大学物理大统一理论文档格式.docx
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物质粒子发射出传递力粒子而产生反弹，传递力粒子与加外物质粒子碰撞而被吸收，这样一发一收，即两个物质粒子由交换传递力——而使其速度发生改变，如同它们之间产生了力的作用。
1．1两种长程力——引力和电磁力
当物质粒子发射的传递力粒子质量为零时，则在大距离上可以进行交换，称为长程力。
引力——所有物质粒子（P、”、e、）都能感受到这种力。
它是由自旋为2、质量为零的引力子传递的。
电磁力——只有带电粒子（P，e）之间才能发生这种力的作用，它是由于自旋为1、质量为零的虚光子（与能级跃迁发射出的实光子不尽相同）传递的。
并且只有带电的物质粒子才能发射和吸收这种传递力粒子。
需要说明的是：
引力子和虚光子都是虚粒子，不能通过实验的方法探测到它的存在，但确实产生了可以测量的效应，即引力和电磁力的存在。
1．2两种短程力——弱核力和强核力
当物质粒子发射的传递力粒子具有一定的质量时，则不可能在大距离上产生交换效应，因称为短程力。
这种力只有在原子核内表现出来。
弱核力——所有的物质粒子（P、”、．）当它们之间的距离小于l0m时，可产生弱核力的作用，这种力制约着放射性现象，它是由自旋为l具有100Gev的质量的中问玻色子传递的。
强核力——在原子核内依靠这种强大的吸引力束缚在一起。
这种力是由自旋为1的胶子来传递的。
2统一理论的思想基础
近代宇宙学的七大观点之一——宇宙大爆炸观点是统4种相互作用力的重要理论基础。
180亿年前某时刻发生了一场可怕的宇宙大爆炸，根据相对论的观点。
大爆炸瞬间。
时间和空间同时诞生了。
但在大爆炸初的一段极短的时间内（大约为10s），宇宙中没有任何天体，没有任何粒子。
也没有任何辐射，只是单纯而对称的时空以指数方式进行急骤的膨胀。
因此。
在这段时间内绝不可能存在可以区分开的4种相互作用力。
也许整个宇宙就在一种作用下而膨胀着。
根据对称原理。
宇宙应是球形的（爱因斯坦超圆体模型）。
此时空是弯曲的，到大爆炸后的10s，由于时空的弯曲为巨大引力作用的产生打下了基础。
引力作用首先分划出来。
美国物理学家狄拉克将广义相对论，质能方程（E=，”r）和量子论结合起来并进行了划时代的推导，得出著名的狄拉克方程。
预言了通过聚集能量能创造出物质粒子，从大爆炸时刻（t=0）到10I3s这时的宇宙要比现在小多了，难于想象的巨大能量封闭在如此小的宇宙中，根据狄拉克的理论，物质粒子必然大量产生，强作用力分化出来。
随着宇宙的不断膨胀，物质粒子间的有效距离不断增大，带电物质粒子间的电磁作用力体现出来，到10。
s后电磁作用分划出来。
至此自然界的4种自然相互作用产生了。
既然4种相互作用力是在宇宙大爆炸后，宇宙逐渐形成的最初过程中，在各不相同的条件下逐次分划出来，因此，人们完全有理由认为在某种特定的条件下，可将这4种自然力统一起来，建立大统一理论，用这个理论解释各种自然现象。
3粒子理论下的统一
电弱统一的成功——当玻色子的能量远远超过100Gev时，其质量趋于零，它的行为方式与光子非常相似。
但能量较低时，玻色子具有较大的质量，使其传递距离为短程。
这种理论可将电磁与弱核作用很好地统一起来，称之为电弱相互作用，并且这种理论已有了实验的基础。
不完全的大统一尝试——高能粒子加速器的实验证明：
在巨大能量下强核力变得弱得多，而电磁力和弱核力在高能下却变强了。
由此物理学家预言，在非常高的称之为大统一能量下，有可能3种传递力粒子，即虚光子、中间玻色子、胶子具有相同的行为和性质，而且不同的物质粒子也会基本上变成一样，这样就可将这3种力统一为一种力在不同的条件下的表现。
