1、發(fā)信人: lightsun (永恒的追求), 信區(qū): science標(biāo) 題: 對(duì)物理學(xué)歷史的透視發(fā)信站: 一塌糊涂 BBS (Sun Feb 16 16:05:59 2003), 本站()馮端 對(duì)學(xué)科的發(fā)展進(jìn)行歷史透視有助于了解其現(xiàn)狀，展望其未來(lái)。物理學(xué)的歷史很長(zhǎng)，不能樣樣都講到,僅從牛頓開(kāi)始，牛頓以前的很多先驅(qū)性的工作只好從略了。20世紀(jì)前物理學(xué)的三大綜合 17世紀(jì)至19世紀(jì)，物理學(xué)經(jīng)歷了三次大的綜合。牛頓力學(xué)體系的建立標(biāo)志著物理學(xué)的首次綜合，第二次綜合是麥克斯韋的電磁理論的建立，第三次則是以熱力學(xué)兩大定律確立并發(fā)展出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)理論為標(biāo)志。 第一次綜合牛頓力學(xué)17世紀(jì)，牛頓力學(xué)構(gòu)成了完整的體

2、系?？梢哉f(shuō)，這是物理學(xué)第一次偉大的綜合。牛頓將天上行星的運(yùn)動(dòng)與地球上蘋(píng)果下墜等現(xiàn)象概括到一個(gè)規(guī)律里面去了，建立了所謂的經(jīng)典力學(xué)。至于蘋(píng)果下墜啟發(fā)了牛頓的故事究竟有無(wú)歷史根據(jù)，那是另一回事，但它說(shuō)明了人們對(duì)于形象思維的偏愛(ài)。 牛頓力學(xué)的建立 牛頓實(shí)際上建立了兩個(gè)定律，一個(gè)是運(yùn)動(dòng)定律，一個(gè)是萬(wàn)有引力定律。運(yùn)動(dòng)定律描述在力作用下物體是怎么運(yùn)動(dòng)的；萬(wàn)有引力定理則描述物體之間的基本相互作用力。牛頓將兩個(gè)定律結(jié)合起來(lái)運(yùn)用，因?yàn)樾行堑倪\(yùn)動(dòng)或者地球上的拋物體運(yùn)動(dòng)都受到萬(wàn)有引力的影響。牛頓從物理上把這兩個(gè)重要的力學(xué)規(guī)律總結(jié)出來(lái)的同時(shí)，也發(fā)展了數(shù)學(xué)，成為微積分的發(fā)明人。他用微積分、微分方程來(lái)解決力學(xué)問(wèn)題。 由運(yùn)動(dòng)

3、定律建立的運(yùn)動(dòng)方程，可以用數(shù)學(xué)方法把它具體解出來(lái),這體現(xiàn)了牛頓力學(xué)的威力能夠解決實(shí)際問(wèn)題。比如,如果要計(jì)算行星運(yùn)行的軌道，可以按照牛頓所給出的物理思想和數(shù)學(xué)方法，求解運(yùn)動(dòng)方程就行了。根據(jù)現(xiàn)在軌道上行星的位置，可以倒推千百年前或預(yù)計(jì)千百年后它們的位置。海王星的發(fā)現(xiàn)就充分體現(xiàn)了這一點(diǎn)。當(dāng)時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)天王星的軌道偏離了牛頓定律的預(yù)期，問(wèn)題出在哪里呢？后來(lái)發(fā)現(xiàn)，在天王星軌道外面還有一顆行星，它對(duì)天王星產(chǎn)生影響，導(dǎo)致天王星的軌道偏離了預(yù)期的軌道。進(jìn)而人們用牛頓力學(xué)估計(jì)出這個(gè)行星的位置，并在預(yù)計(jì)的位置附近發(fā)現(xiàn)了這顆行星海王星。這表明，牛頓定律是很成功的。 按照牛頓定律寫(xiě)出運(yùn)動(dòng)方程，若已知初始條件物體的位置

