现代物理学难题：引力与电磁力的统一，爱因斯坦半辈子都没有完成|广义相对论|引力|牛顿|物理学|狭义相对论|电磁力|阿尔伯特·爱因斯坦|麦克斯韦

在科学发展的长河中，科学家们在探索自然法则的奥秘中，致力于揭示那些普世的物理原则。例如，牛顿从对苹果落地的观察出发，经过精密的推导，给出了万有引力的数学表达：

然而，爱因斯坦在更深入地审视引力时发现，牛顿的公式在许多情况下并不够精确，牛顿对引力的诠释——即引力是一种超距作用——也不能令人满意地解答引力究竟是如何在遥远的空间中发挥作用的。于是，爱因斯坦提出了一种全新的引力理论——广义相对论。

在1905年以前，爱因斯坦还是一位无名小卒，任职于专利局。然而，在那一年，爱因斯坦似乎突然迸发出惊人的创造力，发表了数篇足以赢得诺贝尔奖的论文，使得这一年被誉为爱因斯坦的“奇迹年”。其中一篇，便是划时代的狭义相对论。

爱因斯坦将两个基本前提——相对性原理在所有惯性系中的适用，以及光速在任何参考系中都是恒定的——作为出发点，通过数学运算，确立了狭义相对论。在这个理论框架中，时间和空间是不可分割的整体，形成四维时空（即闵可夫斯基时空）。通俗地说，相同的事件在不同的观察者看来，发生的时间可能是不一样的。但狭义相对论的局限性在于，它仅适用于惯性系，而非惯性系则不适用。

那么，如何定义惯性系与非惯性系呢？一个简单的例子是：在一个封闭的车厢里，有一个物体m。如果车厢内的物体m总是保持静止或匀速直线运动，无论车厢的运动状态如何，我们就说这个车厢是一个惯性参考系。反之，如果物体m以加速度a加速运动，那么参考系就是非惯性参考系。

简言之：

1.任何自由物体在惯性参考系中，总是保持静止或匀速直线运动状态，这意味着牛顿运动定律在这样的参考系中是成立的。

2.而在一个非惯性参考系中，自由物体会以一个定加速度或变加速度运动，牛顿运动定律在这里就不再适用了。

我们知道，在现实中真正的惯性系几乎不存在，大多数的惯性系都是假定的。因此，在狭义相对论提出之后，爱因斯坦认为它只能在惯性系中成立，无法推广至非惯性系。经过十年的研究，爱因斯坦在1915年终于提出了他的广义相对论。

广义相对论同样在时空领域进行深入研究，它对引力的描述是：物质的存在会导致时空的弯曲，而物质的分布决定了这种弯曲的程度，反过来，这种弯曲也制约着物质的运动。这一理论的数学表达形式就是数学家黎曼所提出的黎曼几何。作为非欧几何的一种，黎曼几何为广义相对论的建立提供了坚实的数学基础。

除了引力，我们日常生活中接触到的另一种基本作用力就是电磁力。一想到电磁力，我们通常会想到电动机的旋转，或磁铁吸附铁屑，电机的定子与铁屑都在电磁力的作用下发生运动。

1785年，库伦发现了静止点电荷之间的作用力与它们之间的距离的平方成反比，与电荷的乘积成正比，并总结了同性电荷相斥、异性电荷相吸的规律。这一作用力可以通过公式（其中K为静电力常数）来进行定量计算。

起初，电力和磁力看似互不相关。然而，奥斯特发现了通电导线可以让小磁针旋转。随后，法拉第凭借其卓越的科学直觉，猜想电与磁之间可能存在某种联系。他通过实验最终发现，当磁铁穿过通电线圈时，可以使灯泡发光，从而证实了电磁感应现象。麦克斯韦在前人的研究成果基础上，成功统一了电与磁，并给出了历史上最完美的一组方程——麦克斯韦方程组，他也因此成为电磁学的集大成者。

最初，麦克斯韦方程组由20多个方程组成，但因与经典力学的冲突，麦克斯韦的理论并未受到广泛认可。麦克斯韦终因过度劳累而早逝，加上当时数学发展的限制，他未能给出麦克斯韦方程组的简化版本。

1884年，奥利弗·赫维赛德和约西亚·吉布斯以矢量分析的形式重新表述，才有了我们现在课本中仅有四个方程的麦克斯韦方程组。从中我们可以看出，麦克斯韦通过引入场的概念，以空间中某区域的电磁场量（D、E、B、H）和场源（电荷q、电流I）之间的关系，描述了特定电场、磁场、电生磁和磁生电的性质。

自从麦克斯韦统一了电与磁之后，电磁力被认为是一种基本作用力，所有的电磁现象都可以用麦克斯韦方程组来描述。与其他科学理论不同，麦克斯韦方程组自发表以来，对人类社会的实际生活产生了巨大影响。

爱因斯坦致力于统一引力与电磁力

1915年，数学家希尔伯特发现黎曼几何在广义相对论中的成功应用，便写信给爱因斯坦，提到从数学角度看，普适的麦克斯韦方程组可以视为引力场方程的延伸，引力与电磁力或许是同一种力的不同表现。爱因斯坦对此表示了极大的兴趣，并在回信中表达了自己一直在努力寻找引力与电磁力之间桥梁的愿景。

自1922年起，受麦克斯韦统一电、磁、光的启发，爱因斯坦试图构建一个统一的理论来描述引力与电磁力。但遗憾的是，直至1955年爱因斯坦去世，他也未能取得突破。爱因斯坦始终试图以几何的方式，如同广义相对论一样，统一电磁力与引力。他将黎曼几何的四维时空与电磁场结合，构想了一个五维时空，但每一次看似接近成功时，总有违背常理的差异出现。

在爱因斯坦探索引力与电磁力统一的过程中，物理学家又发现了存在于原子核内的强相互作用力与弱相互作用力。人们在统一其他基本力的道路上取得了突破。从20世纪50年代开始，受到杨振宁与李政道的宇称不守恒理论的启发，美国物理学家格拉肖预言电磁力与弱相互作用力是同一种力的不同表现形式。随着量子力学的发展，物理学家们相信，传递力的作用是通过特定的矢量玻色子完成的，光子传递电磁力，而W-、W+、Z0玻色子传递弱力。这一理论在1983年的欧洲核子研究中心得到了证实。

电磁力与弱力的统一找到了新的方式，即通过量子力学——量子场论。

现代物理学已经找到了描述电磁力、强相互作用力和弱相互作用力作用机理的统一理论，即标准模型。然而，引力仍然未被纳入这一体系中。