在这里要着重指明两点：
一是大统一能量的数值人们还不十分清楚，更无法进行实验验证；
二是这种统一理论并不包括无处不有无时不在的引力。
因此这是一种不完善的大统一理论。
4爱因斯坦对统一理论的构思
前面，笔者已经将粒子理论下的大统一理论的构思和发展作了一下简单介绍。
在这种理论下无论如何不能把引力作用包括进去。
著名物理学家爱因斯坦却在这方面作了大胆的设想，为大统一理论的实现奠定了思想基础。
1905年爱因斯坦天才地统一了时间和空间的概念，即在闵可夫斯基四维时空中，时间和空间是密切相关的统一体。
几年后，他将这统一的时空进一步加以深化。
提出了统一的时空是弯曲的，著名的爱因斯坦转盘实验及1911年日蚀时观测到的恒星发射出的光线在太阳引力场中的弯曲，有利地证明了弯曲时空的这个事实。
因此，爱因斯坦指出，由于物质的存在，使得空间一时间发生了弯曲，自由粒子在这弯曲的时空中并不能做直线运动，而是沿弧线运动，即所谓沿短程线运动，从而在宏观上表现为它受引力作用（因为任何曲线运动均是变速运动。
要受到力的作用）。
由此可以看出引力仅是时空弯曲的一种表现这样，在物理界爱因斯坦首次将空间和时间的概念赋予了动力学的涵义。
由于在粒子理论中的大统一只包括强作用力、弱作用力和电磁作用力。
而不包括引力作用，如果一旦能把引力作用和电磁作用统一起来就可打开这4种自然力内在统一的神秘大门。
因此，爱因斯坦在他的晚年就致力于引力和电磁力的统一工作，并把此项工作作为他的终生事业。
爱因斯坦认为，既然引力仅是空间一时间的某种几何性质的表现形式，那么要想把牛顿引力和麦克斯韦电磁力统一起来，就必须证明麦克斯韦电磁力同样也是空间一时间的某种几何性质的表现形式，能否做到这点呢?
笔者在这里提出自己的一些看法。
引力和电磁力虽然从宏观表现和微观机制上不尽相同，但也有非常相似的地方。
在此笔者做几点简单比较：
其一，彼此具有电磁力作用的物质粒子，我们说它带有电荷，正是由于这种粒子带有电荷，它才能够发射出或接收虚光子而产生电磁力作用，而对所有的物质粒子而言，我们可以说它带有引力荷，正是由于它们带有引力荷，才能发射或接收引力子而产生引力作用；
其二，电荷周围要产生一种场称之为电磁场，同样，引力荷周围也要产生一种场称之为引力场；
其三，带电粒子携带电荷作变速运动会激发电磁波，爱因斯坦认为物质粒子携带引力荷作变速运动也会激发出引力波。
由于宇宙中所有的物质粒子均做变速运动故引力波充满了整个宇宙，同样引力场也充满整个宇宙。
通过以上的几项简单比较，虽然至今人们还不知电荷和引力荷到底是一种什么东西，只能认为是粒子（包括带电粒子和不带电粒子）宏观表现的一种概念，但通过这种表现也不难想像出：
其一是电荷和引力荷能否确实统一为某种共同的东西，（即使它不是一种微观粒子而只能附着在粒子上）。
引力荷是物质粒子普遍带有的，是否在某种特殊的条件下使引力荷又附带有电荷呢?
其二
是通过广义相对论可以得出引力荷（引力荷的多少为质量）与空间一时间的曲率有着密切联系，那么电荷（电荷的多少
为电量）是否也能与空间一时间结构的某种几何性质发生联系呢，如果这两点想像经过理论和实验的研究，答案是肯定的话，那么就有可能把引力和电磁力统一起来，从而得出基本相互作用与空间一时间的几何性质的统一，使得真正的大
统一理论宣告成功，实现爱因斯坦的最终宿愿：
时间、空间、物质及它们之间的相互作用和物质的各种运动统一到一个
理论中去。
最后要说明的是：
其一，电磁力到底与时空的什么几何性质密切相关?
引力荷到底在什么条件下附带有电荷?
