愛(ài)因斯坦最大的遺愿！晚年研究“大統(tǒng)一理論”，為什么以失敗告終

愛(ài)因斯坦晚年一直致力于大統(tǒng)一理論，但終其一生，也未能在大統(tǒng)一理論上有多大的建樹(shù)。

以當(dāng)代的視角來(lái)看，愛(ài)因斯坦的大統(tǒng)一之路之所以無(wú)法成功，是因?yàn)樽咂朔较颉?/p>

在物理學(xué)烏云系列，我已經(jīng)說(shuō)過(guò)，解決烏云的意義就在于物理學(xué)的統(tǒng)一，直到完成萬(wàn)有理論。

在具體的實(shí)踐上，就是統(tǒng)一四種基本力。

在四大基本作用力中，強(qiáng)力和弱力是最晚發(fā)現(xiàn)的，也是最陌生的兩種力。

在100年前，那時(shí)候我們認(rèn)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(wú)窮遠(yuǎn)，所以在宏觀物體上的表現(xiàn)十分明顯，很容易發(fā)現(xiàn)。

在愛(ài)因斯坦晚年的時(shí)候，雖然弱力已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，但是還沒(méi)有獲得主流學(xué)界的認(rèn)可。

愛(ài)因斯坦時(shí)代的大統(tǒng)一理論只是統(tǒng)一引力和電磁力。那時(shí)候弱力還沒(méi)有成氣候，強(qiáng)力還沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。

而現(xiàn)在我們說(shuō)的大統(tǒng)一理論是嘗試統(tǒng)一電磁力，弱力，和強(qiáng)力的物理理論。

并非是愛(ài)因斯坦時(shí)期的大統(tǒng)一理論的延續(xù)，而是另一種新理論。

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

這種思路之所以被廣泛接受，是因?yàn)橛袃蓚€(gè)重要的支持。一個(gè)是電弱理論的成功，另一個(gè)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(huì)分解成分子和原子的氣態(tài)混合物。

倘若再提高溫度，那原子會(huì)繼續(xù)分解成電子，中子和質(zhì)子。如果再繼續(xù)升高溫度，中子和質(zhì)子就會(huì)繼續(xù)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(dá)到普朗克溫度，則所有的基本粒子都會(huì)融合在一起，形成共同體。這時(shí)候四種基本相互作用力也就會(huì)變成同一種作用。

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

大爆炸模型預(yù)測(cè)，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（qi）點(diǎn)。

在宇宙大爆炸的第一個(gè)瞬間，也就是在第一個(gè)普朗克時(shí)間內(nèi)，宇宙溫度曾處于普朗克溫度。所有的力和物質(zhì)都是同一種事物。

當(dāng)宇宙的年齡超過(guò)第一個(gè)普朗克時(shí)間后，溫度降到10^31攝氏度，時(shí)間為10^-35秒時(shí)，物理規(guī)律才開(kāi)始生效，這一階段引力率先與其他三種力脫離出來(lái)

當(dāng)時(shí)間達(dá)到10^-32s時(shí)，溫度降至10^26攝氏度。強(qiáng)力又脫離出來(lái)。

當(dāng)時(shí)間達(dá)到10^-12s時(shí)，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(qiáng)力，弱力和電磁力依次分離開(kāi)來(lái)。

逆行推理，只要我們?cè)诹Ｗ訉?duì)撞機(jī)中不斷提高粒子撞擊時(shí)的能量和溫度，就能看到電磁力率先會(huì)合并弱力，再合并強(qiáng)力，最后合并引力。

但是目前的實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)造的能量和溫度，只能夠看到弱力和電磁力的合并。還遠(yuǎn)不足以達(dá)到合并強(qiáng)力和引力的程度。

所以，現(xiàn)階段我們只能完成弱力和電磁力的統(tǒng)一，也就是電弱理論。

之后電弱理論會(huì)嘗試統(tǒng)一強(qiáng)力，最終完成大統(tǒng)一理論。

但大統(tǒng)一理論如果要統(tǒng)一引力，則人工創(chuàng)造的溫度須接近普朗克溫度，這對(duì)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。所以統(tǒng)一引力的理論需要繞開(kāi)這種幾乎無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)，重新建立新的引力嘗試統(tǒng)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(tǒng)一的力。

