万物至理——大一统理论发展史（中）

1899年最后一天的午夜，孤独的时钟传来报时的声音，从此刻开始，人类迈入了历史上变革空前剧烈的世纪。在遥远的东方，大清帝国的统治正摇摇欲坠。古老的中国正在痛苦的寻找变法图强的道路，政治思想正在进行着激烈地碰撞。此时在繁华的西方世界，普朗克已经发现了我们的世界已经不再连续。这种量子化的思想即将摧毁旧有的物理观念，从此为人类的世界观打开一条新的大道。

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        如同开尔文勋爵的演讲词，20世纪初，物理学上空的第二朵乌云，即关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上发现的能量均分定则在气体比热以及热辐射能谱理论出现的紫外灾难，开始渐渐积蓄着摧毁旧有体系的力量：1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式（能量子）实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出普朗克公式，正确地给出了黑体辐射能量分布。在此之前，能量均分定理指出黑体辐射在紫外区域会趋于无穷大，而这一理论结果与实验极为不符。在1901年普朗克的著作《热辐射理论》中，普朗克也难以接受将电磁波量子化的思想。而最终将电磁波量子化的伟大人物，正是日后蜚声全球的阿尔伯特·爱因斯坦。

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        1905年，爱因斯坦真正从理论上解释了光量子理论。远在1887年，赫兹在实验中发现当光照在两个带电球之间时它们之间的电流会变大。虽然这个及其微弱的光亮对赫兹的实验报告没有影响，但赫兹还是将它记录了下来。匆匆离开人世的赫兹不会想到，就在20年后，他一个细心的发现将为光电效应提供有利的证据，继而为人类的彩色照相机的发明打开了大门。

        光量子理论突破了人类认识光的常识：它表明电磁波不再连续，而是由带有一份份量子化的能量的光子组成的。在此基础上，爱因斯坦又提出了固体震动能量量子化的理论。1921年，爱因斯坦因为建立了光量子理论而获得诺贝尔物理学奖。

          在原子结构理论的建立上，1898年，JJ汤姆孙提出了“枣糕模型”：原子是一个带正电荷的球，电子镶嵌在里面，原子好似一块“葡萄干布丁”，故名“枣糕模型”。

          1911年，卢瑟福提出了行星模型。它如图今天我们看到的大部分原子雕塑那样，原子的大部分体积是空的，并且其大部分质量集中在原子核，电子按照一定轨道围绕着一个带正电荷的很小的原子核运转。这个模型无疑在美学上是漂亮的，但是，它无法解决原子光谱的不连续等诸多问题。但是今天，因为行星模型易于接受和它美丽的原因而被大众广泛了解。

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        1913年，为了解释氢原子线状光谱这一事实，玻尔在行星模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型：电子在固定的轨道运动，且轨道是量子化的，电子只能从一个轨道跃迁到其他轨道，在跃迁的同时，原子便释放或吸收相应的能量。

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      但波尔的理论不能很好的解释其它原子的光谱，于是在20年代，一批物理学家基于伟大的德国物理学家海森堡的测不准原理（即你不可能同时准确知道一个粒子的位置和它的速度，粒子位置的不确定性，必然大于或等于普朗克常数（Planck constant）除于4π（ΔxΔp≥h/4π））提出了电子云模型。电子云模型不再以轨道描述微观粒子的运行规律，而是以电子在某一位置出现的概率。而其中的核心方程式，则是薛定谔在1926年提出的薛定谔方程。

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        而在人类认识到物质同时具有波粒二象性之后，为了解释经典物理体系下无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于1923年提出了物质波这一概念。认为一切微观粒子均伴随着一个波，这就是所谓的德布罗意波。

        在微观领域，量子力学已经几乎可以完美地解释实验观察到的现象。但是，物理学上空的第一朵乌云依然压在一位瑞士专利局小职员的心上。经过多年的思考，1905年，这个名叫阿尔伯特·爱因斯坦提出了震惊世界的狭义相对论。它几乎完美地解释了牛顿心中的困惑：引力的本质是什么？他也完美地解释了水星绕太阳的轨道和牛顿引力方程差异的原因。

        1905年，爱因斯坦发表了5篇论文，覆盖了3个不同的领域：光电效应、布朗运动和狭义相对论。它彻底地改变了物理学的前进方向，完成了该领域的奠基。而因为爱因斯坦在1905年对物理学的伟大贡献，2005年1月13日，在巴黎召开的国际物理年发起会议上，国际物理年在全球正式启动。会议宣告2005年为国际物理年，旨在纪念爱因斯坦为科学的进步和人类的发展所做成的伟大贡献。

        狭义相对论解释了引力场形成的原因，提出了物质的质量方程式。狭义相对论深化了牛顿所奠定的牛顿力学，深化了牛顿所提出的时空观，从而影响到当代物理学的各个领域。人们公允地认为这是物理学领域里的大突破，亦即由宏观低速运动领域进入到宏观高速领域的突破。这一突破的重要后果之一，是爱因斯坦首先发现了质量能量等价的公式，E=mc2，并为人类利用原子能指出了方向，也为人类今天最大的威胁埋下了伏笔。

        由于狭义相对论的适用范围只有惯性参考系，它的时空背景是平直的四维时空。1916年，伟大的爱因斯坦提出了适用范围更广的广义相对论，此时它的适用范围已经扩大包括非惯性系在内的一切参考系。它完美地解释了物质引力相互作用的规律，它预言了黑洞和引力波的存在。颇具意味的是，刚好在100年后，美国激光干涉引力波观测台LIGO宣布成功探测到第一例双中子星引力波，这是人类首次窥见到引力波源头的奥秘。从此，人类不再仅仅依靠电磁波来探索宇宙，引力波的发现，不仅为人类探索宇宙打开了另外一扇窗，而时间上的巧合，不由得让人浮想联翩……

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        相对论，量子力学。这两大支柱撑起了现代物理学的天空。它们惊人的精确性和广泛性使无数物理学家瞠目结舌，拜倒于它们的石榴裙下。在这两大支柱被提出之后，理论物理学家将物质世界的基本力归结于强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用。但是，引力在量子化中的困难和它数量级的极度微小使它难以归入该体系。爱因斯坦在1923年的诺贝尔得奖感言中说：“我欲探索一个统整理论的理智思维，是无法满足于存在有两个本质彼此完全独立的领域之假设。”。                                                  这位老人痴迷于物理学的“大一统”的美丽当中，他想建立一个完美而又广泛的理论如图当年牛顿爵士建立的经典力学体系。他为此几乎和当时理论物理学研究的主流背道而驰，把人生最后的30年都贡献给自己一生的信仰。每隔几年都传出他即将完成这个伟大的大一统方程式的消息，但最终被证明那只是空穴来风。他茕茕孑立，形影相吊，却最后不得不在这个无数理论物理学家的信仰面前低下了他那高贵的头颅。但他的基本思想依然鼓励着后来的理论物理学家为大一统的信仰而奋斗。在爱因斯坦去世20年后，一个研究生无意间在书堆中找出的欧拉方程，或许会完成物理学史上最伟大的统一。在那个风雨交加的雨夜，电闪雷鸣，上帝似乎在阻止一位正在黑板前奋笔疾书的物理学家。他笔下的方程式，或许将提供这个信仰最好的解决方式……

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最后，

为今天我们的信息化生活，

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为一切的一切，

向大佬们致敬！

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