爱因斯坦虚度的 30 年人生,是20世纪科学界最大的遗憾( 三 )


爱因斯坦认为既然引力场可以用黎曼几何来描述 , 那么肯定会有一种新的几何来完成引力与电磁作用的统一 。






他在 1929 年发表了《关于统一场论》的新论文 , 这篇论文试图在时空流形除了具有黎曼度规外还具有绝对平行性的条件下去获得引力和电磁力的统一理论 。 当时爱因斯坦自己对这篇论文颇为自豪他在 1929 年 1 月 5 日曾写信给他的挚友 M.贝索 , 认为引力与电磁作用的统一工作已经大功告成 。



然而情况并没有如爱因斯坦预料一般 , 引力与电磁力的统一并没有取得实质性的进展 。 后来爱因斯坦又转向研究卡鲁查-克莱因理论 , 卡鲁查是早期统一场论研究的代表人物 , T.卡鲁查和O.克莱因把电磁势当作五维时空度规张量的部分分量 , 他并不是像爱因斯坦思考那样 , 建立新的几何理论去统一引力与电磁作用 , 而是把黎曼几何从 4 维 推广到 5维 。 革命性地提出了高维空间的概念 。



爱因斯坦从 1931 年到 1941 年花费了 10 年的时间想从卡鲁查-克莱因理论入手 , 但是都没有成功 。 这时候 , 爱因斯坦已经在统一场论耗费了近 20 年的时间 , 他在 1945 年又《相对论性引力论的一种推广》 ,他认为这尝试是符合逻辑的 , 但是在物理检验上存在困难 。
这个时候的爱因斯坦除了继续与哥本哈根学派玻尔的论战之外 , 偶尔也探索引力波与相对论方程 , 比如 1952 年发表了《相对论和空间问题》 。 可以说大部分时间都花费在统一场论之中 。
这实在是令人惋惜 , 当时哥本哈根学派的量子力学理论很多都已经得到了实验上的论战 , 然而爱因斯坦对于哥本哈根学派对于量子力学的诠释还是处于针锋相对状态 。 而且统一理论研究这个时候早已不在物理界研究主流之内 , 爱因斯坦在人生后 20 年在物理学界非常孤立 。



1955 年 4 月 18 日 , 爱因斯坦去世 , 他耗费半生精力研究的统一场论以失败告终 。 如果这三十年时间 , 爱因斯坦将精力花费在其他研究之上 , 那么对于物理学界的推动将会是多少巨大 。
细论爱因斯坦为什么会在统一场论中失败 , 因为当时知道的基本相互作用只有引力作用和电磁作用 。 弱相互作用在 30 年代才有费米理论提出 , 把弱相互作用看作是一种参与作用的四个粒子(如中子衰变中的中子、质子、电子和中微子)之间的点相互作用 , 而且当时对于弱相互作用的概念还十分模糊 。



直到 1954 年 , 杨振宁和米尔斯独辟蹊径 , 不再局限于统一引力与电磁力 , 而是想从弱相互作用和电磁力入手 , 他们在外尔的基础上 , 把电磁作用是由定域规范不变性所决定的观念 , 推广到不可对易的定域对称群 。 揭示出规范不变性可能是电磁作用和其他作用的共同本质 , 从而开辟了用规范原理来统一各种相互作用的新途径 。 杨振宁完善了规范场论 , 物理学界正式从爱因斯坦统一场的研究转变为规范场论 , 成为物理学的新趋势 , 规范场论后来被很多人认为最有可能实现统一四大力 。

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