引力与电磁力该如何统一？爱因斯坦半辈子都没有做到！

在科学探索的长河中，物理学家们矢志不渝地追寻自然界中普遍的物理法则，比如牛顿通过对宇宙的观察，提出了物体间普遍存在的万有引力，并用数学公式进行了精确表述。

但随着科学的进一步发展，爱因斯坦开始质疑牛顿的引力理论，他认为万有引力的计算并不够精确，而且牛顿关于引力是超距作用的假设也显得无法解释引力的长距离作用机制。于是，爱因斯坦便提出了一种新的关于引力的理论——广义相对论。

在1905年之前，爱因斯坦尚默默无闻，只是专利局的一名小职员。但就在那一年，他仿佛能量爆发，接连发表了几篇足以获得诺贝尔奖的学术论文，人们因此将这一年称为爱因斯坦的“奇迹年”。其中，一篇划时代的论文便是具有里程碑意义的狭义相对论。

爱因斯坦在提出狭义相对论时，基于两个假设：一是所有惯性系中的相对性原理，二是光速在所有参考系中都是一个恒定的值。在这两个前提下，通过数学运算，他揭示了时间和空间的统一性，形成了所谓的闵可夫斯基四维时空。简而言之，狭义相对论告诉我们，对于不同参考系中的观察者，同一事件发生的时间可能会有所不同。但狭义相对论也有其局限，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？我们可以通过一个例子来加以说明。设想有一辆封闭的小车，车内有一物体，如果忽略摩擦力，不论小车处于何种运动状态，车内的物体总是保持静止或匀速直线运动，我们就可以说这是一个惯性参考系。反之，如果物体以加速度a运动，那么这个参考系就属于非惯性参考系。

由此可见：

如果一个参考系中的自由物体保持静止或匀速直线运动，那么这个参考系就是惯性系，牛顿运动定律在这里适用。

反之，如果一个参考系中的自由物体保持定加速度运动或变加速度运动，那么这个参考系就是非惯性系，牛顿运动定律在这里不适用。

现实中，真正的惯性系几乎不存在，大部分情况下我们所指的惯性系都是理想状态。因此，在狭义相对论发表后，爱因斯坦认为狭义相对论只能在惯性系中应用，而不能推广至非惯性系。经过十年的深入研究，爱因斯坦于1915年发表了他的广义相对论。

广义相对论同样关注的是时空问题，它描述的是物质的存在会弯曲时空，物质分布决定了时空的曲率，反过来，时空曲率又决定了物质的运动轨迹。这一理论的数学基础是数学家黎曼提出的黎曼几何，广义相对论的建立为解释宇宙现象提供了有力的工具。

除了引力，生活中另一种常见的基本力是电磁力。提到电磁力，我们自然会想到电流可以驱动电动机、磁铁可以吸附铁屑等现象。1785年，法国物理学家库伦发现，真空中两个静止点电荷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，且同性电荷相斥、异性电荷相吸，这一作用力可以用公式F=K（Qq/r^2）来计算（其中K为静电力常数）。

最初，人们认为电和磁是两个独立的现象。但奥斯特发现，电流可以导致小磁针旋转，法拉第通过实验证明了电与磁之间的微妙关系，麦克斯韦在总结前人成果的基础上，将电与磁统一起来，并提出了著名的麦克斯韦方程组，这个方程组完美地描述了电磁现象，使麦克斯韦成为电磁学领域的佼佼者。

麦克斯韦方程组最初由20多个方程组成，但因与经典力学的冲突而未受重视。麦克斯韦因劳累过度而早逝，数学发展的局限也导致他未能给出简化版的麦克斯韦方程组。直到1884年，奥利弗·赫维赛德和约西亚·吉布斯以矢量分析的形式对其进行重新表述，我们才得以见到如今课本中仅有四个方程的麦克斯韦方程组。这个方程组以场的概念，展示了电磁场量(D、E、B、H)与场源(电荷q、电流I)之间的联系，进而揭示了电场、磁场、电磁感应等性质。

麦克斯韦统一了电与磁之后，电磁力被视为一种基本作用力，其定量计算都可以用麦克斯韦方程组来描述。与其他科学理论不同，麦克斯韦方程组自问世以来就对人类社会产生了巨大影响。

1915年，数学家希尔伯特看到黎曼几何在广义相对论中的成功应用后，给爱因斯坦写信提出，普适的麦克斯韦方程组可能是引力场方程的延伸，引力与电磁力实际上是同一种力。爱因斯坦对此深感兴趣，一直试图在引力与电磁力之间建立联系。

自1922年起，受麦克斯韦统一电、磁、光的启示，爱因斯坦试图通过建立统一理论来描述引力与电磁力，但遗憾的是，直至1955年他去世时仍未能取得突破。爱因斯坦始终尝试以几何方式统一电磁力与引力，他将黎曼几何的四维时空与电磁场结合，创造出五维时空理论，然而每次看似成功之际，都会发现难以解释的矛盾。

在爱因斯坦探索统一引力与电磁力的同时，物理学家们陆续发现了原子核内的强相互作用力与弱相互作用力，并在统一其他基本力方面取得了进展。20世纪50年代起，美国物理学家格拉肖受到杨振宁与李政道的宇称不守恒理论的启发，预言电磁力与弱相互作用力实为同一种力的不同表现。随着量子力学的发展，物理学家们认为传递力的作用是通过特定的矢量玻色子完成的，如光子传递电磁力，W-、W+、Z0传递弱力。这一理论在1983年的欧洲核子研究中心得到了验证。

至此，电磁力与弱力的统一也找到了新的表达方式——量子场论。

物理学至今已发展出了对电磁力、强相互作用力、弱相互作用力的统一描述，并构建了所谓的标准模型。然而，对于引力的描述仍不在这一体系之内。科学家们似乎找到了通过量子场论解释引力的途径，因为在标准模型中，每种基本力都有相应的媒介粒子，对于引力，物理学家们提出了引力子作为传递引力的媒介粒子。但目前为止，引力子尚未被发现。