要弄清這個問題,首先讓我們認識一下這位物理學大師。
亥姆霍茲的全名很長,叫赫爾曼·路德維?!れ车夏系隆ゑT·赫姆霍茲,德國人,是生活于19世紀一位偉大的生物物理學家、數學家,是能量守恒定律的創立者。之所以被稱為“生物物理學家”,是因為他不但研究了物理學,還研究了眼的光學結構,還對解剖學、生理學有很深的造詣,發明了驗目鏡、角膜計、立體望遠鏡等等。
他不但在力學、熱學、化學等方面功底深厚,成果顯著,還在電磁學上取得了很大成功。他測得電磁感應傳播速度為314000km/s,從法拉第電解定律推導出電可能是粒子。由此引導它的學生海因里希·魯道夫·赫茲,在1887年實驗證明了電磁波的存在;而他一系列演講,促進了麥克斯韋電磁理論的廣為傳播,讓麥克斯韋引起了世界物理學界注意,成為最偉大的電磁學大師。
其實,這位天才的科學家求學之路并不順利,中學讀完后就因經濟問題不得不輟學,以在軍隊服役8年的條件換到公費進入柏林醫學科學院學習機會,他不但學習了醫學知識,還如饑似渴的旁聽學習化學、生理、數學、哲學等課程,最終以醫學博士的學位完成學業。所以,可以說亥姆霍茲是一個全才。
關于亥姆霍茲把一切都歸結于力的理解。
把世界上的一切都歸結于力,是亥姆霍茲能量守恒理論的核心觀點。關于能量守恒定律,亥姆霍茲主要論點有三,即:一切科學都可以歸結到力學;牛頓力學和拉格朗日力學在數學上是等價的,因此可以用拉氏方法,以里說傳遞的能量或它所作的功來量度力;所有的能量都是守恒的。
有人認為,他這種把一切都歸結于力的觀點,是機械唯物主義,是受到歷史局限的原因。我不這么認為。他在總結了前人研究的力學、熱學、電學、化學成果基礎上,發現了各種運動中的共性,嚴謹證明了能量守恒定律,是人類對自然本質認識的一次重大突破。我認為他對力是世界本質的認識,是他對能量守恒定律本質理解的延伸,是從哲學層面對科學成果的高度概括。
后來的愛因斯坦在能量守恒基礎上,進一步提出了質能守恒定律,這是對物質世界本質更為深刻簡化的高度概括。愛因斯坦把我們世界高度概括為時空物質三位一體,質量和能量是等價可以互換的,用一個簡單的等式就高度濃縮了這個世界物質的本質,即偉大的質能方程:E=MC^2。其中的E表示能量,M表示質量,C表示光速。
現代物理學已經發現了四種基本力。
現代物理學認為,我們世界上所有的物質都受到四種基本力的控制,這就是萬有引力、電磁作用力、強相互作用力、弱相互作用力。過去的理論認為,這些力在不同的作用范圍里起著不同的作用。
萬有引力是最弱的力,作用于一切質點,但作用范圍無限遠;電磁力作用范圍也是無限遠,但強度比萬有引力大10^36倍,只要有電荷就有這種力存在,幾乎充斥在我們生活一切方面;弱力是僅次于萬有引力的第二弱的力,強度是萬有引力的10^32倍,作用范圍最小,只在10^-17m范圍有效,只作用于電子、夸克層子、中微子(微中子)等費米子,并制約著放射性現象;強力是四種基本力中最強的力,強度達到引力的10^38倍,作用范圍也很小,只有10^-15m,又稱核力,就是這種力把原子核聚集在一起。
四種基本力能夠統一在一起嗎?
還是在愛因斯坦時代,就提出了大統一理論,這個理論就是把力圖把四種力統一起來的理論。愛因斯坦的后半生,幾乎就躺在了對這個理論的追求里,夢想著找到一個辦法,將各自為政的四種基本力用一個理論統一起來。他很想像質能方程那樣,一個簡單的等式就揭示出這個世界最隱秘的本質。
但可惜直到1955年逝世,愛因斯坦也沒有弄出個頭緒來。好在后來有很多科學家繼承他的衣缽,不斷在大統一理論方面發力,終于在上世紀六十年代取得突破:格拉肖、溫伯格和薩拉姆等科學家洞悉了電磁力和弱力內在實質的同一性,建立了弱電統一理論,也就是把弱力和電磁力統一起來了。
這個理論的誕生,得益于楊振寧-米爾斯理論,這個理論是由現在健在科學家楊振寧,和美國物理學家羅伯特·勞倫斯·米爾斯聯手創立。這是一個偉大的理論,創立于1954年,是規范場論的鼻祖。開始沒有引起科學界重視,但到了六七十年代,成為統一場論的基礎。
大統一理論能成功嗎?
依然是在楊-米爾斯規范場論的基礎上,建立起了現代粒子物理學的標準模型,這是描述強力、弱力、電磁力三種基本力及組成所有物質基本粒子的理論,這種理論把粒子分為費米子和玻色子兩大類,預言共有61種,現在60種粒子都已經發現并在實驗中得到驗證,只有號稱上帝粒子的希格斯玻色子,已經被發現,還有待進一步驗證。
這個理論算是統一了三種基本力嗎?科學界還有些爭論,認為還存在一些顯著缺陷,且引力還遠遠沒有被納入進來,因此一直沒有成為基礎物理學完全理論的一部分。那么,大統一理論能夠成功嗎?人們把希望寄托在上世紀下半葉逐漸興起的“弦理論”上,認為這個理論很可能是最終突破瓶頸,將四種基本力統一到一個框架的理論。
弦理論認為我們世界最深層次的基本單元并不是粒子,而是比粒子更小很多的線狀的“弦”組成,在這個層面就沒有什么費米子和玻色子之分了,所有的物質都統一于“弦”。在這樣單一的狀態下,還需要那么多種力去解釋嗎?不就只需要一種理論就能解釋嗎?
這或許就是“弦理論”很可能終結四種力的原因吧。
四種力統一了,人類對世界的理解就更簡單。
其實,亥姆霍茲說得一點也沒錯,即便是四種力不統一,這個世界的一切也可以用四種力來解釋。但四種力得到統一的時候,世界就變得更簡單了。當人類對自然界的理解越來越深刻的時候,就會發現整個世界的核心機制原來就是這么簡單,既質樸又優美。
就像看魔術,在花里胡哨的表演面前是那么的撲朔迷離和神秘,但一旦看清其背后的機制或被戳穿,原來是那么的簡單和不堪回味。
與魔術不同的是,大自然的本質永遠值得探索和回味。所以對這個問題我有一點不同意,就是“一旦把一切自然現象都化為簡單的力,科學的任務就算完成了”這種說法。因為人類認識世界本質的探索永無止境,大自然深層機制就像無盡的套娃,一層層不斷深入,隨著對更深層次本質的挖掘,人類文明才能夠不斷向更高層次發展。
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