《人類科學技術史-332》統一場論和宇宙學理論的早期發展

統一場論和宇宙學理論的早期發展
1.愛因斯坦與統一場論

愛因斯坦把相對論的發展分為三個階段，即狹義相對論、廣義相對論和統一場論。愛因斯坦堅信相對性原理的普遍性，創立了狹義相對論，把經典力學與電磁學理論統一了起來。廣義相對論將相對性原理由慣性參考系進一步擴大到任意參考系，并把牛頓引力理論作為一級近似包容其中，使物理學的統一工作又取得了巨大進展。但是，已知的引力規律和電磁相互作用規律沒能統一起來。

愛因斯坦在創立了廣義相對論之后，便著手研究統一場論，試圖進一步推廣廣義相對論把引力相互作用和電磁相互作用統一在一個理論體系中。廣義相對論的魅力促使不少科學家和愛因斯坦一起為創立統一場論而奮斗。他們力圖仿效黎曼幾何描述引力場的成功作法。建立一種新的幾何學，把各種場統一起來，并使物理學與幾何學統一起來。1918年，威爾試圖用修改黎曼幾何的方法建立一種"規范不變幾何學"來統一描述引力場和電磁場，1921年卡魯查采用將黎曼幾何的四維增加為五維的方法來統一這兩種場的作用，但是，他們都失敗了。

愛因斯坦最初設法推廣卡魯查的工作，但未成功，后來和他的學生柏格曼一起提出了一種不對稱場論，這是愛因斯坦的最后一個統一場論模型。在此模型中，他試圖用度規張量來統一描寫兩種作用，即用度規張量的對稱部分描寫引力場，不對稱部分描寫電磁場，但是，得到的方程無法求解。愛因斯坦去世之后，統一場論的研究幾起幾落，議論紛呈。人們后來發現，宇宙中不僅存在電磁和引力作用，還存在強相互作用和弱相互作用。必須先實現電磁相互作用和弱相互作用的統一，然后再將強相互作用統一，最后才能把引力相互作用統一起來。

50年代之后產生的規范場論，為統一場論的研究開辟了一條正確的途徑。人們首先提出了弱相互作用和電磁相互作用的統一理論，并得到了實驗證實，現正在攻克電、弱、強三種作用的大統一，而且相信，包括引力作用在內的四種相互作用的超統一理論最終是能夠實現的。

從1923年至1955年去世前，愛因斯坦一直埋頭研究統一場論，但由于當時歷史條件的限制和缺乏建立統一場論所需要的基本經驗事實，因此他最終未能實現其建立統一場論的宏愿。愛因斯坦并不為他付出的代價而感到遺憾，他始終認為，他所做的探索是有意義的，而統一場論的發展也證明了這一點。

2.宇宙論的早期研究

牛頓由萬有引力定律得出宇宙必定是無限的結論，即宇宙的圖象是無數的天體均勻地分布在無限的三維歐氏幾何空間中，空間向各方向一直延伸下去，沒有一個方向是有終點的。1894年，德國物理學家西利格爾研究指出了牛頓的宇宙理論所存在的"引力徉謬"問題：物質分布均勻的無限宇宙中，牛頓的引力勢不存在有限解；若物質分布不是嚴格均勻，那么，對每個星體而言，各方向物質引力貢獻的總和將是非常可觀的，但實際情況不是這樣。

1826年，奧爾勃斯分析指出，如果宇宙是充滿無限數目的星體的歐幾里得宇宙，星體分布均勻而且過去未來都發光，那么將導致一條荒謬的結論：白天和夜晚應該一樣明亮。這就是所謂的"光度徉謬"也稱"奧爾勃斯徉謬"。以牛頓的萬有引力規律和歐氏幾何學為基礎的宇宙模型是無法擺脫以上的兩個疑難的。

1917年，愛因斯坦將廣義相對論引力場方程用于研究宇宙學問題，發表了第一篇關于宇宙學的論文《根據廣義相對論對宇宙學所做的考查》。文中，他也分析了牛頓無限宇宙理論中的矛盾和不自洽。

牛頓經典力學在討論一個有限力學體系的運動時，總是假定可以選取一個參考系，使引力勢在無限遠處成為常數。在解決局部天體的運動問題時，這個條件是非常關鍵的。但是，按照牛頓的無限宇宙圖象，物質是均勻分布在整個無限的空間中，那么，根據牛頓經典力學又將得出無限遠處引力勢不為常數的結論，這就是一種矛盾。如果，放棄物質均勻分布于整個空間的假設，認為物質主要集中在周圍有限的范圍，那么，可以保證無限遠處的引力勢是常數，但物質的宇宙確仍然是有限的。所以，牛頓的引力理論在原則上是無法描寫宇宙這一物理體系的。

愛因斯坦利用廣義相對論得出的引力場方程對宇宙體系進行了考察，并提出了兩個假定，一是各向同性的假定，即宇宙從大尺度上來看，在任何給定的時刻，對各個方向觀測的結果相同；另一是均勻性的假定，即宇宙從大尺度上看，天體的分布是均勻的，星系的平均密度、光度和相互間的距離都是一樣的。這兩個假定也稱宇宙學原理。根據這一原理，他由引力場方程得出了一個靜態的宇宙解，即物質在宇宙中總的分布不隨時間變化的解，這個解表明，宇宙是閉合的、有限的，但又是無邊的。這個宇宙模型雖然簡單，而且后來的星系遠離運動的觀測事實也表明宇宙這個物理體系不是靜態的，但它確是第一個科學的現代宇宙模型，為現代科學宇宙學的發展奠定了基礎。

同年，荷蘭天文學家德西特由引力場方程得出另一個靜態的宇宙解。該解認為宇宙的物質有運動但平均密度趨于零。

1925年，蘇聯數學家弗里德曼由愛因斯坦的引力方程中得到一個非定態解，但當時未引起人們的重視，1927年，比利時天文學家勒梅特把這種動態時空解作為一個宇宙模型進行了考察，提出了弗里德曼一勒梅特宇宙模型和大尺度的空間會隨時間而膨脹的觀點。

1929年，美國天文學家哈勃(1889-1953)在研究河外星系光譜紅移中發現，星系系統的退離速度與距離成正比，這表明，宇宙在膨脹，非靜態宇宙模型獲得觀測證實。

愛因斯坦起初對弗里德曼等人的動態宇宙模型持懷疑態度，認為非定態解是求解引力場方程時的數學錯誤所造成的，但在哈勃紅移現象發現以后，愛因斯坦收回了對弗里德曼的批評，承認了自己的錯誤，并萬分感慨地說，這是他"一生中最大的錯事"。

1932年，勒梅特又在宇宙膨脹的基礎上進一步提出宇宙起源于原始火球的大爆炸觀點。1948年，美籍物理學家蓋莫夫(1904-1968)把宇宙起源與化學元素起源聯系起來，提出宇宙大爆炸學說。這一宇宙學模型認為，宇宙起始于一個密度極大、溫度極高的熾熱物質凝團，這個凝團快速并各向同性地爆炸，物質向外散開，在膨脹和冷卻過程中形成了星系和恒星。現代天文學家觀測到的大尺度天體的系統紅移與這種宇宙學說是一致的。

關于宇宙的形成以及巨大宇宙物質如"塌縮恒星"、"黑洞"等的奇異性質在現代理論天體物理學中是相當引人入勝的話題，。愛因斯坦創立的廣義相對論為人們研究宇宙、開拓宇宙奠定了基礎，而隨著研究的深入，相對論也遇到了挑戰，人們對自然的認識也隨著一個個挑戰的產生和解決而不斷深入。