爱因斯坦最大的遗愿！晚年研究“大统一理论”，为什么以失败告终

爱因斯坦晚年一直致力于大统一理论，但终其一生，也未能在大统一理论上有多大的建树。

以当代的视角来看，爱因斯坦的大统一之路之所以无法成功，是因为走偏了方向。

在物理学乌云系列，我已经说过，解决乌云的意义就在于物理学的统一，直到完成万有理论。

在具体的实践上，就是统一四种基本力。

在四大基本作用力中，强力和弱力是最晚发现的，也是最陌生的两种力。

在100年前，那时候我们认为自然界都是由引力和电磁力控制的。毕竟这两种力的作用范围趋近无穷远，所以在宏观物体上的表现十分明显，很容易发现。

在爱因斯坦晚年的时候，虽然弱力已经被发现，但是还没有获得主流学界的认可。

爱因斯坦时代的大统一理论只是统一引力和电磁力。那时候弱力还没有成气候，强力还没有被发现。

而现在我们说的大统一理论是尝试统一电磁力，弱力，和强力的物理理论。

并非是爱因斯坦时期的大统一理论的延续，而是另一种新理论。

爱因斯坦时期的大统一理论如今早已被抛弃，主要原因是引力是最难统一的一种力，引力是应该被放在最后被统一的。正确的思路是先统一电磁力和弱力，然后再统一强力，最后再统一引力。

这种思路之所以被广泛接受，是因为有两个重要的支持。一个是电弱理论的成功，另一个是大爆炸模型的推断。

在理论上，如果我们不断加热物体，那物体必然会分解成分子和原子的气态混合物。

倘若再提高温度，那原子会继续分解成电子，中子和质子。如果再继续升高温度，中子和质子就会继续分解成夸克，中微子这样的基本粒子。

如果再提高温度，比如达到普朗克温度，则所有的基本粒子都会融合在一起，形成共同体。这时候四种基本相互作用力也就会变成同一种作用。

在量子力学中，保证物理规律成立的最低时间尺度不能低于普朗克时间，普朗克时间大约为10^-43秒。也就是说，小于普朗克时间的变化都不具备任何物理意义，所以我们才说，在物理理论中，时间的最小值就是普朗克时间。空间的最小尺度就是普朗克长度。

大爆炸模型预测，宇宙中所有的粒子和四种基本作用力都起始于大爆炸之初的奇（qi）点。

在宇宙大爆炸的第一个瞬间，也就是在第一个普朗克时间内，宇宙温度曾处于普朗克温度。所有的力和物质都是同一种事物。

当宇宙的年龄超过第一个普朗克时间后，温度降到10^31摄氏度，时间为10^-35秒时，物理规律才开始生效，这一阶段引力率先与其他三种力脱离出来

当时间达到10^-32s时，温度降至10^26摄氏度。强力又脱离出来。

当时间达到10^-12s时，温度降至10^15摄氏度，能量为100Gev。弱力和电磁力再次脱离。至此，四大基本作用力全部完成分离。

大爆炸之后的宇宙平均温度逐步降低，引力，强力，弱力和电磁力依次分离开来。

逆行推理，只要我们在粒子对撞机中不断提高粒子撞击时的能量和温度，就能看到电磁力率先会合并弱力，再合并强力，最后合并引力。

但是目前的实验装置创造的能量和温度，只能够看到弱力和电磁力的合并。还远不足以达到合并强力和引力的程度。

所以，现阶段我们只能完成弱力和电磁力的统一，也就是电弱理论。

之后电弱理论会尝试统一强力，最终完成大统一理论。

但大统一理论如果要统一引力，则人工创造的温度须接近普朗克温度，这对实验来说，几乎是不可能实现的。所以统一引力的理论需要绕开这种几乎无法完成的实验，重新建立新的引力尝试统一引力，比如量子引力理论和超弦理论。

所以引力是最难，也是最后该被统一的力。

而爱因斯坦的大统一理论，而是直接尝试让电磁力和引力统一，其方向注定是错误的。

接下来看看四大基本作用力的范围。

我之前已经多次强调过，力不可能发生超距作用，其中依靠的就是传播子，物体之间正是因为不断交换传播子才维持了力的作用。可以说，没有传播子，力就无法发挥作用，当然，引力这块还在证实。

电磁力的传播子是光子，其静止质量为0

强力的传播子是胶子，其静止质量也为0

引力理论上的传播子为引力子，其静止质量依旧为0。

弱力的传播子是w玻色子和z玻色子。

w玻色子的静止质量为80.399 ± 0.023 GeV，而Z玻色子的静止质量则为91.1876 ± 0.0021 GeV。

根据不确定性原理的推导，传播子存在的时间Δt符合这一公式。

其中h为普朗克常数，γ为洛伦兹因子，c为光速。M为传播子的质量。

光子，引力子和胶子的静止质量都为0，所以它们存在的时间接近无穷长。所以电磁力，和引力的作用范围可以趋近无限远。

而w和z玻色子由于具有较大的静止质量，代入公式后，就会发现它们存在的时间极短，结合它们的速度，就可以算出w和z玻色子作用的范围在10^-18米。这大概相当一个质子宽度的千分之一。

从理论上看，胶子的质量也为0，其代表的强力作用范围也应该是无限远的，而事实上，强力的作用范围仅限原子核内质子的长度。

这主要是因为胶子连接的夸克会形成强力，且具有夸克禁闭效应。

所以胶子难以脱离夸克。但这并不是说胶子不会脱离夸克，只要能量足够大，胶子依旧可以摆脱夸克。

而胶子一旦脱离夸克，其释放的能量就会形成正—反夸克对，新形成的正—反夸克对就是介子，其实介子就是游离与质子和中子之间的残余强力，也就是我们熟知的核力。核力负责维持原子核的稳定。

质子带正电，如果没有核力，质子之间在电磁力的作用下就会相互排斥，正是由于核力强于电磁力，所以质子才能聚合在一起形成稳定的原子核。

在四种基本作用力中，其传播子的静止质量只要为0，则传播子的寿命不仅趋近无穷长，且传播速度为光速。

光子以光速传播电磁力，引力子以光速传播引力（待证实），胶子以光速在夸克之间传播强力。

由于夸克禁闭效应，胶子无法脱离夸克，所以强力被禁锢在原子核内。

w和z玻色子由于具有静止质量，其寿命极短，所以弱力也被禁锢在原子核内。

而光子和引力子没有这样的束缚，可以轻易突破微观世界，抵达宏观世界。

所以我们才说，宏观世界的绝大部分物理现象都是由引力和电磁力主宰的。

强力和弱力之所以发现很晚，是因为这两种力的作用尺度都在原子核内，只有当人类发现了原子核，完善了量子力学后，才被发现。

在爱因斯坦活着的时候，量子力学还在上升期，所以那时候的大统一理论注定不会纳入强力和弱力，所以从一开始，就注定了爱因斯坦的大统一理论是难以成功的。