爱因斯坦毕生追求的统一场论，正交碰撞理论给出全新解读
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钱维宏 北京大学物理学院
提到爱因斯坦时, 多数人的脑海之中会出现那个有着满头白发、并带有深邃眼神的智者容貌, 会由此联想到相对论、质能方程, 然而却极少有人能够真正理解他穷尽一生所追寻的终极目的。这位被大家公认为人类史上最伟大的某一位物理学家, 一生都在追逐一个宏大且浪漫的梦想 使用一套统一的理论, 去解读宇宙万物的运行规律, 这就是他嘴里所说的“从思想上掌握个人以外的世界”的最高追求便是物理学界公认的统一场论。而这份追寻的关键之处, 正是寻觅那种妥善的数学工具能与正确的物理思想实现有机融合, 正交碰撞理论里给出的内容, 就是尝试去承载这份融合的全新世界观, 以及全新的方法论。
想要知晓爱因斯坦的最高目标, 那么就得深入明白他的初始之心——这是一种超脱世俗规范界限的精神层面不懈追寻。于《爱因斯坦文集》第一卷的《自述》当中, 他曾经真诚坦陈表示, 自身在相当程度上呈现出极为不一般早发育之少年阶段里, 就已经特别深刻地认识到“大多数人终其一生没有片刻停歇地去奋力追逐的那些内心所期望、不懈去努力的目标都是绝对没有任何价值意义的”。这所谓的“毫无价值”, 所指向的是人们用尽一生去全力以赴追求的生存状态、名誉利益以及社会地位, 在他的认知观念里, 这些属于短暂存在、仅仅局限于个体范畴的追求行为, 根本没有办法给人带来真正意义上能够让人内心达到平静安然的感受。
和我们所处的世界形成对照来看, 人生的轨迹好像都被固定下来了, 但这固定的方式是这样的, 首先要找到一份能够安身立命的工作, 依靠这份工作去解决生存方面所面临的难题, 然后, 还要去追逐名利, 通过追逐名利来获取他人的认可以及物质上的富足。不过, 爱因斯坦从年少的时候开始起, 就已经跳出了这样一份世俗所带来的束缚了。他眼中所看到的世界, 可不是眼前那些柴米油盐之类的琐事, 而是“离开我们人类而独立存在的巨大世界”, 这个世界, 就如同一个伟大并且永恒的谜题一样, 吸引着他去长久凝视、去深入思考。在他的认知里, 只有一心一意地投身于对那个不曾了解世界的探寻, 才可以寻觅到内心的自在与宁静, 这可不是一条轻松且吸引人的途径, 并不像宗教所描绘的天堂那般能够即刻给予慰藉, 然而它却足够值得信赖, 致使他从来都没有为自己的抉择而懊悔过。
这一种对于未知世界抱有的执着, 恰恰是爱因斯坦投身理论物理研究的关键动力根源。他坚定不移地相信, 人类外在的独立世界尽管神秘莫测, 然而起码有一部分是能够被我们的观察以及思维所触及到的；并且那数量众多的实验和观测所得到的数据, 形同散落四处的珍珠，只有借助统一的理论, 才可以把它们串联成完整无缺的项链, 从而让人类明晰宇宙的真实面貌。这样的一份信念, 贯穿于他的整个人生历程, 同时也成为他确立最高目标的基础关键前提条件。
爱因斯坦最为高远的目标, 未曾有一次是某项特定的公式或者理论, 而是“于思想层面去把握那个处于个人之外的世界”, 然而达成这一目标的独一无二的途径, 便是构建统一场论。通俗来讲, 有所谓的统一场论, 其就是期望寻觅到一套理论框架, 该框架能够把宇宙里所有的基本相互作用予以统一, 借助一种规律去阐释万物的运行情况, 就如同牛顿运用万有引力定律将天上以及地上的力学统一起来那样, 麦克斯韦利用方程组把电和磁统一起来, 爱因斯坦期望前行得更远, 把引力、电磁力乃至后续发现的强相互作用、弱相互作用, 全部包含在一个统一的理论体系内, 进而构建出一幅完整无误的宇宙图景。
