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把引力融合到量子力學中,這就是大一統理論,但必須先找到引力子
2023/02/02

量子力學和廣義相對論,是現代物理學的兩大支柱,共同撐起了物理學的一片天,只可惜二者格格不入。

物理學中共有四大基本力,引力、電磁力、強核力和弱核力,其中引力歸廣義相對論管,而其它的三個基本力皆由量子力學負責,看似互不干擾,一片祥和。然而物理學家們從不滿足于這種現狀,從愛因斯坦的時代開始,科學家們就試圖將幾種基本力融合統一,創造出大一統理論。

在一開始,大一統理論的實現似乎并沒有現在這樣復雜,因為開始的時候人們并沒有發現強核力和弱核力,大家想的只是要把引力和電磁力相統一。而在引力和電磁力之中,最早被人類所發現的就是引力,而發現引力的人就是牛頓,而牛頓之所以能夠發現引力與科學家們力爭要發現大一統理論還存在著一定的關系。

關于牛頓發現引力這件事,最耳熟能詳的就是牛頓與蘋果的故事了,而這個故事的真與假其實并不重要,重要的是牛頓把蘋果落地和宇宙天體的運行統一起來看待,于是才能夠發現萬有引力。

如果不是這樣,牛頓把蘋果落地和天體運行看成兩個毫不相關的獨立事件,那麼那個蘋果肯定就白砸了。這個故事告訴我們,統一是物理學探秘的寶器,如果我們把所有事物都看成獨立事件,那麼一些規律都不會被發現,反之,當人類嘗試將越來越多的東西統一到一起的時候,宇宙的規律就會逐漸清晰,宇宙的奧秘就會逐漸顯現,所以如果人類能夠將四種基本力統一在一起,發現宇宙的大一統理論,那麼也許就能夠看清宇宙的真實樣貌了。這就是不能任由引力與其它三種基本力分而治之的原因所在。

牛頓雖然發現了萬有引力,但卻沒有發現引力傳播的介質,沒有人愿意相信物質之間能夠在沒有任何介質的情況下隔空作用,于是在沒有找到傳播介質的情況下,一個虛擬的概念被引入了,那就是以太,以太被描述為一種靜止且均勻分布在宇宙中的介質,而引力通過以太發揮作用。

在引力之后,電磁力被發現了,和引力的發現過程一樣,電磁力的發現也伴隨著統一,當人們把電與磁統一起來看待的時候,就有了電磁力,此后通過觀察磁鐵周圍磁屑的分布形式,人們認識到了「場」的存在。而場的存在又會激發出傳播子,而傳播子就是力的傳播介質。以電磁力為例,它的場就是電磁場,而它的傳播子就是光子,而光子是在電磁場中被激發出來的。

場論後來幾經周折又發展成為量子場論,量子場論很好的解釋了力、場、傳播子之間的關系。

還是以電磁力為例,電子的運動造就了電磁場的存在,而電子輻射出的能量通過智能方程轉化為光子,于是電磁力、電磁場以及光子就完美地統一了。隨著強核力與弱核力的發現,為了讓量子場論自洽,規范場論被建立了,根據規范場論,電磁力的傳播介質是光子,強核力的傳播介質是膠子,弱核力的傳播介質是W和Z玻色子。

而光子、膠子以及W和Z玻色子都屬于玻色子,在這樣的背景之下,雖然人類仍然沒有發現引力的傳播介質,但大膽對引力的傳播介質進行了預言,人們認為有一種「引力子」存在,它就是引力的傳播介質,而且它也應該是一種玻色子。

提到預言中的引力子,就不得不說一說傳說中的上帝粒子。

上帝粒子也就是希格斯玻色子,它誕生于希格斯場的振動之中。 由于希格斯場是一種能量場,它能夠讓一些本身不具有質量的粒子獲得能量,而能量又進一步轉化為質量,于是本不具有質量的粒子就從希格斯場中獲得了質量,弱核力的傳播介質W和Z玻色子就在此列。

所以如果引力子存在,那麼它很有可能也會從希格斯場中獲取能量,對于希格斯場與希格斯玻色子的研究也許會帶我們走近引力的本質。有朝一日,如果引力不再獨立于三大基本力之外,四種基本力能夠實現完美融合,那麼無數科學家關于大一統理論的夢想也就實現了,人類的科學水平以及對宇宙的認知也將會邁向一個新的層次。

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