而愛(ài)因斯坦的大統(tǒng)一理論，而是直接嘗試讓電磁力和引力統(tǒng)一，其方向注定是錯(cuò)誤的。

接下來(lái)看看四大基本作用力的范圍。

我之前已經(jīng)多次強(qiáng)調(diào)過(guò)，力不可能發(fā)生超距作用，其中依靠的就是傳播子，物體之間正是因?yàn)椴粩嘟粨Q傳播子才維持了力的作用。可以說(shuō)，沒(méi)有傳播子，力就無(wú)法發(fā)揮作用，當(dāng)然，引力這塊還在證實(shí)。

電磁力的傳播子是光子，其靜止質(zhì)量為0

強(qiáng)力的傳播子是膠子，其靜止質(zhì)量也為0

引力理論上的傳播子為引力子，其靜止質(zhì)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(zhì)量為80.399 ± 0.023 GeV，而Z玻色子的靜止質(zhì)量則為91.1876 ± 0.0021 GeV。

根據(jù)不確定性原理的推導(dǎo)，傳播子存在的時(shí)間Δt符合這一公式。

其中h為普朗克常數(shù)，γ為洛倫茲因子，c為光速。M為傳播子的質(zhì)量。

光子，引力子和膠子的靜止質(zhì)量都為0，所以它們存在的時(shí)間接近無(wú)窮長(zhǎng)。所以電磁力，和引力的作用范圍可以趨近無(wú)限遠(yuǎn)。

而w和z玻色子由于具有較大的靜止質(zhì)量，代入公式后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們存在的時(shí)間極短，結(jié)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(dāng)一個(gè)質(zhì)子寬度的千分之一。

從理論上看，膠子的質(zhì)量也為0，其代表的強(qiáng)力作用范圍也應(yīng)該是無(wú)限遠(yuǎn)的，而事實(shí)上，強(qiáng)力的作用范圍僅限原子核內(nèi)質(zhì)子的長(zhǎng)度。

這主要是因?yàn)槟z子連接的夸克會(huì)形成強(qiáng)力，且具有夸克禁閉效應(yīng)。

所以膠子難以脫離夸克。但這并不是說(shuō)膠子不會(huì)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(huì)形成正—反夸克對(duì)，新形成的正—反夸克對(duì)就是介子，其實(shí)介子就是游離與質(zhì)子和中子之間的殘余強(qiáng)力，也就是我們熟知的核力。核力負(fù)責(zé)維持原子核的穩(wěn)定。

質(zhì)子帶正電，如果沒(méi)有核力，質(zhì)子之間在電磁力的作用下就會(huì)相互排斥，正是由于核力強(qiáng)于電磁力，所以質(zhì)子才能聚合在一起形成穩(wěn)定的原子核。

在四種基本作用力中，其傳播子的靜止質(zhì)量只要為0，則傳播子的壽命不僅趨近無(wú)窮長(zhǎng)，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(shí)），膠子以光速在夸克之間傳播強(qiáng)力。

由于夸克禁閉效應(yīng)，膠子無(wú)法脫離夸克，所以強(qiáng)力被禁錮在原子核內(nèi)。

w和z玻色子由于具有靜止質(zhì)量，其壽命極短，所以弱力也被禁錮在原子核內(nèi)。

而光子和引力子沒(méi)有這樣的束縛，可以輕易突破微觀世界，抵達(dá)宏觀世界。

所以我們才說(shuō)，宏觀世界的絕大部分物理現(xiàn)象都是由引力和電磁力主宰的。

強(qiáng)力和弱力之所以發(fā)現(xiàn)很晚，是因?yàn)檫@兩種力的作用尺度都在原子核內(nèi)，只有當(dāng)人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了原子核，完善了量子力學(xué)后，才被發(fā)現(xiàn)。

在愛(ài)因斯坦活著的時(shí)候，量子力學(xué)還在上升期，所以那時(shí)候的大統(tǒng)一理論注定不會(huì)納入強(qiáng)力和弱力，所以從一開(kāi)始，就注定了愛(ài)因斯坦的大統(tǒng)一理論是難以成功的。