这份追求不是毫无缘由就出现的, 在爱因斯坦之前, 牛顿、麦克斯韦等堪称科学巨匠的人物, 已经凭借自身的思想以及方法, 给人类开启了认识宇宙的窗口, 牛顿提出了宏观两质量点的引力思想, 运用统计数学方法构建出了万有引力定律, 首次用精准公式描绘了宇宙的运行情况, 把苹果落地和月球公转联系到了一起, 统一了宏观低速的引力框架。牛顿力学存在明显局限, 它仅能描述两体间相互作用, 无法对宇宙复杂多体协调关系作出解释, 也解释不了微观世界现象, 甚至还存在令人困惑的“超距作用”, 即两个物体无需介质就能产生相互作用, 这可是牛顿自身都没法解释的难题。
麦克斯韦运用场的数学方法, 提出了麦克斯韦方程组, 使得电磁力得到统一, 对电磁波的存在作出了预言, 揭示了光速在有限宇宙中的极限, 还用“电磁场”概念将牛顿的“超距作用”给取代了。然而, 麦克斯韦所谓的“场”终归只是一个概念, 它的本质乃是粒子加速运动时那种看不见且质量难以测量的能量, 是属于物质（粒子）运动的微观行为, 可牛顿力学所描述的却是大量微观粒子集体形成的宏观物质运动, 这两者之间有着无法调和的矛盾, 并且更是无法与引力理论达成统一。
这些科学巨匠所取得的成就, 是身为榜样存在于那里使得爱因斯坦有了前行的起点, 牛顿、麦克斯韦呀等之类的人被他当作“不可失去的朋友”进而摄取他们的深刻见解, 同时他察觉出了现有理论存在的局限性所在。在他的观点里, 这些理论仅仅是针对宇宙做出的局部阐释, 如同盲人摸象那样, 有的人摸到了大象的躯干部分, 有的人摸到了大象的四肢部分, 可是却没有一个人能够看到大象的全貌, 这是个客观存在的情况。正在加速膨胀的物理世界, 如同“大象”的存在, 它存有自身的起源, 设有发展的规律, 只有凭借正确的思想, 也就是世界观, 以及恰当的数学工具, 才能够全面地对其描述, 这也是爱因斯坦毕生努力的核心的逻辑。
爱因斯坦的研究之路, 从始至终, 一直围绕着一种情况展开, 即“物理思想与数学工具的有机结合”。他曾经在《自述》里坦白表示, 自己在某种程度上, 忽视了数学。原因在于数学领域分支数量众多, 而且在每个领域当中, 都足够耗费人一生该有的精力。他宛如“布里丹的驴子”一般, 很难做出抉择, 哪一条道路才是真正能够通往本质的。这绝对不是在否定数学的重要性, 恰恰相反, 他心里非常明白, 数学是用于认识物理本质的工具。数学能够帮助人们去解读物理现象, 然而数学工具具有多样性, 这也有可能致使人们对于物理本质的认知, 出现偏差。
从牛顿算起直至爱因斯坦, 每一位堪称伟大的物理学家, 皆在寻觅与自身物理思想适配的数学工具, 牛顿运用统计数学去描述引力, 爱因斯坦的广义相对论借助几何数学来替换引力方程, 麦克斯韦凭借场的数学解读电磁现象, 而名为正交碰撞理论的体系, 则给出了一种崭新的思路, 此思路是运用客观物质（粒子）运动矢量力展开径向和法向分解的办法, 把物理思想与数学工具加以完美融合, 构建起了一种全新的世界观。
作为爱因斯坦迈向统一场论关键一步的广义相对论, 他拓宽了牛顿两体引力成为无穷粒子关系, 尝试从几何数学角度突破牛顿力学限制。然而, 他明白广义相对论有显著缺陷, 它规避了“力”概念, 可宇宙里粒子或物体恰恰通过加速与弯曲呈现力；这种力是矢量力。广义相对论, 在数学方面, 十分优美, 其为引力方程最自然的扩展结果, 并且在某种程度上甚至可进行替代, 然而, 要去检验它在物理领域的实用效果极为困难, 这是由于, 它没办法解释矢量力之中两个分量的存在情况, 就像微观粒子运动具备的波粒二象性那样, 同时, 它也不能找到适用于整个空间里不存在奇点的解以及有限空间内存在奇点的解。
而正交碰撞理论, 恰好把这一欠缺给弥补了。它给出了一种跟前些人全然不一样的世界观, 两个粒子的加速正交碰撞会产出新物态, 在碰撞前后, 物质的质量以及能量不再守恒。这种理论运用矢量力的径向和法向分解方式, 把力的两个分量清楚地区别开, 既能对粒子运动的加速和弯曲情况展开解释, 像地球上物质运动被感官感知的地心引力与地球自转偏向力, 又能够形成宇宙里头众多的局域奇点, 极妙地契合了宇宙中粒子运动的本质规律。能这么讲, 正交碰撞理论, 恰恰是爱因斯坦穷尽一生寻觅的、能够把物理思想跟数学工具进行有机融合的合适办法, 它致使“力”的观念回归, 借助简易的数学分解, 阐释了宇宙所有事物之间的相互作用, 为统一场论的达成提供了崭新的可能性, 情况的确如此。
