万物至理——大一统理论发展史(上)

    如果说各行各业都有自己的信仰,如同医生是救死扶伤,教师是教书育人,那么我想对于很多的物理学家和爱好者来说,一切的科学研究的目的似乎只有一个:那便是完成大统一理论了。

在很多领域,人类存在巨大的分歧:中国人为了国家的统一而殚精竭虑奋斗不息的时候,遥远的欧洲却安于一个国家一个民族的分裂局面;在中国人以恪守儒家礼仪、以为集体作出贡献而感到骄傲的时候,遥远的西方人正在鼓吹自由主义才是人类真正的价值追求。纵然人类有如此多的差异,也有共同的事物使这个星球上的大多数人为之疯狂。像那炫目辉煌的黄金,古埃及人把它覆盖在法老的棺椁和面具上;欧洲人为它忘记了圣经上的戒律,横渡大西洋砍掉了无数美洲人的臂膀;中国的帝王贪官则为它索取无度,最终得来的自然是亡国的笑柄和阴森的牢房……



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      虽然人类在政治版图上的统一具有相当的难度,然而在追求自然法则统一的统一上态度确是惊人的相似的。在古代中国,哲人们提出了“阴阳五行”的哲学概念:世界上一切物质都具有相互对立和相互联系的力量,而一切的物质都由“五行”五种基本物质组成。在古希腊,希腊哲学家便提出要“四大元素”的概念,他们将世界上的一切事物归结于四大元素的组成。在公元前350年左右,亚里士多德在其基础上提出了“第五元素“:以太。以太本来是表示天体的组成元素,在近现代物理学中,以太作为光在太空中的介质而在物理学中再度出现,并被伟大的物理学家牛顿所引用。1887年,迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰做的用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的一项著名的物理实验。结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的,由此否认了以太(绝对静止参考系)的存在,从而动摇了经典物理学基础,成为近代物理学的一个发端,也为后来的相对论的创立奠定了基础。从“以太”的兴起和没落我们可以看出物理学也在传承中不断的发展。



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      16世纪的物理学家,数学家,天文学家伽利略(Galileo Galilei,1564.02.15-1642.01.08)开始把自然科学引入正轨。他主张将科学建立在严密的实验和合理的逻辑推理上。他在著名的斜面实验的基础上合理推导出了惯性定律,从而推翻了亚里士多德的臆想。他制造了人类历史上第一个天文望远镜,使人类第一次看到了月球上的环形山。他主张的数学与实验相结合的研究方法,使后来的科学家们找到了探索自然的渠道。中世纪的最后的黑夜里孕育着科学的曙光,第一次工业革命的蒸汽机的声音似乎在隆隆作响。人类即将开始摆脱过去的劳动方式,迎来有史以来最大的技术革命和社会变革。

        1643年1月4日,人类历史上最伟大的物理学家、数学家牛顿(Isaac Newton1643.1.4日—1727.3.31)诞生。在无数前人研究的基础上,天才的牛顿在1687年出版了划时代的巨著:《自然哲学的数学原理》。通过这部巨著,人类第一次将人间天堂进行了统一:在牛顿运动三大定律和万有引力定律的支配下,无论是地面,空中,或者太空中的宏观物体运行规律都可以用数学语言进行描述。通过刚刚诞生的微积分,牛顿论证了开普勒行星运动定律的正确性,从而彻底摧毁了地心说。在力学上,牛顿创立了动量和和角动量守恒定律。牛顿创立的经典力学体系是人类历史上对自然界运行规律的第一次大统一,由于它的创立和微积分的发明,第一次工业革命的发生便具有了理论上的条件。轰轰烈烈的第一次工业革命使人类创造出巨大的财富,使大航海时代积累的巨额资本开始发挥力量。



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        诗人亚历山大·波普(Alexander Pope)为牛顿写下了以下这段墓志铭:Nature and Nature' law lay hid in night ; God said,"Let Newton be," and all was light。自然与自然的定律,都隐藏在黑暗之中;上帝说"让牛顿来吧!"于是,一切变为光明。

        同时我们不能不提一位伟大女性——艾米丽·杜·夏特莱(Emililie Du Chatelet),她是路易斯十四礼宾官的女儿。她翻译的《自然哲学的数学原理》成为该书法文版永恒的经典;她认真研究动量和动能的概念,最终认同莱布尼兹关于动能的概念(即E=1/2mv2),从而否定了牛顿认为的动能观念(牛顿认为运动的物体“活力”—一即动能为其质量乘以速度P=mv,现在P的概念为物体的动量而非动能);他独自创立一个科学研究团体,其阵容可以和法国皇家科学院相媲美;她追求女性的独立的精神,其思想或许连今天的女性都难以望其项背……



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        1791年9月22日,伟大的迈克尔·法拉第 (Michael Faraday1791~1867)诞生了。法拉第出身一个贫困的铁匠家庭,却对自然科学有着极为浓厚的兴趣。他的父亲是个铁匠,体弱多病,收入微薄,仅能勉强维持生活的温饱。但是父亲非常注意对孩子们的教育,要他们勤劳朴实,不要贪图金钱地位,要做一个正直的人。这对法拉第的思想和性格产生了很大影响。在自然科学被贵族垄断的年代,法拉第靠着做订书学徒的机会几乎读完了所有过手的书籍。法拉第的勤奋好学赢得了一位老主顾青睐,他获得了一张著名化学家戴维的演讲票。那位老主顾的行为无疑将已经改变了人类的文明进程:法拉第立志要解开上帝自然法则的秘密,1831年,法拉第第一次发现了电磁感应现象,得到了产生交流电的方法,进而发明了人类历史上第一个发电机。他的发现奠定了人类电磁学的的基础。19世纪的空气中,已经弥漫着第二次工业革命的气息。


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      法拉第晚年和伟大的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831〜1879)成为忘年交。由于早年没有系统的接受过教育,法拉第无法验证自己的猜想:光的本质是电磁波。1873年,麦克斯韦出版了巨著《论电和磁》,不仅从理论上论证了电磁波即光的本质,更从理论上完成了经典电磁领域的统一。这是人类在电磁领域的大综合。伟大的法拉第为电磁学大厦奠定了坚实基础,而天才的麦克斯韦建立了电磁学完美的大厦,为日后的无线电通讯建立了理论基础。今天的我们都因为他们而受益。


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        此时,世界上的宏观物体似乎可以统一于经典力学体系,而热力学三大定律也趋于完成,伟大的麦克斯韦已为电磁学的大厦盖上了最后一块砖瓦。19世纪最后一天,众多物理学家齐聚一堂,开尔文(Kelvins1824.6月26-1907.12.17)勋爵,这个执拗却又充满童真的老头子在新年会议上发表贺词,他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作。同时,他在展望20世纪物理学前景时,却若有所思地讲道:“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式,现在,它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了,”“第一朵乌云出现在光的波动理论上”,“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。威廉.汤姆生在1900年4月曾发表过题为《19世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的文章。他所说的第一朵乌云,主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾;他所说的第二朵乌云,主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果,其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。当时的物理学家们不会想到,当他们沉醉于经典力学、经典电磁场理论、经典统计力学的宏大的经典物理大厦的时候,从这2朵小小的乌云上,即将诞生2个伟大的20世纪最伟大的物理理论:相对论和量子力学。而这2个伟大的理论,将产生一场狂风暴雨般的变革。它们将摧毁一切旧有的体系,在经典物理大厦的废墟上,建立一座更加伟大的物理体系......


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