引力。

但是目前的實驗裝置創造的能量和溫度,只能夠看到弱力和電磁力的合并。還遠不足以達到合并強力和引力的程度。

所以,現階段我們只能完成弱力和電磁力的統一,也就是電弱理論。

之后電弱理論會嘗試統一強力,最終完成大統一理論。

但大統一理論如果要統一引力,則人工創造的溫度須接近普朗克溫度,這對實驗來說,幾乎是不可能實現的。所以統一引力的理論需要繞開這種幾乎無法完成的實驗,重新建立新的引力嘗試統一引力,比如量子引力理論和超弦理論。

所以引力是最難,也是最后該被統一的力。

而愛因斯坦的大統一理論,而是直接嘗試讓電磁力和引力統一,其方向注定是錯誤的。

接下來看看四大基本作用力的范圍。

我之前已經多次強調過,力不可能發生超距作用,其中依靠的就是傳播子,物體之間正是因為不斷交換傳播子才維持了力的作用。可以說,沒有傳播子,力就無法發揮作用,當然,引力這塊還在證實。

電磁力的傳播子是光子,其靜止質量為0

強力的傳播子是膠子,其靜止質量也為0

引力理論上的傳播子為引力子,其靜止質量依舊為0。

弱力的傳播子是w玻色子和z玻色子。

w玻色子的靜止質量為80.399 ± 0.023 GeV,而Z玻色子的靜止質量則為91.1876 ± 0.0021 GeV。

根據不確定性原理的推導,傳播子存在的時間Δt符合這一公式。

其中h為普朗克常數,γ為洛倫茲因子,c為光速。M為傳播子的質量。

光子,引力子和膠子的靜止質量都為0,所以它們存在的時間接近無窮長。所以電磁力,和引力的作用范圍可以趨近無限遠。

而w和z玻色子由于具有較大的靜止質量,代入公式后,就會發現它們存在的時間極短,結合它們的速度,就可以算出w和z玻色子作用的范圍在10^-18米。這大概相當一個質子寬度的千分之一。

從理論上看,膠子的質量也為0,其代表的強力作用范圍也應該是無限遠的,而事實上,強力的作用范圍僅限原子核內質子的長度。

這主要是因為膠子連接的夸克會形成強力,且具有夸克禁閉效應。

所以膠子難以脫離夸克。但這并不是說膠子不會脫離夸克,只要能量足夠大,膠子依舊可以擺脫夸克。

而膠子一旦脫離夸克,其釋放的能量就會形成正—反夸克對,新形成的正—反夸克對就是介子,其實介子就是游離與質子和中子之間的殘余強力,也就是我們熟知的核力。核力負責維持原子核的穩定。

質子帶正電,如果沒有核力,質子之間在電磁力的作用下就會相互排斥,正是由于核力強于電磁力,所以質子才能聚合在一起形成穩定的原子核。

在四種基本作用力中,其傳播子的靜止質量只要為0,則傳播子的壽命不僅趨近無窮長,且傳播速度為光速。

光子以光速傳播電磁力,引力子以光速傳播引力(待證實),膠子以光速在夸克之間傳播強力。

由于夸克禁閉效應,膠子無法脫離夸克,所以強力被禁錮在原子核內。

w和z玻色子由于具有靜止質量,其壽命極短,所以弱力也被禁錮在原子核內。

而光子和引力子沒有這樣的束縛,可以輕易突破微觀世界,抵達巨觀世界。

所以我們才說,巨觀世界的絕大部分物理現象都是由引力和電磁力主宰的。

強力和弱力之所以發現很晚,是因為這兩種力的作用尺度都在原子核內,只有當人類發現了原子核,完善了量子力學后,才被發現。

在愛因斯坦活著的時候,量子力學還在上升期,所以那時候的大統一理論注定不會納入強力和弱力,所以從一開始,就注定了愛因斯坦的大統一理論是難以成功的。

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