引力與電磁力該如何統一？愛因斯坦半輩子都沒有做到！

在科學探索的長河中，物理學家們矢志不渝地追尋自然界中普遍的物理法則，比如牛頓通過對宇宙的觀察，提出了物體間普遍存在的萬有引力，並用數學公式進行了精確表述。

但隨着科學的進一步發展，愛因斯坦開始質疑牛頓的引力理論，他認爲萬有引力的計算並不夠精確，而且牛頓關於引力是超距作用的假設也顯得無法解釋引力的長距離作用機制。於是，愛因斯坦便提出了一種新的關於引力的理論——廣義相對論。

在1905年之前，愛因斯坦尚默默無聞，只是專利局的一名小職員。但就在那一年，他彷彿能量爆發，接連發表了幾篇足以獲得諾貝爾獎的學術論文，人們因此將這一年稱爲愛因斯坦的“奇蹟年”。其中，一篇劃時代的論文便是具有里程碑意義的狹義相對論。

愛因斯坦在提出狹義相對論時，基於兩個假設：一是所有慣性系中的相對性原理，二是光速在所有參考系中都是一個恆定的值。在這兩個前提下，通過數學運算，他揭示了時間和空間的統一性，形成了所謂的閔可夫斯基四維時空。簡而言之，狹義相對論告訴我們，對於不同參考系中的觀察者，同一事件發生的時間可能會有所不同。但狹義相對論也有其侷限，它僅適用於慣性系，而非慣性系則不適用。

那麼，如何定義慣性系與非慣性系呢？我們可以通過一個例子來加以說明。設想有一輛封閉的小車，車內有一物體，如果忽略摩擦力，不論小車處於何種運動狀態，車內的物體總是保持靜止或勻速直線運動，我們就可以說這是一個慣性參考系。反之，如果物體以加速度a運動，那麼這個參考系就屬於非慣性參考系。

由此可見：

如果一個參考系中的自由物體保持靜止或勻速直線運動，那麼這個參考系就是慣性系，牛頓運動定律在這裡適用。

反之，如果一個參考系中的自由物體保持定加速度運動或變加速度運動，那麼這個參考系就是非慣性系，牛頓運動定律在這裡不適用。

現實中，真正的慣性系幾乎不存在，大部分情況下我們所指的慣性系都是理想狀態。因此，在狹義相對論發表後，愛因斯坦認爲狹義相對論只能在慣性系中應用，而不能推廣至非慣性系。經過十年的深入研究，愛因斯坦於1915年發表了他的廣義相對論。

廣義相對論同樣關注的是時空問題，它描述的是物質的存在會彎曲時空，物質分佈決定了時空的曲率，反過來，時空曲率又決定了物質的運動軌跡。這一理論的數學基礎是數學家黎曼提出的黎曼幾何，廣義相對論的建立爲解釋宇宙現象提供了有力的工具。

除了引力，生活中另一種常見的基本力是電磁力。提到電磁力，我們自然會想到電流可以驅動電動機、磁鐵可以吸附鐵屑等現象。1785年，法國物理學家庫倫發現，真空中兩個靜止點電荷間的作用力與它們之間的距離的平方成反比，與電荷的乘積成正比，且同性電荷相斥、異性電荷相吸，這一作用力可以用公式F=K（Qq/r^2）來計算（其中K爲靜電力常數）。

最初，人們認爲電和磁是兩個獨立的現象。但奧斯特發現，電流可以導致小磁針旋轉，法拉第通過實驗證明了電與磁之間的微妙關係，麥克斯韋在總結前人成果的基礎上，將電與磁統一起來，並提出了著名的麥克斯韋方程組，這個方程組完美地描述了電磁現象，使麥克斯韋成爲電磁學領域的佼佼者。

麥克斯韋方程組最初由20多個方程組成，但因與經典力學的衝突而未受重視。麥克斯韋因勞累過度而早逝，數學發展的侷限也導致他未能給出簡化版的麥克斯韋方程組。直到1884年，奧利弗·赫維賽德和約西亞·吉布斯以矢量分析的形式對其進行重新表述，我們才得以見到如今課本中僅有四個方程的麥克斯韋方程組。這個方程組以場的概念，展示了電磁場量(D、E、B、H)與場源(電荷q、電流I)之間的聯繫，進而揭示了電場、磁場、電磁感應等性質。

麥克斯韋統一了電與磁之後，電磁力被視爲一種基本作用力，其定量計算都可以用麥克斯韋方程組來描述。與其他科學理論不同，麥克斯韋方程組自問世以來就對人類社會產生了巨大影響。

1915年，數學家希爾伯特看到黎曼幾何在廣義相對論中的成功應用後，給愛因斯坦寫信提出，普適的麥克斯韋方程組可能是引力場方程的延伸，引力與電磁力實際上是同一種力。愛因斯坦對此深感興趣，一直試圖在引力與電磁力之間建立聯繫。

自1922年起，受麥克斯韋統一電、磁、光的啓示，愛因斯坦試圖通過建立統一理論來描述引力與電磁力，但遺憾的是，直至1955年他去世時仍未能取得突破。愛因斯坦始終嘗試以幾何方式統一電磁力與引力，他將黎曼幾何的四維時空與電磁場結合，創造出五維時空理論，然而每次看似成功之際，都會發現難以解釋的矛盾。

在愛因斯坦探索統一引力與電磁力的同時，物理學家們陸續發現了原子核內的強相互作用力與弱相互作用力，並在統一其他基本力方面取得了進展。20世紀50年代起，美國物理學家格拉肖受到楊振寧與李政道的宇稱不守恆理論的啓發，預言電磁力與弱相互作用力實爲同一種力的不同表現。隨着量子力學的發展，物理學家們認爲傳遞力的作用是通過特定的矢量玻色子完成的，如光子傳遞電磁力，W-、W+、Z0傳遞弱力。這一理論在1983年的歐洲核子研究中心得到了驗證。

至此，電磁力與弱力的統一也找到了新的表達方式——量子場論。

物理學至今已發展出了對電磁力、強相互作用力、弱相互作用力的統一描述，並構建了所謂的標準模型。然而，對於引力的描述仍不在這一體系之內。科學家們似乎找到了通過量子場論解釋引力的途徑，因爲在標準模型中，每種基本力都有相應的媒介粒子，對於引力，物理學家們提出了引力子作爲傳遞引力的媒介粒子。但目前爲止，引力子尚未被發現。