4、和速度，就可以求出以后任何時(shí)刻物體的位置和速度。這一想法經(jīng)拉普拉斯推廣，表述為一種普適的確定論：既然組成世界的全部粒子在某一瞬間各自具有特定的位置與速度，而且都遵從確定的定律，因而隨后世界上任何情況都將毫無(wú)例外地完全確定。這就是拉普拉斯確定論。它和宿命論的思想不謀而合，但與我們?nèi)粘Ｉ畹母惺懿煌ㄈ粘Ｉ钪薪?jīng)常碰到不確定、不可預(yù)知的情況）。這個(gè)內(nèi)涵豐富的問(wèn)題到20世紀(jì)才解決。 牛頓力學(xué)的新表述 19世紀(jì)，經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展表現(xiàn)為科學(xué)家用新的、更簡(jiǎn)潔的形式重新表述牛頓定律，如拉格朗日方程組、哈密頓方程組等。這些表述形式不一，實(shí)質(zhì)并沒(méi)有改變。這是19世紀(jì)牛頓力學(xué)發(fā)展的一個(gè)方面。另一方面，就是將牛頓定律

5、推廣到連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)問(wèn)題中去，出現(xiàn)了彈性力學(xué)、流體力學(xué)等。在這一方面，20世紀(jì)有更大的發(fā)展，特別是流體力學(xué)，最終導(dǎo)致航空甚至航天的出現(xiàn)。因此，牛頓定律到現(xiàn)在還是非常重要的，牛頓定律還是大學(xué)課程中不可缺少的一個(gè)組成部分。當(dāng)然，其表達(dá)方法應(yīng)隨時(shí)代發(fā)展而有所不同。 牛頓關(guān)于力學(xué)研究的成果，寫(xiě)在一本叫自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理（簡(jiǎn)稱(chēng)原理）的巨著中。只要稍微翻一下這本書(shū)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它非常難懂。牛頓的一個(gè)重要貢獻(xiàn)是從萬(wàn)有引力定律和運(yùn)動(dòng)定律把行星運(yùn)動(dòng)的軌道推導(dǎo)了出來(lái)?，F(xiàn)在在學(xué)習(xí)理論力學(xué)時(shí)，行星運(yùn)動(dòng)的橢圓軌道問(wèn)題是不太難的，解微分方程就可以求出來(lái)。但牛頓在原理里沒(méi)有用微積分，更沒(méi)有用解微分方程的方法，而純粹是用幾何方法

6、把橢圓軌道推出來(lái)的?，F(xiàn)代科學(xué)家就不一定能看懂他這一套東西。理論物理學(xué)家費(fèi)恩曼曾說(shuō)他對(duì)現(xiàn)代數(shù)學(xué)比牛頓強(qiáng)得多，但對(duì)17世紀(jì)牛頓熟悉的幾何學(xué)他就不一定能全部掌握。他花了好些時(shí)間，想用牛頓的思路把行星的橢圓軌道全部證明出來(lái)，結(jié)果還是有些環(huán)節(jié)證不出來(lái)。最后他不得已調(diào)整了方法。雖然沒(méi)有完全依照牛頓的方法，但基本上還是用幾何方法把這個(gè)問(wèn)題證明出來(lái)了。 科學(xué)理論的表達(dá)是隨時(shí)間變化的?，F(xiàn)在看來(lái)，牛頓運(yùn)動(dòng)定律的關(guān)鍵問(wèn)題，譬如行星運(yùn)動(dòng)是橢圓軌道，應(yīng)有可能在普通物理中講授，因?yàn)楹?jiǎn)單的微分方程已經(jīng)可以用計(jì)算機(jī)求解了。由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展，也許今后講牛頓定律時(shí)，就可以在課堂上把行星運(yùn)動(dòng)橢圓軌道的一些基本概念說(shuō)清楚了。這也可以

7、說(shuō)明，教學(xué)問(wèn)題與現(xiàn)代科技是息息相關(guān)的。 不可積問(wèn)題 牛頓定律取得了很大的成功，它具有完全確定的規(guī)律性。但它和拉普拉斯的確定論究竟是什么關(guān)系？這值得探討。 另一個(gè)值得一提的，是所謂的三體問(wèn)題。一體問(wèn)題最簡(jiǎn)單，一個(gè)物體在固定的中心力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。兩體問(wèn)題也不復(fù)雜，就是兩個(gè)互相吸引的物體的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，結(jié)果是兩個(gè)物體都繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，大質(zhì)量物體的軌道小一些，小質(zhì)量物體的軌道大一些。如果再加一個(gè)物體，即三個(gè)物體之間存在著吸引力，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就是天體力學(xué)上很有名的三體問(wèn)題。天體力學(xué)上的軌道計(jì)算就涉及到三體問(wèn)題，這通常是通過(guò)微擾論來(lái)解決，即把第三個(gè)物體的影響當(dāng)作微擾來(lái)處理。譬如，地球與太陽(yáng)是兩體問(wèn)題，加上月亮就構(gòu)成

