您当前的位置: 首页 >  博客资讯

一切自然现象都可以化为“力”,你怎么理解?这个说法对吗?

这是一位网友提的问题,他引用了亥姆霍兹的一段话:“一旦把一切自然现象都化成简单的力,而且证明自然现象只能这样来简化,那么,科学的任务就算完成了。”提问者要求评价这种观点。

我不知道这段话是不是赫姆霍兹的原话,但可以试着解读一下。

要弄清这个问题,首先让我们认识一下这位物理学大师。

亥姆霍兹的全名很长,叫赫尔曼・路德维希・斐迪南德・冯・亥姆霍兹,德国人,是生活于19世纪一位伟大的生物物理学家、数学家,是能量守恒定律的创立者。之所以被称为“生物物理学家”,是因为他不但研究了物理学,还研究了眼的光学结构,还对解剖学、生理学有很深的造诣,发明了验目镜、角膜计、立体望远镜等等。

他不但在力学、热学、化学等方面功底深厚,成果显著,还在电磁学上取得了很大成功。他测得电磁感应传播速度为314000km/s,从法拉第电解定律推导出电可能是粒子。由此引导它的学生海因里希・鲁道夫・赫兹,在1887年实验证明了电磁波的存在;而他一系列演讲,促进了麦克斯韦电磁理论的广为传播,让麦克斯韦引起了世界物理学界注意,成为最伟大的电磁学大师。

其实,这位天才的科学家求学之路并不顺利,中学读完后就因经济问题不得不辍学,以在军队服役8年的条件换到公费进入柏林医学科学院学习机会,他不但学习了医学知识,还如饥似渴的旁听学习化学、生理、数学、哲学等课程,最终以医学博士的学位完成学业。所以,可以说亥姆霍兹是一个全才。

关于亥姆霍兹把一切都归结于力的理解

把世界上的一切都归结于力,是亥姆霍兹能量守恒理论的核心观点。关于能量守恒定律,亥姆霍兹主要论点有三,即:一切科学都可以归结到力学;牛顿力学和拉格朗日力学在数学上是等价的,因此可以用拉氏方法,以里说传递的能量或它所作的功来量度力;所有的能量都是守恒的。

有人认为,他这种把一切都归结于力的观点,是机械唯物主义,是受到历史局限的原因。我不这么认为。他在总结了前人研究的力学、热学、电学、化学成果基础上,发现了各种运动中的共性,严谨证明了能量守恒定律,是人类对自然本质认识的一次重大突破。我认为他对力是世界本质的认识,是他对能量守恒定律本质理解的延伸,是从哲学层面对科学成果的高度概括。

后来的爱因斯坦在能量守恒基础上,进一步提出了质能守恒定律,这是对物质世界本质更为深刻简化的高度概括。爱因斯坦把我们世界高度概括为时空物质三位一体,质量和能量是等价可以互换的,用一个简单的等式就高度浓缩了这个世界物质的本质,即伟大的质能方程:E=MC^2。其中的E表示能量,M表示质量,C表示光速。

现代物理学已经发现了四种基本力。

现代物理学认为,我们世界上所有的物质都受到四种基本力的控制,这就是万有引力、电磁作用力、强相互作用力、弱相互作用力。过去的理论认为,这些力在不同的作用范围里起着不同的作用。

万有引力是最弱的力,作用于一切质点,但作用范围无限远;电磁力作用范围也是无限远,但强度比万有引力大10^36倍,只要有电荷就有这种力存在,几乎充斥在我们生活一切方面;弱力是仅次于万有引力的第二弱的力,强度是万有引力的10^32倍,作用范围最小,只在10^-17m范围有效,只作用于电子、夸克层子、中微子(微中子)等费米子,并制约着放射性现象;强力是四种基本力中最强的力,强度达到引力的10^38倍,作用范围也很小,只有10^-15m,又称核力,就是这种力把原子核聚集在一起。

四种基本力能够统一在一起吗?

还是在爱因斯坦时代,就提出了大统一理论,这个理论就是把力图把四种力统一起来的理论。爱因斯坦的后半生,几乎就躺在了对这个理论的追求里,梦想着找到一个办法,将各自为政的四种基本力用一个理论统一起来。他很想像质能方程那样,一个简单的等式就揭示出这个世界最隐秘的本质。

但可惜直到1955年逝世,爱因斯坦也没有弄出个头绪来。好在后来有很多科学家继承他的衣钵,不断在大统一理论方面发力,终于在上世纪六十年代取得突破:格拉肖、温伯格和萨拉姆等科学家洞悉了电磁力和弱力内在实质的同一性,建立了弱电统一理论,也就是把弱力和电磁力统一起来了。

这个理论的诞生,得益于杨振宁-米尔斯理论,这个理论是由现在健在科学家杨振宁,和美国物理学家罗伯特・劳伦斯・米尔斯联手创立。这是一个伟大的理论,创立于1954年,是规范场论的鼻祖。开始没有引起科学界重视,但到了六七十年代,成为统一场论的基础。

大统一理论能成功吗?

依然是在杨-米尔斯规范场论的基础上,建立起了现代粒子物理学的标准模型,这是描述强力、弱力、电磁力三种基本力及组成所有物质基本粒子的理论,这种理论把粒子分为费米子和玻色子两大类,预言共有61种,现在60种粒子都已经发现并在实验中得到验证,只有号称上帝粒子的希格斯玻色子,已经被发现,还有待进一步验证。

这个理论算是统一了三种基本力吗?科学界还有些争论,认为还存在一些显著缺陷,且引力还远远没有被纳入进来,因此一直没有成为基础物理学完全理论的一部分。那么,大统一理论能够成功吗?人们把希望寄托在上世纪下半叶逐渐兴起的“弦理论”上,认为这个理论很可能是最终突破瓶颈,将四种基本力统一到一个框架的理论。

弦理论认为我们世界最深层次的基本单元并不是粒子,而是比粒子更小很多的线状的“弦”组成,在这个层面就没有什么费米子和玻色子之分了,所有的物质都统一于“弦”。在这样单一的状态下,还需要那么多种力去解释吗?不就只需要一种理论就能解释吗?

这或许就是“弦理论”很可能终结四种力的原因吧。

四种力统一了,人类对世界的理解就更深刻更简单。

其实,亥姆霍兹说得一点也没错,即便是四种力不统一,这个世界的一切也可以用四种力来解释。但四种力得到统一的时候,世界就变得更简单了。当人类对自然界的理解越来越深刻的时候,就会发现整个世界的核心机制原来就是这么简单,既质朴又优美。

就像看魔术,在花里胡哨的表演面前是那么的扑朔迷离和神秘,但一旦看清其背后的机制或被戳穿,原来是那么的简单和不堪回味。

与魔术不同的是,大自然的本质永远值得探索和回味。所以对这个问题我有一点不同意,就是“一旦把一切自然现象都化为简单的力,科学的任务就算完成了”这种说法。因为人类认识世界本质的探索永无止境,大自然深层机制就像无尽的套娃,一层层不断深入,随着对更深层次本质的挖掘,人类文明才能够不断向更高层次发展。

您同意我的说法吗?欢迎在留言区讨论并留下宝贵意见。谢谢阅读。

时空通讯原创版权,侵权抄袭是不道德的行为,敬请理解合作。