还需要人们去深入地探究；
其二，大统一理论就像光的本质理论——波一粒二象性一样，一方面为粒子理论下的不完全统一，方面是广义相对论下的时空几何性质的不完全统一，二者相结合构成全面的大统一理论。
检索二：
【题 名】《生物界的统一理论存在吗？
》
【作 者】JohnWbitfidd著孟世鸿译
【出处】《世界科学》2002年1期
现代物理学的基础理论从相对论和量子理论开始，发展到超弦理论和M理论阶段，由此下去，物理学的终极理论会被找到吗?
很多科学家对此信心十足，他iriSH信，经由几代科学家的不懈努力，一个能够描述整个宇宙的大统一理论已经让我们伸手可触了。
然而，并不是所有科学家都是如此乐观。
当年，爱因斯坦耗尽最后的精力，力图建立一个统一场论，把宏观宇宙与微小世界的不同法则结合起来，以对我们神秘的宇宙作出完美的阐释，但他最终带着遗憾离开。
霍金在20世纪80年代初乐观地表示，我们或许在20世纪末可以寻找到终极理论，以参透“上帝的心智”，如今他也不得不承认，未知的东西仍很多。
而自20世．~26o年代以来，各种形形色色的新理论层出不穷，我们常常误以为触到了秘密的边缘，却最终发现，那不过是“竹篮打水一场空”，就像量子物理学家约翰·
惠勒所i兑“永远不要追逐一辆公共汽车、一个女人或一种宇宙学的新理论，因为几分钟之内，你总会等到下一个。
”从一定意义上来说渺小的人类，怎么可能了解宇宙的秩序，并回答所有的为什么呢?
有个譬喻是，狗永远不会量子论达尔文是第一个使用这个譬喻的人，他写道：
“我深深觉得这整个课题对人类来说过于艰深。
许狗儿也像牛顿一般思索过大自然，但却徒劳无功。
”面对宇宙不可思议的复杂与美丽时，也许们人类所知永远有限。
我们不可能找到一个终极的宇宙理论，
还有一个更深刻的理由，这个理由源干“哥德尔不可判定性原理”。
这个原理告诉我们，任何数学系统都不能用来证明该系统的一致性，也就是说任何一个理论都有自身解决不了的问题，而需要引入另外的理论来证明这个理论，如此环环相扣，在数学上永远没有一个最后的完备定理。
与此相类似，在物理学领域，也不会找到一个终极的、能够自己证明自己的终极理论，任何一个最后的理论都需要别的理论来证明它。
比如，最新的M理论需要新的理论来证明，而新的理论又需要更新的理论来证明，如此下去，终极理论的尽头在哪里呢?
这意味着，要建立一个单一的描述宇宙的大统一理论是不太可能的。
霍金对此作了一个形的比喻：
“这犹如你不可能只用一张单独的地图去描述地球表面，你至少需要两张地图去覆盖每一点，每张地图只对一个有限的区域有效，但是不同的地图有一个交叠的区域。
整组地图才能提供地球表面完整的情况。
”
当然，如果我们跳出我们的宇宙之外，也许会找到一个单一的宇宙大统一理论，但可惜的是我们永远无法从外面观察宇宙，我们跳不出这个宇宙，就像不能拉着自己的头发离开地面一样。
检索三：
【题 名】《有没有一个宇宙统一理论？
【作 者】甘信风
【出处】《大科技．科学之谜》2005年2期
有些人看到的只是一棵棵的树，而另外一些人看到的却是整片的树林。
但是布莱恩·
恩奎斯特进入哥斯达黎加的野生保护区后，发现了更深层次的结构。
他说：
“当我进^树林我有某种感觉：
在复杂的背后，有某种简单性，使并不那么直接。
恩奎斯特，位于图森的亚利桑那大学的一位生物学家，一直致力于发展生物个体重量来解释生态系统及其组成个体的生物学。
最近有^评论说．这个项目对生物学潜在的影响，可以和牛顿对于物理的影响相比拟”。
恩奎斯特和他的同事希望能够通过对于单的标度理论（scalhg1H）——它是对于生物体的生命活动随着个体大小的变化而变化的一个数学表达——的阐释．来理解在新陈代谢、生长、生态学和演化中贯穿于整个生命世界的种种模式。
一系列发表于顶级杂志高引用率的论文．还有3301年度美国生态学会麦瑟（Mel~er）奖的获得，对恩奎斯持而言都证实了他的想法的重要性。
但是．对于任何一个大胆的新理论，有些人怀疑其普遍性，有些人怀疑理论的可彝性。
甚至，还有评论家对于该理论试图解释的那种趋势都表示否认。
恩奎斯特和他的同事真的有了一个专人瞩目的理论突破．抑或同牛顿的比较不过是吹嘘?
