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2024-11-12 116
一切自然现象都可以化为“力”，你怎么理解？这个说法对吗？
来源：互联网
2024-11-12 23:30:53 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
这是一位网友提的问题，他引用了亥姆霍兹的一段话：“一旦把一切自然现象都化成简单的力，而且证明自然现象只能这样来简化，那么，科学的任务就算完成了。”提问者要求评价这种观点。
我不知道这段话是不是赫姆霍兹的原话，但可以试着解读一下。
要弄清这个问题，首先让我们认识一下这位物理学大师。
亥姆霍兹的全名很长，叫赫尔曼·路德维希·斐迪南德·冯·赫姆霍兹，德国人，是生活于19世纪一位伟大的生物物理学家、数学家，是能量守恒定律的创立者。之所以被称为“生物物理学家”，是因为他不但研究了物理学，还研究了眼的光学结构，还对解剖学、生理学有很深的造诣，发明了验目镜、角膜计、立体望远镜等等。
他不但在力学、热学、化学等方面功底深厚，成果显著，还在电磁学上取得了很大成功。他测得电磁感应传播速度为314000km/s，从法拉第电解定律推导出电可能是粒子。由此引导它的学生海因里希·鲁道夫·赫兹，在1887年实验证明了电磁波的存在；而他一系列演讲，促进了麦克斯韦电磁理论的广为传播，让麦克斯韦引起了世界物理学界注意，成为最伟大的电磁学大师。
其实，这位天才的科学家求学之路并不顺利，中学读完后就因经济问题不得不辍学，以在军队服役8年的条件换到公费进入柏林医学科学院学习机会，他不但学习了医学知识，还如饥似渴的旁听学习化学、生理、数学、哲学等课程，最终以医学博士的学位完成学业。所以，可以说亥姆霍兹是一个全才。
关于亥姆霍兹把一切都归结于力的理解。
把世界上的一切都归结于力，是亥姆霍兹能量守恒理论的核心观点。关于能量守恒定律，亥姆霍兹主要论点有三，即：一切科学都可以归结到力学；牛顿力学和拉格朗日力学在数学上是等价的，因此可以用拉氏方法，以里说传递的能量或它所作的功来量度力；所有的能量都是守恒的。
有人认为，他这种把一切都归结于力的观点，是机械唯物主义，是受到历史局限的原因。我不这么认为。他在总结了前人研究的力学、热学、电学、化学成果基础上，发现了各种运动中的共性，严谨证明了能量守恒定律，是人类对自然本质认识的一次重大突破。我认为他对力是世界本质的认识，是他对能量守恒定律本质理解的延伸，是从哲学层面对科学成果的高度概括。
后来的爱因斯坦在能量守恒基础上，进一步提出了质能守恒定律，这是对物质世界本质更为深刻简化的高度概括。爱因斯坦把我们世界高度概括为时空物质三位一体，质量和能量是等价可以互换的，用一个简单的等式就高度浓缩了这个世界物质的本质，即伟大的质能方程：E=MC^2。其中的E表示能量，M表示质量，C表示光速。
现代物理学已经发现了四种基本力。
现代物理学认为，我们世界上所有的物质都受到四种基本力的控制，这就是万有引力、电磁作用力、强相互作用力、弱相互作用力。过去的理论认为，这些力在不同的作用范围里起着不同的作用。
万有引力是最弱的力，作用于一切质点，但作用范围无限远；电磁力作用范围也是无限远，但强度比万有引力大10^36倍，只要有电荷就有这种力存在，几乎充斥在我们生活一切方面；弱力是仅次于万有引力的第二弱的力，强度是万有引力的10^32倍，作用范围最小，只在10^-17m范围有效，只作用于电子、夸克层子、中微子（微中子）等费米子，并制约着放射性现象；强力是四种基本力中最强的力，强度达到引力的10^38倍，作用范围也很小，只有10^-15m，又称核力，就是这种力把原子核聚集在一起。
四种基本力能够统一在一起吗？
还是在爱因斯坦时代，就提出了大统一理论，这个理论就是把力图把四种力统一起来的理论。爱因斯坦的后半生，几乎就躺在了对这个理论的追求里，梦想着找到一个办法，将各自为政的四种基本力用一个理论统一起来。他很想像质能方程那样，一个简单的等式就揭示出这个世界最隐秘的本质。
但可惜直到1955年逝世，爱因斯坦也没有弄出个头绪来。好在后来有很多科学家继承他的衣钵，不断在大统一理论方面发力，终于在上世纪六十年代取得突破：格拉肖、温伯格和萨拉姆等科学家洞悉了电磁力和弱力内在实质的同一性，建立了弱电统一理论，也就是把弱力和电磁力统一起来了。
这个理论的诞生，得益于杨振宁-米尔斯理论，这个理论是由现在健在科学家杨振宁，和美国物理学家罗伯特·劳伦斯·米尔斯联手创立。这是一个伟大的理论，创立于1954年，是规范场论的鼻祖。开始没有引起科学界重视，但到了六七十年代，成为统一场论的基础。
大统一理论能成功吗？
依然是在杨-米尔斯规范场论的基础上，建立起了现代粒子物理学的标准模型，这是描述强力、弱力、电磁力三种基本力及组成所有物质基本粒子的理论，这种理论把粒子分为费米子和玻色子两大类，预言共有61种，现在60种粒子都已经发现并在实验中得到验证，只有号称上帝粒子的希格斯玻色子，已经被发现，还有待进一步验证。
这个理论算是统一了三种基本力吗？科学界还有些争论，认为还存在一些显著缺陷，且引力还远远没有被纳入进来，因此一直没有成为基础物理学完全理论的一部分。那么，大统一理论能够成功吗？人们把希望寄托在上世纪下半叶逐渐兴起的“弦理论”上，认为这个理论很可能是最终突破瓶颈，将四种基本力统一到一个框架的理论。
弦理论认为我们世界最深层次的基本单元并不是粒子，而是比粒子更小很多的线状的“弦”组成，在这个层面就没有什么费米子和玻色子之分了，所有的物质都统一于“弦”。在这样单一的状态下，还需要那么多种力去解释吗？不就只需要一种理论就能解释吗？
这或许就是“弦理论”很可能终结四种力的原因吧。
四种力统一了，人类对世界的理解就更深刻更简单。
其实，亥姆霍兹说得一点也没错，即便是四种力不统一，这个世界的一切也可以用四种力来解释。但四种力得到统一的时候，世界就变得更简单了。当人类对自然界的理解越来越深刻的时候，就会发现整个世界的核心机制原来就是这么简单，既质朴又优美。
就像看魔术，在花里胡哨的表演面前是那么的扑朔迷离和神秘，但一旦看清其背后的机制或被戳穿，原来是那么的简单和不堪回味。
与魔术不同的是，大自然的本质永远值得探索和回味。所以对这个问题我有一点不同意，就是“一旦把一切自然现象都化为简单的力，科学的任务就算完成了”这种说法。因为人类认识世界本质的探索永无止境，大自然深层机制就像无尽的套娃，一层层不断深入，随着对更深层次本质的挖掘，人类文明才能够不断向更高层次发展。
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