8、了三體問(wèn)題。月亮對(duì)地球軌道也有影響，但這個(gè)影響很小，這就可以用微擾的方法來(lái)處理。當(dāng)三個(gè)物體都不能當(dāng)作微擾來(lái)對(duì)待時(shí)，就是三體問(wèn)題了。 在19世紀(jì)，三體問(wèn)題是天體力學(xué)的一個(gè)非常引人注目的問(wèn)題。為解決太陽(yáng)系的穩(wěn)定性問(wèn)題，當(dāng)時(shí)的挪威國(guó)王曾設(shè)立一筆獎(jiǎng)金。這筆獎(jiǎng)金最后頒給了法國(guó)著名的數(shù)學(xué)家龐加萊。龐加萊證明了三體問(wèn)題是不可解的，或更確切地說(shuō)是不可積分的。有解的運(yùn)動(dòng)方程，其位置與時(shí)間的關(guān)系最終總可以表達(dá)為一個(gè)積分，在最理想的情況下，這個(gè)積分是積得出來(lái)的，即使積不出來(lái)也至少能表達(dá)為定積分。這就是物理學(xué)常見(jiàn)的可積問(wèn)題。在大學(xué)物理課程中講授的幾乎都限于可積問(wèn)題，諸如行星的運(yùn)動(dòng)和單擺系統(tǒng)中擺的運(yùn)動(dòng)等。這類(lèi)可積問(wèn)題的

9、規(guī)律是確定的，計(jì)算出的軌道也是確定無(wú)疑的，知道了初條件，以后的所有情況都能一一推出來(lái)。如果問(wèn)題不是可積的，像龐加萊證明的三體問(wèn)題，情況就完全不同了，就會(huì)出現(xiàn)所謂“對(duì)初始條件的敏感性”。如果是可積問(wèn)題，初始條件作微量調(diào)整，最終軌道也只要作微量修正就行了；如果是不可積問(wèn)題，初始條件的微小變動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致軌道完全不一樣。中國(guó)有句古話(huà)“差之毫厘，失之千里”，說(shuō)的就是存在一些對(duì)初始條件敏感的情況。通過(guò)對(duì)三體問(wèn)題的研究，人們發(fā)現(xiàn)，有些運(yùn)動(dòng)對(duì)初始條件極其敏感。20世紀(jì)如果說(shuō)經(jīng)典力學(xué)有所發(fā)展的話(huà)，其中一個(gè)是在四五十年代發(fā)展的KAM理論。在可積與不可積之間，存在一個(gè)近可積區(qū)域，KAM理論是講這種近可積區(qū)域里運(yùn)動(dòng)規(guī)律

10、是怎樣的。KAM理論是由前蘇聯(lián)科學(xué)家科爾莫戈羅夫（A.N.Kolmogorov）、阿諾爾德（V.I.Arnold）和瑞士科學(xué)家莫澤（J.K.Moser）三人證明的。20世紀(jì)力學(xué)的另一個(gè)發(fā)展，就是70年代出現(xiàn)的混沌理論，這說(shuō)明不可積系統(tǒng)中粒子軌道是不確定的。也就是說(shuō)，牛頓定律本身雖是確定性的，但它所描述的具體事物，很可能出現(xiàn)隨機(jī)行為。這樣一來(lái)，拉普拉斯的確定論就站不住腳了。人們對(duì)初始條件的控制能力是有限的，不可能無(wú)限地精確下去，因此初始條件的微量變化，就有可能會(huì)造成運(yùn)動(dòng)軌跡完全不可預(yù)測(cè)。這表明經(jīng)典力學(xué)具有非常豐富的內(nèi)容，有些尚待進(jìn)一步探索。 第二次綜合麥克斯韋電磁理論 歷史上，電與磁是分別發(fā)現(xiàn)和