不管如何大家都认为对标度学说新发挥最终将引发对于生物学探刻的思考。
标度模型恩奎斯特和他的两位合作者——一位是在艾波齐尔昆（mb田e呵I1e）的新墨西哥大学的生物学家姆斯·
布朗，另一位是洛斯·
阿拉莫斯国家实验室的物理学家杰弗里·
维斯特，对于生物学标度定律的基本解释的演绎，使他们重新翻开了困惑生物学至少半个世纪谜团的卷宗。
博物学家们早就知道，随着大小的变化，生物的生命现象的好多方面都将发生变化。
比如，高大的动物生活节奏比较慢寿命长，生长比较缓慢．心跳也慢，诸如此类。
30年代，加l州大学戴维斯分校的生理学家麦克斯·
克莱博就发现动物的新陈代谢速率同它的体重的3／4次方有比例关系。
人们
发现，在生物世界里．从细菌到蓝鲸和高耸人云的红杉，即使大小上整整跨越了2o个数量级，这个关系都是成立的标度定律都是呈指数关系，其分母是其他的生物学变量，比如寿命的四倍这样一个乘积。
树叶和肺有相近的分形结构但是长年以来，标度定律就是没有任何解释。
生物体都是三维的，根据欧几里德几何，标度定律应该是和1／3的乘积次方成正比，而不可能是1／4的。
比如，代谢速度可能和体重的2／3次方成比例——这个根据是体表面和体积的对比，前一个决定散热速率，后一个决定该生物体产热的速率。
90年代中期，恩奎斯特和布朗，开始寻找能够解释这个隐匿的生物标度的第四维的因素。
他们怀疑生物体内部的营养物质和其他物质的输运机理能够给
出答案。
在与位于新墨西哥的圣菲研究所（这是一个专门研究棘手的复杂性课题的机构）的接触中，他们和一位有很高的数学技巧、能够帮助他们发展概念的理论物理学家维斯特开展了协作。
他们合作的理论有望物质传递网络——比如：
血管、贯穿植物的输运永的术质部和在昆虫组织中传导氧的气管来揭开标度谜团。
这样，诸如代谢速度（和作用于它们的改变生物体尺寸的因素）等变量在体内的网络结构传递中占有重要的地位。
维斯特、布朗和恩奎斯特的理论假定：
进化已经使生物的物质传递网络所占据和释放物质的面积最大，且传递这些物质到各器官所需的时间和能量最少。
自然选择如此强大，”布期说，“生物要从最优偏离，是困难的。
”该模型还假定网络的末端结构的规模和体积无关。
换句话说，一只老鼠的毛细血管和大象一样丰富。
维斯特、布期和恩奎斯特认为，满足这些规贝9的网络结构具有分形结构。
这就意味着，它们的分支结构可以通过反复运用简单的数学公式实现在数学上的表达。
布期说，放弃欧几里德几何，接受分形是关键的一步。
“生命现象的绝大部分都以类似分形的方式确定的，我们能够通过发展严格的量化模型来使它中肯而又有说服力。
分形应该可以解释为什么三维的生物体的标度指数为4这一由来已久的谜团，一个为了尽快获取和释放物质的两维的表面积极大的网络结构填充于立体空间，就有了四维的一个几何体。
虽然难以画成图像，但是，恩奎斯特运用一种类似于树木把树冠上——从本质上讲是两维的面积很大的树叶压缩投射到地面上的方式来实现。
他总结说：
“分形几何撑起生物体中新的维度。
”1997年4月．维斯特、布朗和恩奎斯特发表了他们的理论：
他们把生物体体积和代谢速率联系起来得出了克莱博的3／4次方标度定律。
研究人员已经用该理论来描述一系列的生物现象，例如在维管植物中的比例和结构。
同时，他们也从只关注单个生物个体的层次扩大到整个生态系统。
比如，用描述体积和代谢率关系的模型。
研究^员发现，虽然营养物质或者永分是一十限制因素，树木的分布密度和单个个体重量之间有3／4的标度关系。
这个规则，从亚马逊到北极的植被都是遵守的。
就是这个理论框架，也解释了虽然生物的大小和高度增加的速度不同，但是生长率和个体重量有3／4的指数关系。
这样看来，不同植物的生命过程，其生长率和性成熟早晚的截然不同，都仅仅是为了服从相同的能量最优定理而展现的不同。
同一个理论能够符合庞然大物和小东西吗?
