内容简介：爱因斯坦逝世后，物理学家在这条统一道路上又走过了六十年。六十年里理论物理学家们都做了些什么？现在统一之路又在何方？未来又将如何？本书作者从牛顿力学、量子力学的简介开始，接着介绍数学中的群论、对称性守恒定律，进而介绍标准模型、规范场论、量子场论、费曼路径积分、费曼图等，让读者对理论物理学中的“统一”框架，尤其是主流物理学界公认的“标准模型”有一个基本的了解。 最后还讨论了统一理论与大爆炸宇宙学、暗物质、暗能量的关系，以及标准模型的困难与局限性，并简单介绍了包括弦理论、M理论、弦网等概念，让读者既能领略理论之美和科学家的追求，又能体会到科研的艰辛，激发年轻人探索自然规律、踏入科学大门的渴望和好奇心。
推荐理由：爱因斯坦晚年三十年为何看似一事无成？他晚年追求的“统一理论”究竟是什么？科学专家们在物理学统一大业中做出了哪些努力？未来人类是否会创造出通用的“万物理论”？
20世纪初的两次物理学革命，为我们带来了相对论和量子论。今天，物理学需要新一轮的革命，将两者结合起来。这种微观与宇宙的统一，能否为物理学与其他科学的统一开辟一条新路？相信科学家们会继续努力，让我们期待在更高的层次上欣赏大自然的“朴素之美”！
引言：物理理论的简洁之美
统一，就是把事情简单化，从多到少，从少到一，这就叫统一。
在解释光电效应、提出两大相对论之后，爱因斯坦开始研究统一场论，他就像“躲在小楼里，浑然一体，不问冬夏春秋”，这个“统一”持续了三十多年，直到他去世。爱因斯坦将自己的余生都奉献给了这个物理学的“统一梦”，但他为此孤军奋战了三十多年，却没有取得任何成果。
“统一场论”一词虽然源于爱因斯坦，但其思想却源于麦克斯韦和法拉第的电磁场理论。其实，如果我们省略“场论”一词，只谈理论的统一，应该追溯到牛顿时代。
爱因斯坦逝世后，物理学家在这条统一之路上又走过了六十年。六十年跌宕起伏，理论物理学家们都做了些什么？现在统一之路又在何方？未来又在何方？本书作者从牛顿力学、量子力学的简介开始，接着介绍数学中的群论、对称性守恒定律，进而介绍标准模型、规范场论、量子场论、费曼路径积分、费曼图等，让读者对理论物理学中的“统一”框架，尤其是主流物理学界公认的“标准模型”有一个基本的了解。 最后还讨论了统一理论与大爆炸宇宙学、暗物质、暗能量的关系以及标准模型的困难与局限性，并简单介绍了弦理论、M理论、弦网等概念，让读者既能领略理论之美和科学家的追求，又能体会科研的艰辛，激励年轻人保持探索自然规律、跨入科学大门的渴望与好奇心。
物理学走向统一的道路，其实就是追求一种朴素的美。
把复杂的事情简单化，是一种技巧，一种智慧。简单不简单，大智似愚，简单之道，在于用简单去繁，以少胜多。清代有一位书法家、画家叫郑板桥，被称为“扬州八怪”之一。他在书房里挂着一副自己写的对联：“简化秋树，二月花别具一格”，彰显了他的书法和文学理念，主张用最简练、最清晰的笔法和不凡的构思来表达最丰富的内容。
物理学家的“统一”可以概括为三个方面：第一，物理定律的统一；第二，物质本源的统一；第三，相互作用的统一。
因此，物理学家所追求的简单统一，和郑板桥在书画墨迹上所追求的“简单”，听起来如出一辙，本质上都只是所谓“奥卡姆剃刀”原理的变通，都属于“简单之美”。
奥卡姆不是一个人的名字，而是英国的一个村庄。14世纪，那里有一位名叫“威廉”的逻辑学家。这个人留下的东西不多，但有一句话却很流行：not be。中文可以翻译成八字箴言：若无必要，就不要加实体（奥卡姆剃刀原则）。意思是把不必要的、多余的“实体”全部删去，留下最精炼的部分。