11、研究的。后來(lái)，電與磁之間的聯(lián)系發(fā)現(xiàn)了，如奧斯特（H.C.Oersted）發(fā)現(xiàn)的電流磁效應(yīng)和安培發(fā)現(xiàn)的電流與電流之間相互作用的規(guī)律。再后來(lái)，法拉第提出了電磁感應(yīng)定律，這樣電與磁就連成一體了。19世紀(jì)中葉，麥克斯韋提出了統(tǒng)一的電磁場(chǎng)理論，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)的第二次大綜合。電磁定律與力學(xué)規(guī)律有一個(gè)截然不同的地方。根據(jù)牛頓的設(shè)想，力學(xué)考慮的相互作用，特別是萬(wàn)有引力相互作用，是超距的相互作用，沒(méi)有力的傳遞問(wèn)題（當(dāng)然，用現(xiàn)代觀點(diǎn)看，引力也應(yīng)該有傳遞問(wèn)題）,而電磁相互作用是場(chǎng)的相互作用。從粒子的超距作用到電磁場(chǎng)的“場(chǎng)的相互作用”，這在觀念上有很大變化。場(chǎng)的效應(yīng)被突出出來(lái)了。電場(chǎng)與磁場(chǎng)不斷相互作用造成電磁波的傳播，

12、這一點(diǎn)由赫茲在實(shí)驗(yàn)室中證實(shí)了。電磁波不但包括無(wú)線(xiàn)電波，實(shí)際上包括很寬的頻譜，其中很重要的一部分就是光波。光學(xué)在過(guò)去是與電磁學(xué)完全分開(kāi)發(fā)展的，麥克斯韋電磁理論建立以后，光學(xué)也變成了電磁學(xué)的一個(gè)分支了，電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)得到了統(tǒng)一。這個(gè)統(tǒng)一在技術(shù)上有重要意義，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)幾乎都是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的。電磁波的應(yīng)用導(dǎo)致現(xiàn)代的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。直到現(xiàn)在，電磁學(xué)在技術(shù)上還是起主導(dǎo)作用的一門(mén)學(xué)問(wèn)，因此，在基礎(chǔ)物理學(xué)中電磁學(xué)始終保持它的重要地位。電磁學(xué)牽涉到在什么參考系統(tǒng)中來(lái)看問(wèn)題，牽涉到運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體的電動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。直觀地說(shuō)，“電流即電荷的流動(dòng)產(chǎn)生磁效應(yīng)”，但判斷電荷是否流動(dòng)就牽涉到觀察者的問(wèn)題參考系問(wèn)題。光學(xué)是電

13、磁學(xué)的一部分，所以這個(gè)問(wèn)題也可表達(dá)成“光的傳播與參考系統(tǒng)有什么關(guān)系”。邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)表明慣性系中真空光速為不變量。這樣一來(lái)，也就肯定了在慣性系統(tǒng)中電磁學(xué)遵循同一規(guī)律。這實(shí)際上導(dǎo)致了后來(lái)的愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論。狹義相對(duì)論基本上是電磁學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣。邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)在19世紀(jì)還沒(méi)能解釋清楚，這是19世紀(jì)遺留的一個(gè)重要問(wèn)題。 物理學(xué)的第三次綜合熱力學(xué)基本定律 物理學(xué)的第三次綜合是從熱力學(xué)開(kāi)始的，是關(guān)于大量物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的問(wèn)題。這次綜合牽涉到熱力學(xué)的兩大基本定律熱力學(xué)第一定律與第二定律，即能量守恒定律和熵的恒增原理。這兩條定律確定了熱力學(xué)的基本規(guī)律，但是人們不滿(mǎn)足于這樣單純地、宏觀地描述物理現(xiàn)象，

14、于是發(fā)展了分子動(dòng)力學(xué)，從微觀的角度來(lái)說(shuō)明氣體狀態(tài)方程等宏觀規(guī)律。同時(shí)，也建立了玻爾茲曼的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)。這些研究都是為理解物質(zhì)的性質(zhì)，特別是熱力學(xué)性質(zhì)而進(jìn)行的。這方面的發(fā)展促進(jìn)了物理學(xué)與現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展。一些有實(shí)證論哲學(xué)傾向的學(xué)者，如馬赫（E.Mach）等人，對(duì)玻爾茲曼的原子論提出了猛烈的批評(píng)，形成了19世紀(jì)末物理學(xué)界的一場(chǎng)大辯論：原子到底是真的，還是人們?yōu)榱苏f(shuō)明問(wèn)題而提出的假設(shè)？這直到1905年愛(ài)因斯坦提出布朗運(yùn)動(dòng)理論，并得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)后，才得到圓滿(mǎn)解釋。原子論終于得到了學(xué)術(shù)界的公認(rèn)。19世紀(jì)末還提出過(guò)很多問(wèn)題，如黑體熱輻射能譜問(wèn)題、多原子氣體的比熱問(wèn)題等。這些問(wèn)題在經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論中都得不到解釋?，F(xiàn)

