四种力要统一比登天还难。真的吗？

文/袁玉刚 图/来自互联网

宇宙中存在引力、电磁力、弱核力和强核力这四种力。其中，电磁力、弱核力和强核力存在于原子、原子核和基本粒子中，尺度极小，如微米、纳米和普朗克长度。引力则存在于宏观物体中，尺度极大，如米、天文单位、光年和秒差距。

图1 四种作用力

引力是牛顿发现的太阳和地球两个物体之间的相互吸引力。

图2 太阳与地球之间的引力

具体描述为：

“任意两个质点之间都有通过连心线方向的力相互吸引。这个力被称为引力，它的大小与这两个质点的质量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。”

电磁力是带电荷的粒子之间的电力和磁力，是电荷、电流在电磁场中所受力的总称。

图3 电荷之间的电磁力

具体描述为：

1、库仑定律是电磁场理论的基本定律。真空中两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷所带电量的乘积成正比，和它们距离的平方成反比，作用力的方向在这两个点电荷的连线上，同名电荷相斥，异名电荷相吸。

2、麦克斯韦方程组：

麦克斯韦方程组包括四个方程：高斯定律（电场通量与电荷关系），高斯磁定律（磁场通量与磁荷关系），法拉第电磁感应定律（变化的磁场产生感应电场），安培环路定律（磁场与电流之间的关系）。麦克斯韦统一了电磁学的理论框架，描述了电场和磁场的生成、传播和相互作用规律。

强相互作用力是1934汤川秀树提出的，质子、中子克服电磁力的强大排斥力结合成原子核的作用力，也是夸克之间的相互作用力（夸克幽禁了）。强相互作用力最强，也是一种短程力，媒介粒子是介子。强力是短程力，核子间的距离大于2×10的-15次方m时，强力很快下降消失，核子间的距离在（1-2）×10的-15次方m之间，核力表现为吸引力，小于1×10的-15次方m又表现为斥力，且随距离的减小斥力迅速增大。

图4 强相互作用力

弱相互作用力是费米创立的费米子发生衰变和俘获的一瞬间存在的短程力。弱相互作用力的力程与交换的粒子的质量成反比，作用距离比强力更短，作用力的强度仅为强力的10的-13次方倍。

图5 弱相互作用力

科学家们一直梦想完成宇宙中四种力的统一。但是，困难重重。

20世纪40年代，费曼、朱利安·施温格和汤川秀树等物理学家对电磁相互作用进行了量子化的研究，建立了QED理论吗，成功解释了电子的自旋、电荷和磁矩等性质，奠定了粒子物理学的基础。

1954 年，杨振宁和米尔斯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，提出了杨·米尔斯理论。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。

1955年4月18日，爱因斯坦逝世。标志着他的包括引力场、电磁场的统一场论的探索失败。

1961年，谢尔登·格拉肖提出弱电统一模型。

1964年，弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布绕特共同提出希格斯机制与希格斯玻色子理论。彼得·希格斯也在《物理评论快报》发表文章，提出希格斯机制理论。

1964年，盖尔曼和乔治·茨威格分别独立提出了夸克模型，将夸克作为 SU(3) 基础表示所对应的粒子，强子则被视为是由夸克组成的复合粒子 。

1968年，约翰·温伯格、阿卜杜勒·萨拉姆发展和完备了弱电统一模型。

1972年，盖尔曼和弗里奇创立了量子色动力学（QCD），描述组成强作用粒子（强子）的夸克和与色量子数相联系的规范场的相互作用，可以统一地描述强子的结构和它们之间的强相互作用。

1975年，格拉肖、温伯格、萨拉姆提出了把强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力统一起来的大统一理论。

20世纪80年代，格拉肖、萨拉姆、温伯格、恩格勒和希格斯建立了粒子物理学标准模型(SM)，以量子场论的形式描述了强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力及电子、中微子、夸克和玻色子等基本粒子之间的相互作用，

图6 粒子物理学标准模型

粒子物理学标准模型统一了强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力，但却无法包容引力。原因是至今找不到引力子。

引力子是科学家们假想的在两个物体之间传递引力的永远相吸、作用范围无限远及以无限多的型态出现的自旋为2、质量为零的玻色子。

引力子是物质粒子吗？引力子能传递引力吗？原子就不能传递引力吗？

几十年过去了，把强作用力、弱作用力、电磁作用力与引力统一起来的大统一理论依然没有成熟。

为什么强作用力、弱作用力、电磁力与引力统一这么难呢？

我总结了一下：

1、理论不同，难以统一。描述强作用力、弱作用力、电磁力的统一的理论是量子力学；而描述引力的理论是牛顿理论和相对论。

2、尺度不同，难以统一。强作用力、弱作用力、电磁力是微观表象，尺度为微米、纳米和普朗克长度；引力是宏观表象，尺度为千米、天文单位、光年、秒差距。强核力比弱核力强10万倍、强核力比电磁力强100倍、电磁力比引力强近亿亿亿亿亿倍（10的39次方倍）

