起,物理学家到底在研究什么?
大自然中有各种各样的现象,有跟物体运动相关的,有跟声音、光、热相关的,有跟闪电、磁铁相关的,也有跟放射性相关的等等。
物理学家们就去研究各种现象背后的规律,从伽利略开创的运动学体系,到惠更斯奠基的波动光学,再到焦耳建立的热力学定律,各领域自成体系。然后物理学家们就满意了么?
当然不满意!
为啥?定律太多了!
如果每一种自然现象都用一种专门的定律来描述它,那得有多少“各自为政”的定律啊?
于是物理学家们就想,我能不能用更少的定律来描述更多的现象呢?
有没有可能有两种现象表面上看起来毫不相关,但是在更深层次上却可以用同一种理论去描述?有没有可能最终用一套理论来描述所有的已知的事情?
这个事情,本质上就跟秦始皇要统一六国一样,我决不允许还有其他六个各自为政的国家存在,必须让所有人遵守同样的法律,服从同一个政令,用同样的语言和文字,这样才和谐。
消除“诸侯割据”式的学科壁垒,物理学家的统一之路,也是这样浩浩荡荡地开始的。
牛顿的万有引力定律首次实现天地力学统一,将苹果落地与月球绕行纳入同一数学体系。
麦克斯韦方程组更进一步将电磁现象纳入统一理论,揭示电场与磁场的本质统一性。
19世纪微观研究的突破揭示了更深层的统一性,宏观的机械力本质是分子间的电磁作用,比如范德华力,热现象实为分子运动的宏观表现,通过麦克斯韦-玻尔兹曼分布描述。
至此经典物理学形成两大支柱,引力由牛顿体系描述,电磁力由麦克斯韦方程组诠释,而物质运动则由统计力学补充完善。
但尴尬的是,麦克斯韦方程组和牛顿力学这套框架居然是矛盾的,那么到底是麦克斯韦方程组有问题还是牛顿力学的这套框架有问题呢?
爱因斯坦通过狭义相对论重构时空观念,成功兼容麦克斯韦方程组,基于光速不变原理与相对性原理的统一,却不得不将引力单独处理,在等效原理基础上提出的广义相对论。
在狭义相对论这个新