麦克斯韦方程 [转载]物理的挑战12  物理学百年的回(5)

相对论和量子力学这两大发现，从根本上突破了古典物理学的局限，相对论建立了新的时空观，时空再不是脱离物质和运动的独立的存在。牛顿就认为时空是脱离物质而存在的，物质在时空里边运动，时空跟运动没关系。相对论不是这样的，相对论认定这个时空不再是脱离物质和运动的独立的存在，同时相对论还确定了物质和能量的等价，为原子能的开发利用奠定了理论的基础。1916年爱因斯坦又提出了广义相对论，计算了水星绕日的进动，得到了和试验一致的结果，并且在1919年全日蚀的条件底下，观察到光经过太阳边缘由重力产生的偏转而得到了证实，这样时空和重力在广义相对论中间就得到了完美的统一。广义相对论对二十世纪理论物理和天体物理产生了巨大的影响，爱因斯坦的基本的思想，追求自然规律的统一性，他要通过局域对称性来实现物理运动规律的几何化，这个一直是以后理论物理学家追寻的方向。但是经过80多年的努力，爱因斯坦的梦想到今天还没有完全实现，当然也取得了很多重要的进展。相对论和以后发展的规范场论对人类的认识论产生了巨大的影响，这个理论认为物质、运动、时空和相互作用是紧密联系在一起的，是不可分割的，是互为因果的。它们统一在某种变换群的局域对称性中间，对称性和它的自发破缺确定了物质的基本构成和它们之间的相互作用，体现了宇宙的真和美，形成了宇宙万物内在本质鲜明的统一性和外在现象绚丽的多样性。

1954年杨振宁和Mills提出了非Abel规范场的理论，局域对称性就成了相互作用力和基本粒子结构的本原。麦克斯韦方程1964年Higgs借鉴凝聚态相变的观念，引进了真空相变和对称性自发破缺的概念，真空并不是空的，这样使得统一性和多样性就得以结合，对称性原本相同的粒子在对称性自发破缺以后可以获得不同的质量,造就了今天千姿百态的世界。在这个基础之上，GlashouWeieberg和Salam用SU（2）XU（1）群的对称性和规范场统一了弱相互作用和电磁相互作用，形成了由三代夸克和轻子，三种相互作用力的携带者胶子、光子，W和Z粒子组成的标准模型。标准模型和实验符合得很好，遗憾的是引发对称性自发破缺的Higgs粒子可能质量太大。在目前的加速器实验中间还没有观察到。这个弱电统一的理论成功，为进一步统一四种相互作用力提供了希望和动力。

这是我们现在已经知道最基本的一些粒子，上边是夸克，下边是轻子，还有就是它的右边是携带作用力的几个粒子，像最上面是光子，然后是重粒子，然后还有Z粒子W粒子等等。目前正在欧洲通过国际合作建造世界上最大的加速器，耗资是几十亿美金，建成以后，如果能够发现Higgs粒子和各种超对称的粒子，就会对统一的理论有所推进。

研究世界的统一性和多样性是我们物理学基础的物理学所追求的一个目标,也是人类认识世界所追求的一个重要的目标。我们一方面要在世界的统一性中间，看到世界所遵循的共同的这个规律，又要从它的多样性中间来看到这个世界的绚丽多彩。物理学能不能够最终地把所有我们知道的作用力和这些基本粒子能够统一在一起，从实验的角度来看，它可能反映在最早的天体演化的这个状态中间，这是我们现在着力研究的一个方面。

这个是在日内瓦建造的世界最大的加速器，它的环半径是4.3公里，周长大概有32公里，能够达到很高的能量。使得质子和反质子能够在里边对撞，能够造出世界各种所有的，在一定能量范围之内的这种粒子，也希望在这里边能够找到形成统一的Higgs粒子。除了我们在实验上来看的话，那就是天然的实验室,除了人造的实验室，天然实验室呢，现在因为能量需要很高了，所以就要依靠天体自然的现象。天体现象在牛顿力学和广义相对论的发展中间都起了决定性的作用。反过来呢！物理学的发展，像力学、核物理、等离子体物理、量子力学、相对论都对理解天体的物理现象起了重要的作用。我们现在观察到的有些现象我们还不理解。譬如说我们在天体里面，现在发现有很远处的星体，它发生强烈的伽马射线的爆发，这个能量是非常非常之强的，远远超出我们的想象,它是怎么能够发生。同时我们也发现不断还有新星在产生，但是同时也有很多星球在消亡。我们在银河系中间现在也观察到了黑洞。在爱因斯坦广义相对论中间预言，在弯曲的时空中间光是有偏转的。这个图是用空间望远镜拍摄的重力透镜聚焦的一个现象，这个旁边有四个新星，实际上一个星体在远的地方，它的光线被偏转了，被中间的物质所吸引而产生了偏转，造成了四个影像。