萬物至理——大一統(tǒng)理論發(fā)展史(上)

? ? 如果說各行各業(yè)都有自己的信仰扣蜻,如同醫(yī)生是救死扶傷,教師是教書育人惧辈,那么我想對于很多的物理學家和愛好者來說骂维,一切的科學研究的目的似乎只有一個:那便是完成大統(tǒng)一理論了傅事。

在很多領域眷唉,人類存在巨大的分歧:中國人為了國家的統(tǒng)一而殫精竭慮奮斗不息的時候履羞,遙遠的歐洲卻安于一個國家一個民族的分裂局面陨收;在中國人以恪守儒家禮儀笼蛛、以為集體作出貢獻而感到驕傲的時候奴艾,遙遠的西方人正在鼓吹自由主義才是人類真正的價值追求橄妆∷俄铮縱然人類有如此多的差異符匾,也有共同的事物使這個星球上的大多數(shù)人為之瘋狂。像那炫目輝煌的黃金瘩例,古埃及人把它覆蓋在法老的棺槨和面具上啊胶;歐洲人為它忘記了圣經(jīng)上的戒律,橫渡大西洋砍掉了無數(shù)美洲人的臂膀垛贤;中國的帝王貪官則為它索取無度焰坪,最終得來的自然是亡國的笑柄和陰森的牢房……



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? ? ? 雖然人類在政治版圖上的統(tǒng)一具有相當?shù)碾y度,然而在追求自然法則統(tǒng)一的統(tǒng)一上態(tài)度確是驚人的相似的聘惦。在古代中國某饰,哲人們提出了“陰陽五行”的哲學概念:世界上一切物質(zhì)都具有相互對立和相互聯(lián)系的力量,而一切的物質(zhì)都由“五行”五種基本物質(zhì)組成部凑。在古希臘露乏,希臘哲學家便提出要“四大元素”的概念,他們將世界上的一切事物歸結(jié)于四大元素的組成涂邀。在公元前350年左右瘟仿,亞里士多德在其基礎上提出了“第五元素“:以太。以太本來是表示天體的組成元素比勉,在近現(xiàn)代物理學中劳较,以太作為光在太空中的介質(zhì)而在物理學中再度出現(xiàn)驹止,并被偉大的物理學家牛頓所引用。1887年观蜗,邁克爾遜和莫雷在美國克利夫蘭做的用邁克爾遜干涉儀測量兩垂直光的光速差值的一項著名的物理實驗臊恋。結(jié)果證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的,由此否認了以太(絕對靜止參考系)的存在墓捻,從而動搖了經(jīng)典物理學基礎抖仅,成為近代物理學的一個發(fā)端,也為后來的相對論的創(chuàng)立奠定了基礎砖第。從“以太”的興起和沒落我們可以看出物理學也在傳承中不斷的發(fā)展撤卢。



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? ? ? 16世紀的物理學家,數(shù)學家梧兼,天文學家伽利略(Galileo Galilei放吩,1564.02.15-1642.01.08)開始把自然科學引入正軌。他主張將科學建立在嚴密的實驗和合理的邏輯推理上羽杰。他在著名的斜面實驗的基礎上合理推導出了慣性定律渡紫,從而推翻了亞里士多德的臆想。他制造了人類歷史上第一個天文望遠鏡考赛,使人類第一次看到了月球上的環(huán)形山惕澎。他主張的數(shù)學與實驗相結(jié)合的研究方法,使后來的科學家們找到了探索自然的渠道颜骤。中世紀的最后的黑夜里孕育著科學的曙光集灌,第一次工業(yè)革命的蒸汽機的聲音似乎在隆隆作響。人類即將開始擺脫過去的勞動方式复哆,迎來有史以來最大的技術革命和社會變革。

? ? ? ? 1643年1月4日腌零,人類歷史上最偉大的物理學家梯找、數(shù)學家牛頓(Isaac Newton1643.1.4日—1727.3.31)誕生。在無數(shù)前人研究的基礎上益涧,天才的牛頓在1687年出版了劃時代的巨著:《自然哲學的數(shù)學原理》锈锤。通過這部巨著,人類第一次將人間天堂進行了統(tǒng)一:在牛頓運動三大定律和萬有引力定律的支配下闲询,無論是地面久免,空中,或者太空中的宏觀物體運行規(guī)律都可以用數(shù)學語言進行描述扭弧。通過剛剛誕生的微積分阎姥,牛頓論證了開普勒行星運動定律的正確性,從而徹底摧毀了地心說鸽捻。在力學上呼巴,牛頓創(chuàng)立了動量和和角動量守恒定律泽腮。牛頓創(chuàng)立的經(jīng)典力學體系是人類歷史上對自然界運行規(guī)律的第一次大統(tǒng)一,由于它的創(chuàng)立和微積分的發(fā)明衣赶,第一次工業(yè)革命的發(fā)生便具有了理論上的條件诊赊。轟轟烈烈的第一次工業(yè)革命使人類創(chuàng)造出巨大的財富,使大航海時代積累的巨額資本開始發(fā)揮力量府瞄。



