物理學(xué)界的痛點(diǎn)，引力與電磁力的統(tǒng)一，愛(ài)因斯坦半輩子也沒(méi)完成！

在物理學(xué)的宏大版圖中，有一個(gè)夢(mèng)想從20世紀(jì)初就縈繞在科學(xué)家們的心頭，將引力與電磁力統(tǒng)一起來(lái)。這一探索不僅關(guān)乎宇宙基本規(guī)律的簡(jiǎn)潔呈現(xiàn)，更有可能為人類(lèi)打開(kāi)一扇通往全新物理世界的大門(mén)。但這個(gè)問(wèn)題實(shí)在太難了，連愛(ài)因斯坦都為之傾注半生心血，最終卻抱憾而終。

引力，是我們?nèi)粘Ｉ钪凶钍煜さ牧χ唬O(píng)果落地、行星繞日，背后都是引力在起作用。

在牛頓提出萬(wàn)有引力定律后，引力被描述為物體之間因質(zhì)量而產(chǎn)生的吸引力，其大小與物體質(zhì)量成正比，與距離的平方成反比。而愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，則賦予了引力更深刻的內(nèi)涵，它指出引力并非一種傳統(tǒng)意義上的力，而是質(zhì)量和能量彎曲時(shí)空的表現(xiàn)，就像一個(gè)大質(zhì)量天體在時(shí)空中造成的凹陷，使得周?chē)奈矬w沿著彎曲的時(shí)空軌跡運(yùn)動(dòng)。

電磁力同樣無(wú)處不在，從我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娖鞯诫娮釉O(shè)備中的芯片，都離不開(kāi)電磁力的作用。

19世紀(jì)，麥克斯韋方程組的誕生，成功地將電和磁統(tǒng)一起來(lái)，揭示了它們是電磁現(xiàn)象的不同表現(xiàn)形式。電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又能感應(yīng)出電場(chǎng)，光也被證明是一種電磁波，在真空中以光速傳播。

為何要執(zhí)著于統(tǒng)一引力與電磁力呢？

從物理學(xué)的發(fā)展歷程來(lái)看，統(tǒng)一一直是推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步的強(qiáng)大動(dòng)力。牛頓統(tǒng)一了天地間的力學(xué)，麥克斯韋統(tǒng)一了電與磁，這些偉大的成就都讓人類(lèi)對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)上升到了新的高度。如果能將引力與電磁力統(tǒng)一，就意味著找到了一個(gè)更基本、更通用的理論，能夠解釋宇宙中所有與這兩種力相關(guān)的現(xiàn)象，這無(wú)疑是物理學(xué)的圣杯。

愛(ài)因斯坦在完成廣義相對(duì)論后，便全身心投入到統(tǒng)一引力與電磁力的研究中。

他試圖通過(guò)幾何化的方法，將電磁力納入廣義相對(duì)論的時(shí)空框架內(nèi)。受卡魯扎 - 克萊因理論的啟發(fā)，愛(ài)因斯坦考慮引入額外的維度，希望在高維時(shí)空中實(shí)現(xiàn)引力與電磁力的統(tǒng)一。

在這個(gè)理論中，第五維被卷曲成極小的尺度，以至于我們?cè)谌粘Ｉ钪袩o(wú)法察覺(jué)。但遺憾的是，愛(ài)因斯坦的各種嘗試都未能得到與實(shí)驗(yàn)相符的結(jié)果，他的努力最終未能成功。

愛(ài)因斯坦之后，物理學(xué)家們并沒(méi)有放棄這一目標(biāo)，超弦理論應(yīng)運(yùn)而生。

該理論認(rèn)為，宇宙的基本構(gòu)成不是點(diǎn)粒子，而是一維的弦。這些弦在不同的振動(dòng)模式下，表現(xiàn)為不同的基本粒子，從而產(chǎn)生各種相互作用。

弦理論需要在十維甚至更多的維度中才能自洽，這其中包括我們熟悉的四維時(shí)空以及額外的蜷縮維度。在這個(gè)框架下，引力與電磁力有可能統(tǒng)一起來(lái)，因?yàn)樗鼈兌伎梢酝ㄟ^(guò)弦的振動(dòng)來(lái)描述。但弦理論目前還面臨著諸多挑戰(zhàn)，如實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證困難、數(shù)學(xué)計(jì)算復(fù)雜等。

另一個(gè)值得關(guān)注的方向是圈量子引力理論，它試圖將引力量子化，從而與描述電磁力、強(qiáng)力和弱力的量子場(chǎng)論相統(tǒng)一。在圈量子引力理論中，時(shí)空不再是連續(xù)和平滑的，而是由離散的“圈”構(gòu)成，引力則通過(guò)這些圈的相互作用來(lái)體現(xiàn)。雖然該理論取得了一些進(jìn)展，但距離實(shí)現(xiàn)引力與電磁力的統(tǒng)一還有很長(zhǎng)的路要走。