对于理论物理学来说，这个原则最好的表达方式就是：当你面对两个得出相同结论的理论时，选择最简单的、实体最少的那个！统一物理学理论中的实体可以理解为基本定律、粒子和力。换言之，统一意味着用最少的物理定律来描述自然现象；用最少的“不可分割的基本粒子”来构成所有物质；用最少的“力”来描述物质之间的相互作用。这符合奥卡姆剃刀原理和简单之美！
牛顿曾感叹：“我可以计算天体的轨道，但我无法计算人类的疯狂。”
奥卡姆剃刀或许难以描述瞬息万变的社会现象和复杂的人性，但它在科学上的优越性却是毋庸置疑的。数百年来，这一原理在科学中被广泛应用，从牛顿的万有引力到爱因斯坦的相对论，再到今天的标准模型。在漫长的统一道路上，奥卡姆剃刀已成为重要的科学思维概念。
然而，物理学中的统一理论，即描述物质世界的“最小数”的标准，是随着时间而变化的。随着科技的不断进步，实验方法的不断完善和发展，各种理论相继建立和完善，我们对自然的理性认识也不断深化到不同的层次。这一切，导致在科学发展的不同历史时期，出现了意义不同的“统一理论”。它们就像一条蜿蜒的河流，在某个位置出现了平静的港湾。河流总是从这些港湾和支流中汲取精华，剔除糟粕，源源不断地流向大海。
牛顿的力学定律加上万有引力，无疑是物理学中第一个“统一理论”。在牛顿之前，已经存在着许多相互独立、看似毫无关联的物理定律：伽利略发现了惯性原理，并通过著名的比萨斜塔实验证实了自由落体运动所遵循的规律；开普勒根据第谷留下的大量实验和观测数据提出了行星运动三大定律；惠更斯和胡克当时也在力学、光学等多个领域取得了成就。但最先认识到这些分散、孤立的定律之间存在深刻的内在联系的，还是牛顿。他把这些分散的“支流”汇集在一起，完成了物理学中第一次理论统一。
与那些“孤立”的定律不同，牛顿三大定律描述的是“一切”物体在力的作用下的运动规律。这里的物体可以是地面上的沙土，也可以是宇宙中的天体。牛顿用一把锋利的“奥卡姆剃刀”，把物体的大小、形状、质地、软硬等一切不重要的具体属性都割掉，只留下质量m。于是，一切物体都变成了质点，在力的作用下，都遵循着相同的运动规律。
场论的思想始于麦克斯韦和法拉第的电磁场理论。法拉第根据大量电磁实验结果提出了“场”的概念。精通数学的麦克斯韦希望用微分方程来描述和总结这些实验规律。最初麦克斯韦面对的是20多个方程，包括库仑、高斯、法拉第、安培等人研究和总结的各种实验现象，以及电介质的性质、各种电磁现象的规律等。麦克斯韦大举挥舞“奥卡姆剃刀”，削去多余重复的部分，加入必要的新概念，最终将它们细化简化为4个对称优美的矢量方程，将电、磁、光“统一”为一个经典场。
后来，爱因斯坦的狭义相对论将时间和空间的概念统一在四维时空框架中。此时，时间和空间不再是绝对独立的存在，而是一个通过洛伦兹变换相互联系的整体。从狭义相对论的时空概念，我们可以得到尺子缩小、钟表变慢的结论，这与洛伦兹理论在以太中的结论是一致的。那么，以太这个“实体”在这里就是多余的，于是就被爱因斯坦用“奥卡姆剃刀”无情地剃掉了。爱因斯坦留下了两个他认为必要的实体：相对性原理和光速不变，并创立了狭义相对论。 后来，他扩展了相对论原理，利用等效原理使引力质量与惯性质量相等，把引力效应与时空几何统一起来，建立了广义相对论。
原来物理学的每一次进步都与一次次的“统一”有关，难怪爱因斯坦最后把自己的半生奉献给了统一大业。
爱因斯坦最初创立广义相对论时，弱相互作用和强相互作用尚未出现。爱因斯坦当时对前景的估计应该是相当乐观的。他可能认为电磁力和引力如此相似：它们也是超距作用的（在20世纪）。