3、维度不同，难以统一。量子力学描述的是四维及以上空间；牛顿理论和相对论描述的是三维空间。

4、力源不同，难以统一。强作用力、弱作用力、电磁力的力源是外力即原子和原子核的约束力；引力的力源是内力即万有引力（时空弯曲依然是大质量物体形成的）。

四种力无法统一最关键的是力源不同。

科学家们认定：引力与物体的质量成正比，当然起源于物体的质量，所以叫万有引力。万有引力是物理学界的金科玉律，是谁也不能质疑的。

人们研究物质的起源。研究来，研究去，发现了电磁力、弱力和强力，又发现了这些力都不是来自物质粒子本身，而是来自外部，专门约束粒子的。

研究的结果打脸了“万有”，但谁也不愿也不敢否定“万有”。

只有牛顿自己拒绝“万有”。他在给英国神学家、剑桥大学三一学院院长本特利（Richard Bentley毕业于剑桥三一学院）写信时说：“希望您不要把重力是物质固有的秉性这种看法归之于我。”“至于引力是物质所内在的，固有的和根本的，因而一个物体可以穿过真空超距地作用于另一个物体，毋须有任何一种东西的中间干预，用以把它们的作用和力从一个物体传递到另一个物体，这种说法对我来说，尤其荒谬。我相信凡在哲学方面有思考才能的人决不会陷入这种谬论之中。引力必然是由一个按一定规律行事的主宰所造成的，但是这个主宰是物质的还是非物质的，我留给读者自己去思考。”

图7 牛顿

爱因斯坦抛开了“万有”，提出了一个时空弯曲的概念。但实际上，依然没有跳出万有的窠臼。

力源究竟在物体内部还是外部？科学界至今没有统一。当然，四种力也就无法统一了。

四种力无法统一的原因还有其理论量子力学与相对论的矛盾。

量子力学太依赖数学计算了。不管结果符合不符合物理现实，统统计入研究成果。连鬼神都纳入其中。

牛顿力学和相对论太相信万有引力了。区区氢原子却能够无视相互间的理想气体的排斥力，依靠万有引力吸引同伴，强行聚在一起。并且依靠万有引力战胜强大的电磁力，形成核聚变，产生恒星。还能够依靠万有引力战胜强大的核力，坍缩成中子，创造出中子星。更令人瞠目结舌的是，物质的万有引力还能把物质全部变没了，坍缩成为没有体积却质量无穷大的黑洞。小小的万有引力真的能够战胜强大的电磁力和核力吗？

量子力学与相对论都相信场，都认为场就是物质。我却认为场就是力的作用范围。场里可以有物质，也可以有空间。场和空间一样不会变形，但场里的物质分布可以变形。时空不会扭曲，但空间里的物质分布形态可以扭曲。

凡此种种，公说公有理，婆说婆有理。四种力的统一真比登天还难。

但是，如果把量子力学与相对论修正一下，四种力也许可以统一起来。真是山重水复疑无路，柳暗花明又一村。

要我说，量子力学应该扬弃四维以上空间和冗余的数学计算，至少舍去一些不符合物理的答案。并且主动把粒子与星球统一起来。

牛顿力学和相对论应该彻底扬弃万有，把星球的形成和演化之力与量子力学统一起来，即引力来自外力，来自旋涡之力。旋涡之力还包含斥力即暗能量。这样就解决了黑洞的疑难。去掉时空扭曲，改为物质分布形态扭曲。

旋涡与旋涡里的物体不论大小，都有极性，都有引力和斥力。我们的太阳、地球都有极性，都有引力和斥力（暗能量）。同性相斥，异性相吸。我们的太阳、地球都有自转、公转，其实是在同一个旋涡里，既相斥，又相吸。是旋涡力约束着太阳和地球。我们原来的万有可能真的错了！

图8 旋涡里的恒星

其实，麦克斯韦统一电磁场的方式值得后人借鉴。

我坚信，宇宙中的力就是旋涡里的力。宏观旋涡里的力包括引力和斥力（暗能量）；微观旋涡里的力包括原子里的电磁力、原子核里的弱作用力、强作用力。只要修正了量子力学与相对论，返璞归真，引力和斥力（暗能量）、电磁力、弱作用力、强作用力就一定能够统一起来。