15、代物理學(xué)20世紀(jì)物理學(xué) 20世紀(jì)初，物理學(xué)就取得了兩大突破：一個(gè)是普朗克提出了作用量子的概念，一個(gè)是愛(ài)因斯坦提出的狹義相對(duì)論的時(shí)空觀。 量子力學(xué)和相對(duì)論的建立 1900年，英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)爾文在贊美19世紀(jì)物理學(xué)成就的同時(shí)，指出：“在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵小小的、令人不安的烏云?！边@兩朵烏云，指的是當(dāng)時(shí)物理學(xué)無(wú)法解釋的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是黑體輻射實(shí)驗(yàn)，另一個(gè)是邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)。正是這兩朵烏云導(dǎo)致了量子論與相對(duì)論的誕生。 1905年，愛(ài)因斯坦在論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)一文中系統(tǒng)地提出了后來(lái)被稱(chēng)為“狹義相對(duì)論”的理論。之所以叫“相對(duì)論”，是因?yàn)檫@個(gè)理論的出發(fā)點(diǎn)是兩條基本假設(shè)，第一條是“相對(duì)性原理”，

16、即在一切慣性系中物理規(guī)律都相同；第二條是真空中光速不變，不管在哪個(gè)慣性系中，測(cè)得的真空光速都相同。這兩條假設(shè)是不矛盾的，在一切慣性系中，麥克斯韋方程組都相同，就必然在一切慣性系中有相同的真空中電磁波速即光速。狹義相對(duì)論摒棄了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，認(rèn)為空間、時(shí)間與運(yùn)動(dòng)有關(guān)，得出了質(zhì)量與能量的簡(jiǎn)單關(guān)系，以及關(guān)于高速運(yùn)動(dòng)物體的力學(xué)規(guī)律。這對(duì)隨后發(fā)展粒子加速器技術(shù)是至關(guān)重要的。 1915年，愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了廣義相對(duì)論，從而彌補(bǔ)了經(jīng)典力學(xué)的另一漏洞，即無(wú)法解釋物體在強(qiáng)引力場(chǎng)中的行為。由牛頓定律計(jì)算出來(lái)的水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)，要比天文觀測(cè)值小。廣義相對(duì)論是一種引力理論，認(rèn)為引力是時(shí)空彎曲的結(jié)果，它非常好地解釋了水星

17、近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)問(wèn)題。廣義相對(duì)論預(yù)言引力會(huì)引起光的頻率變化，即引力頻移。它同時(shí)預(yù)言光線(xiàn)在引力場(chǎng)中會(huì)彎曲。這些都被天文觀察所證實(shí)。廣義相對(duì)論盡管取得了很大成功，但對(duì)地球上的問(wèn)題很少有影響，同時(shí)它用到的數(shù)學(xué)太復(fù)雜，故普通物理學(xué)往往不予討論。廣義相對(duì)論引入物體的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量?jī)蓚€(gè)概念。慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量，它們的值是相同的，在牛頓力學(xué)中對(duì)此僅加以承認(rèn)，而無(wú)法解釋。愛(ài)因斯坦基于這兩種質(zhì)量相等，提出了等效原理。承認(rèn)等效原理，慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等也就是自然的事了。事實(shí)上，大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在一定精確度（比如109）內(nèi)，二者確實(shí)是一樣的。相對(duì)論使經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到登峰造極的境地。 1900年德國(guó)科學(xué)家普朗克提出能量

18、子概念，19251926年海森伯和薛定諤最終建立了量子力學(xué)，解決了原子物理、光譜等基本問(wèn)題，取得了巨大成功。之后，量子力學(xué)有兩個(gè)重要發(fā)展方向，一是將量子力學(xué)向更?。ㄈ缭右韵碌模┏叨葢?yīng)用。原子的中心是原子核，原子核又是由中子、質(zhì)子構(gòu)成，因此進(jìn)一步就是把量子力學(xué)用到原子核。原子核有各式各樣的衰變，還可以人工蛻變，原子核物理學(xué)就是在量子力學(xué)指引下發(fā)展的。再進(jìn)一步，就是現(xiàn)代所謂的基本粒子物理學(xué)，“基本”這兩個(gè)字，常常只是在一段時(shí)間內(nèi)被當(dāng)作基本的?，F(xiàn)在認(rèn)為物質(zhì)的基本構(gòu)成單元是最微小的輕子、夸克、膠子和其他中間玻色子。量子力學(xué)的另一個(gè)發(fā)展方向，就是把量子力學(xué)用于處理更大尺度上的問(wèn)題,比如分子的問(wèn)題（即量