维斯特、布朗和思奎斯特是否就这样得到了生物学大统一的理论了呢?
恩奎斯特自己认为，他们现在的构想是关于生物个体消耗的终扳的普适理论的漂亮初级近似。
而怀疑论者贝9
统一性时，已经丧失了生物界的真实性。
夸年初，麻省理工学院的一些物理学家就质疑体重和代谢率问的3／4定律的存在。
通过对于克莱博的原始数的重新分析，彼德·
多德（PeterDDdds）和他的同事得出结论：
统计上，绝大部分的指数应该是2／310。
现在工作于纽约哥伦比亚大学的多德宣称：
“关于代谢的数据并不能证实通常的3／4指数的说法．其实有很多标度。
不同的研究中，对于小数位的疑团，早期的生物学家们模糊地归结为3／4。
多德推断，部分原因可能是这样用计算尺比较方便。
布朝否认多德的推断。
“代谢率不难测量，”他说，任何足够数量的测量，它们都得出是在3／4附
近。
”威廉·
卡尔德（w珊锄C妇），一位亚利桑那大学的生物学家说，大量的呈3／4次方标度的生物变量肯定存在这种趋势。
研究个体生物的生理精细信息的生物学采批评分形理论试图普适化的企图。
大家都同意总体上这种跨物种的相关是稂恰当的，但是有许多物种大大地偏离了标度率。
。
我们越了解相关的生理细节，这些解释就越不能令人信服，”新泽西州菁林斯顿大学的亨利·
霍恩，一位研究植暂生长模式的植物学家说，。
我倾向于认为太自然于不同的事铂有不同的方式。
维斯特说，基于对某些物种违背标度率提出的批评忘了要点，理论是针对理想平均化的生物的．而不是针对特定的植物和动物。
事实上维斯特试图我到更多的违背理论预测的物种。
我发现最蹊跷的是到底为什么就是那么符合?
多少有点令人惊讶。
”维斯特把争执主要归结为物理学家和生物学家之间的价值观念的差异。
“如果伽利珞是一个生均学家．他特会就不嗣的物体下落的不同速率细节写本太部头的书”。
恩奎斯特对此表示同意．说道：
“生物学家没有寻求普适性的哲学倾向。
”分歧毕竟越来越多的生物学家被新的理论架构所吸引。
霞已经从无神论者变成了不可知论者，”康隶尔大学的植物学家卡尔-尼克拉斯（K8IlNik],as）、《牛顿学说比较》一书的作者，现在也成了恩奎斯特的台作者。
他说．如果该理论成立，它将适用于整个生物界，有着解释一切的能。
另外一位热衷者．犹他l州立大学的生物学家马克·
里奇（MaIk汹e）已经用该理论来解释物质在生态系统中太小不同的动物间的分配了。
他把食草动物的群落看作分形的物质分配的网络模型。
这样，他就可以推算在一个特定的地区，有多少物种可以共存。
换句话说．他用基本原理来解释生物多样性。
该模型对于在斯伦哥提和明尼苏达草原上观察到的物种车度模式根吻合。
在尚未发表的论文中，里奇已经开始研究动物的栖息地和体重间的标度关系。
对于食肉动物，他发现它们的活动范围髓着体重的增加增长非常快，因为相对来说它们的食物来源比较少。
这使得食肉动物由于扩大栖息地而特男窖易捕食。
即使是霍恩弗样的批评者对于维斯特、布朗和恩奎斯特得到的敷据也没有异议。
他说，“由于联系是如此紧密，那么在机理后面必然有某种不可抗拒的普适性。
”但是雹恩怀疑分形几何的重要性。
他说．虽然树木看上去是分形的．它们的生长远比反复叠代数学公式复杂，它们之有一个复杂的组织的生长和死亡间的平衡
詹亚斯·
巴纳法，一位在宾夕法尼亚州立大学的理论物理学家，确信可以不用分形的概念来解释生物学上的适性。