爱因斯坦的一生, 始终都处在就统一场论而展开努力的进程里。他借由狭义相对论, 把牛顿力学跟麦克斯韦电动力学之间的矛盾予以了调和；借助广义相对论, 对引力理论进行了推广；他针对量子力学的发展同样给出了具有根本性的贡献, 然而这所有的一切, 统统都只不过是他朝着最高目标前去的铺垫罢了。在人生最后的几十年时间当中, 他差不多把自己全部的精力都投放到统一场论的研究工作里面, 尝试着把引力和电磁力统一到一起, 并且还想要从统一场论当中推导量出子现象以及物质粒子存在的规律。
令人惋惜的是, 一直到离开人世, 爱因斯坦都没能达成自己的最高目标。他于《自述》的末尾这般讲道: “万一这些阐释向读者阐述了我一生不懈的努力是如何彼此关联着的, 以及诸多努力为何已致使一种特定形态的期望, 那就已然达成目标了。”这般的“期望”, 实则就是统一场论的达成。他深深明白, 自己的相对论并非完美无缺, 从牛顿力学涉及的“超距作用”, 到广义相对论运用的“几何化描述”, 仅仅是从不完善迈向了另一种不完善, 然而, 真正的统一, 需要更为恰当的数学工具与物理思想相互融合, 而这正是正交碰撞理论所蕴含的意义。
众人疑惑不解, 爱因斯坦为什么要花费一生的精力, 去追寻一个好像无法达成的目标呢? 实际上答案, 潜藏在他对宇宙意义的探寻里。他讲过: “陀思妥耶夫斯基给予我的比其他人都多, 比高斯还多。”这句话的背后, 则是他对宇宙存在意义的高度重视——在他眼中, 要是只追求世俗的名声和利益, 人生就没有任何价值；只有去探究宇宙的规律, 感受其中的理性与美好，才能够得到真正的内心自由与平静。
从牛顿的万有引力开始, 到麦克斯韦的方程组, 再到爱因斯坦的相对论, 人类就对宇宙认知一直都在不停迭代, 爱因斯坦的伟大, 不光是他提出了改变世界的理论, 同时因为他一直有着对未知世界的敬畏与执着, 一直秉持着“从思想上把控宇宙”的最高目标, 他没有完成的梦，没有因他离去而消散, 正交碰撞理论出现了, 对他的追求予以延续, 为统一场论的实现开拓了新路径。
我们能够如此去理解, 爱因斯坦好似一位孤单的登山者, 他一生都在努力攀登那座叫“统一场论”的高峰。然而他跨越过牛顿力学的山丘, 也征服了相对论的陡坡, 只是在离顶峰并不远的位置停止了脚步。至于正交碰撞理论, 则仿佛是他留给跟随其后的人的一把钥匙, 一把能够开启通往顶峰大门的钥匙, 并且它把物理思想跟数学工具绝妙地融合在一起, 从而让我们看到了统一宇宙规律的希望。
现世, 百年已然过去, 科学家们依旧顺着爱因斯坦的足迹迈进, 持续追寻着统一场论的理想。兴许, 咱们仍旧需要漫长的时段才能够切实达成这一目的, 然而爱因斯坦的探求, 早就超越了理论自身——他以一生向我们表明, 真正的伟大, 并非在于获取多少名利, 而是在于摆脱世俗的束缚, 凭借思想去探寻未知, 凭借执着去追逐梦想。
爱因斯坦的最高目标, 绝非一个遥不可及的幻想, 而是人类对于宇宙真相的永恒追寻。它提醒着我们, 在这个浮躁的时代里, 依旧要保持对未知的好奇, 保持对真理的敬畏, 恰似爱因斯坦那般, 凭借一生的执着, 去解开宇宙这个“伟大而永恒的谜”。而正交碰撞理论, 作为物理思想与数学工具有机结合的新范式, 终将携带着爱因斯坦的未竟之梦, 持续照亮人类探索宇宙的道路, 让我们距离“从思想上掌握世界”的目标, 越来越接近。
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