19、子化學(xué)問(wèn)題）和固體物理或凝聚態(tài)物理的問(wèn)題。從研究對(duì)象的尺度看，從固體物理到地球物理、行星物理，再到天體物理和宇宙物理，其研究范圍越來(lái)越大。奇怪的是,宇宙的研究又和基本粒子的研究聯(lián)系起來(lái)了，兩個(gè)不同的發(fā)展方向，回環(huán)曲折，最后又歸攏在一起了。統(tǒng)一理論在發(fā)展過(guò)程中，物理學(xué)逐步加深了對(duì)相互作用的認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)在歸結(jié)為四種基本相互作用：引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和強(qiáng)相互作用。引力和電磁相互作用是大家都熟悉的，而弱相互作用和強(qiáng)相互作用是短程的，基本上就是在原子核的尺度上表現(xiàn)出來(lái)。在大塊物質(zhì)里,一般來(lái)說(shuō)，看不到弱相互作用與強(qiáng)相互作用的痕跡。各種相互作用在強(qiáng)度上有差異，如果以強(qiáng)相互作用的強(qiáng)度為1的話(huà)，那

20、么比強(qiáng)相互作用稍弱一點(diǎn)的是電磁相互作用，其值約為102；更弱一點(diǎn)的是弱相互作用，其值約為10131019；引力相互作用似乎日常生活都感覺(jué)到，但它是最弱的，僅為1039。物理學(xué)家一直企圖將四種作用力統(tǒng)一，愛(ài)因斯坦晚年幾乎花了半生的時(shí)間，試圖將電磁相互作用與引力相互作用進(jìn)行統(tǒng)一。應(yīng)該說(shuō)他的研究方向是對(duì)的，但沒(méi)有取得實(shí)在的成果。真正取得進(jìn)展的是量子場(chǎng)論。20世紀(jì)三四十年代，量子電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展成功地解釋了電磁相互作用。60年代，又發(fā)展了解釋強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)。隨后，就將弱相互作用與電磁相互作用進(jìn)行統(tǒng)一，即溫伯格薩拉姆電弱統(tǒng)一理論，這為各種相互作用統(tǒng)一理論邁出了成功的第一步。后來(lái)有人希望把強(qiáng)相互作

21、用也統(tǒng)一起來(lái)，稱(chēng)之為大統(tǒng)一理論。大統(tǒng)一理論到現(xiàn)在為止還缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)。物質(zhì)結(jié)構(gòu)有不同的層次。隨著物質(zhì)尺度的減小，能量越來(lái)越高。根據(jù)電弱統(tǒng)一理論，對(duì)應(yīng)原子尺度（1010米）的能量是102吉電子伏左右?，F(xiàn)在最大的加速器在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，它能夠達(dá)到2000吉電子伏。為建造更高能量的加速器，美國(guó)有一個(gè)超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)(superconducting supercollider，SSC)計(jì)劃，設(shè)計(jì)能量為40太電子伏，但是這個(gè)計(jì)劃已經(jīng)被否定了，因?yàn)榛ㄥX(qián)太多，要100多億美元?，F(xiàn)在可能建成的是歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），設(shè)計(jì)能量是14太電子伏。弱電統(tǒng)一所需的能量是現(xiàn)在可及的范圍，因此這個(gè)理論得到了證實(shí)。大統(tǒng)一所需的能量幾乎就是不可及的了，再大的加速器似乎也達(dá)不到那么大的能量。將四種相互作用都統(tǒng)一時(shí)，對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度是普朗克尺度，用人工方法可能是做不到這一點(diǎn)的?，F(xiàn)代宇宙學(xué)提出了大爆炸理論。大爆炸的瞬間應(yīng)該是能量最高的瞬間。從理論上估計(jì)，大約在大爆炸后1043秒時(shí)出現(xiàn)普朗克尺度。在這個(gè)瞬間