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? ? ? ? 詩人亞歷山大·波普(Alexander Pope)為牛頓寫下了以下這段墓志銘:Nature and Nature' law lay hid in night ; God said,"Let Newton be," and all was light碧磅。自然與自然的定律,都隱藏在黑暗之中遵馆;上帝說"讓牛頓來吧鲸郊!"于是,一切變?yōu)楣饷鳌?/p>

? ? ? ? 同時我們不能不提一位偉大女性——艾米麗·杜·夏特萊(Emililie Du Chatelet)团搞,她是路易斯十四禮賓官的女兒严望。她翻譯的《自然哲學的數(shù)學原理》成為該書法文版永恒的經(jīng)典;她認真研究動量和動能的概念逻恐,最終認同萊布尼茲關于動能的概念(即E=1/2mv2)像吻,從而否定了牛頓認為的動能觀念(牛頓認為運動的物體“活力”—一即動能為其質(zhì)量乘以速度P=mv,現(xiàn)在P的概念為物體的動量而非動能)复隆;他獨自創(chuàng)立一個科學研究團體拨匆,其陣容可以和法國皇家科學院相媲美;她追求女性的獨立的精神挽拂,其思想或許連今天的女性都難以望其項背……



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? ? ? ? 1791年9月22日惭每,偉大的邁克爾·法拉第 (Michael Faraday1791~1867)誕生了。法拉第出身一個貧困的鐵匠家庭亏栈,卻對自然科學有著極為濃厚的興趣台腥。他的父親是個鐵匠,體弱多病绒北,收入微薄黎侈,僅能勉強維持生活的溫飽。但是父親非常注意對孩子們的教育闷游,要他們勤勞樸實峻汉,不要貪圖金錢地位,要做一個正直的人脐往。這對法拉第的思想和性格產(chǎn)生了很大影響休吠。在自然科學被貴族壟斷的年代,法拉第靠著做訂書學徒的機會幾乎讀完了所有過手的書籍业簿。法拉第的勤奮好學贏得了一位老主顧青睞瘤礁,他獲得了一張著名化學家戴維的演講票。那位老主顧的行為無疑將已經(jīng)改變了人類的文明進程:法拉第立志要解開上帝自然法則的秘密辖源,1831年蔚携,法拉第第一次發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象希太,得到了產(chǎn)生交流電的方法,進而發(fā)明了人類歷史上第一個發(fā)電機酝蜒。他的發(fā)現(xiàn)奠定了人類電磁學的的基礎誊辉。19世紀的空氣中,已經(jīng)彌漫著第二次工業(yè)革命的氣息亡脑。


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? ? ? 法拉第晚年和偉大的詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell堕澄,1831?1879)成為忘年交。由于早年沒有系統(tǒng)的接受過教育霉咨,法拉第無法驗證自己的猜想:光的本質(zhì)是電磁波。1873年途戒,麥克斯韋出版了巨著《論電和磁》,不僅從理論上論證了電磁波即光的本質(zhì)唁毒,更從理論上完成了經(jīng)典電磁領域的統(tǒng)一。這是人類在電磁領域的大綜合星爪。偉大的法拉第為電磁學大廈奠定了堅實基礎浆西,而天才的麥克斯韋建立了電磁學完美的大廈,為日后的無線電通訊建立了理論基礎近零。今天的我們都因為他們而受益。


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? ? ? ? 此時久信,世界上的宏觀物體似乎可以統(tǒng)一于經(jīng)典力學體系,而熱力學三大定律也趨于完成漓摩,偉大的麥克斯韋已為電磁學的大廈蓋上了最后一塊磚瓦入篮。19世紀最后一天,眾多物理學家齊聚一堂幌甘,開爾文(Kelvins1824.6月26-1907.12.17)勛爵痊项,這個執(zhí)拗卻又充滿童真的老頭子在新年會議上發(fā)表賀詞,他在回顧物理學所取得的偉大成就時說鞍泉,物理大廈已經(jīng)落成,所剩只是一些修飾工作咖驮。同時训枢,他在展望20世紀物理學前景時忘巧,卻若有所思地講道:“動力理論肯定了熱和光是運動的兩種方式恒界,現(xiàn)在砚嘴,它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了,”“第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動理論上”际长,“第二朵烏云出現(xiàn)在關于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。威廉.湯姆生在1900年4月曾發(fā)表過題為《19世紀熱和光的動力學理論上空的烏云》的文章虾宇。他所說的第一朵烏云如绸,主要是指邁克爾遜-莫雷實驗結(jié)果和以太漂移說相矛盾嘱朽;他所說的第二朵烏云竭沫,主要是指熱學中的能量均分定則在氣體比熱以及熱輻射能譜的理論解釋中得出與實驗不等的結(jié)果,其中尤以黑體輻射理論出現(xiàn)的“紫外災難”最為突出蜕提。當時的物理學家們不會想到,當他們沉醉于經(jīng)典力學凛膏、經(jīng)典電磁場理論脏榆、經(jīng)典統(tǒng)計力學的宏大的經(jīng)典物理大廈的時候猖毫,從這2朵小小的烏云上,即將誕生2個偉大的20世紀最偉大的物理理論:相對論和量子力學须喂。而這2個偉大的理論,將產(chǎn)生一場狂風暴雨般的變革坞生。它們將摧毀一切舊有的體系,在經(jīng)典物理大廈的廢墟上又兵,建立一座更加偉大的物理體系......


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