从上世纪三十年代开始，就有了符合距离平方反比的短程相互作用的描述，现在叫“弱相互作用”，只要能把电磁力纳入广义相对论的引力框架，那不就是彻底的统一了吗？
遗憾的是，爱因斯坦数十年为实现大统一梦想所做的努力最终以失败告终。从作者的后见之明来看，爱因斯坦至少犯了两个错误：第一，他低估了引力“难以驾驭”的本质；第二，他选择了错误的道路，想用经典场论而不是量子场论来建立统一理论。换言之，爱因斯坦忽视了对他协助创建的量子理论的更深入研究，也忽视了此后几十年量子理论的发展。
当然，人们可能会说，从量子场论出发的统一之路依然困难重重，尚未打通？事实也确实如此，但大多数物理学家认为，这是正确的道路，也是必然的道路。试想一下，物理学的大统一理论，能不包括已经发展和验证了百余年的量子理论吗？即便我们不知道这条路的尽头在哪里，坚持走下去，一定会在历史上留下痕迹，也许是曲折的痕迹，但未来还是会有“可寻的痕迹”。
那时，量子力学有薛定谔方程和海森堡矩阵力学，万有引力有爱因斯坦场方程，电磁作用有经典麦克斯韦方程。这三辆马车在各自的道路上各司其职，它们确实应该统一在一个数学框架下，这是理论物理学家喜欢玩的游戏。量子力学的诞生和引力的几何化，是当时物理学界两场令人震惊的革命；而经典电磁学在麦克斯韦理论成功建立的基础上，正忙着走向应用。它带来了无数的专利和许多优秀的工程师，在电气工程领域翻开了辉煌的一页。对于20世纪初的物理学界来说，大多数理论都在朝着完善和推广量子力学的方向发展。动荡的时代造就了一个又一个的量子英雄，忙着把诺贝尔奖颁给这些为这些从未听说过的奇怪理论做出贡献的科学家。 相比于电磁场、量子领域非凡热闹的氛围，广义相对论显得孤独得多，它正在静静地等待天文学领域更为精准的实验验证数据。
这三组理论并非完全没有关联，在解决具体的物理问题时留学之路，有时三者都需要考虑。但它们毕竟各有各的用处：量子理论适用于探索微观世界；广义相对论在宇宙学中大有用处；电磁理论则成功地服务于人类的衣食住行。还有一件大事也不容人们忘记，它与物理学的两次重大革命息息相关。那就是1945年8月6日在日本广岛爆炸的原子弹。这次爆炸夺去了十多万无辜的生命，造成了无数的后患，也让爱因斯坦后悔写信给罗斯福，促使他生产原子弹。尽管如此，原子弹的技术当时还是被盟军掌握，它的爆炸加速了日本的投降和二战的结束。否则爱因斯坦简介，世界历史和中国历史也许会被改写。
从物理学史的角度回顾本世纪初物理学界的两大革命性理论，量子力学象征着现代物理学的开始爱因斯坦简介，而相对论则代表着经典理论的终结。爱因斯坦统一梦想失败的原因之一，很可能就是因为他抓得太紧了经典物理学的尾巴，从而遮挡了一部分观察现代物理学头部的视野。爱因斯坦始终无法接受不确定性原理等不同于经典现象的量子定律，虽然他扮演的老顽固角色也对量子力学的发展起到了积极的推动作用。但参与逆向推导和参与正向推导总是有区别的，记得著名物理学家、诺贝尔奖获得者斯蒂芬·温伯格曾经对爱因斯坦有过非常精辟的评价。 大致思路是，爱因斯坦犯下的最大错误，并非如他所想的那样“把宇宙常数引入场方程”，而是他成为了自己所建构理论成果的“囚徒”。他沉迷于自己提出的广义相对论的物理美和数学美，想用这个经典理论来统一世界，包括统一他所不接受的量子理论。但这其实是不可能的。其实，量子理论的出现是比广义相对论更深刻的革命，因为它冲出了经典思维的牢笼，走出了一条不确定性与确定性相结合的现代物理学之路。
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