两年前，巴纳法和他的同事发表了一个更简单的模型，认为克莱博的3／4定律起困于一个从瓣向支流扩散的网络结拘。
考虑到网络的总长度、支流的数目，以及时刻在网络中物质的总数——3／4定律自然从计算中得刊了巴纳法说：
“3／4是那连通的网络结拘固有的，根本不需要分形。
但是许多标度方面的专家对于巴纳法的方法表示怀疑，甚至是那些不满维斯特、布翩和恩奎斯特的学者。
维斯特补充说，巴纳法的理论不能解释在分形理论中包古的非常广泛的标度现象。
“即使是对的，也只解释了一条，即代谢率。
而且，像分形，维斯特、布朗和恩奎斯特理论适用非常广泛。
“我们非常清楚地发现了冰山的一角，”布朗说，但这一角到底有多大和未来将去向何方，且前并不清楚。
维斯特、布朗和恩奎斯特和他们的合作者现在正关注一系列非常广泛的现象。
他们相信标度率适用于呼吸作用和细胞分裂中的分子和亚细胞结构。
布鹤在一篇上周发表的论文中，拓展到体温研究，他说到．体温是除了体重外最重要的生物学指标了。
最终，他希望能够解释体温、体重和演化率之间的关系。
布朗对于培养皿中的动物胞培养也有兴趣，并加速它们的代谢率和分解速率，它们好像能意识到不再是一个更太个体的～部分了瘫细胞也是如此，当它们脱离了一个更太的单元。
他也对癌细胞鲭够改变物质传递网络和刺激血管生长的观察神魂颤倒。
无论维斯特、布朗和恩奎斯特的分形理论是否正中了要害，尼克拉斯确信，统治丰富的生物现象的简单、普遍的理论有待发现。
“我不认为从地球上各个太陆所得到的物种，无论化石还是活体，展现出来的生态结构不过是偶然造成的。
检索四：
【题 名】《新物理学的大统一理论》
【作 者】佚名
【出处】《XX》
对统一的探索所遇到的复杂性比几十年前任何人想像的都要大，不仅有四种普遍存在的力，而且还有大约300多种“基本”粒子——还不包括被认为是各种基本粒子的基本组成部分的夸克。
从本世纪初以来，每年都越来越详细地揭示出原子的内部结构，而且使得关于原子和亚原子的理论越来越复杂。
原子本身是在19世纪末被分裂出来的，人们因此知道了占据它的能量壳层的是电子，但没有人知道后来会出现多少不同的粒子。
有关的发现随着粒子加速器的发展而来，随着每一台比以前更强大的新加速器投入使用，一系列新粒子在碰撞中出现了。
20年代，人们只知道三种亚原子粒子：
光子、电子和质子。
E·
卢瑟福当时指出，在原子核中必定还有其他粒子，它叫做中子。
当实验证实了这种粒子的存在时，基本粒子的目录已经开始扩大。
1930年，在一次旨在解释某些令人困惑的有关放射性原子核衰变方式的实验的理论论证中，W·
泡利提出了存在中微子的假设，25年后，中微子的存在得到了实验的证实。
由于量子理论的出现，人们尽管已经比较了解原子的电子外壳，但原子核依然还是一个谜。
是什么力在维持它的稳定性呢？
日本物理学家汤川秀树认为还有一种新的基本粒子，因为根据预测，它的质量介于质子和电子之间，所以它被叫做介子。
汤川假设，质子和中子不断地交换介子，而使原子核保持稳定的正是这种交换。
但是当实验者们开始寻找介子时，他们发现的不是一个粒子，而是一个粒子家族，其中包括μ介子和π介子。
由于建造了更大的粒子加速器，同时还由于物理学家们利用火箭来寻找包括来自地球大气层以外的
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