1921年，在愛因斯坦（Albert Einstein）的協助下，卡魯扎（Theodor Kaluza）的論文終于發表。這是一篇關于物理學統一的論文。
卡魯扎的想法非常吸引人。當時，已知有四維時空，即三維空間和一維時間，他設想如果宇宙中還存在第五個維度，那么他就可以將愛因斯坦新提出的引力理論——廣義相對論和麥克斯韋（James Clerk Maxwell）的電磁理論統一起來。換句話說，他嘗試將兩種基本力——引力和電磁力統一在一起！
統一，是物理學的主要目標。在過去的幾個世紀里，物理學家一直在努力將各種不同的自然現象統一到單一的理論框架中。每當物理學家發現兩種看似完全不同的事物，其實只是同一事物的兩面時，都會帶來巨大的科學飛躍。這樣驚動人心的時刻，在卡魯扎的嘗試之前已經發生過幾次。
物理學的第一次偉大的統一要回到1687年，牛頓（Isaac Newton）在經歷多年的思考之后，終于出版了巨著《自然哲學的數學原理》。他在書中提出了運動定律、萬有引力定律，以及從這些定律推導出的各種各樣的結果。牛頓深刻地意識到，使蘋果或其他物體落到地面的物理定律和支配行星繞著太陽旋轉的定律是一樣的，從而實現了天與地的統一。
到了19世紀，物理學界其實發生了兩次驚人的統一。
第一次鮮為人知，它發生在1830年代。當時，哈密頓（William Rowan Hamilton）通過在費馬原理和莫佩爾蒂原理之間建立數學等價，統一了光學和力學。在那個時代，這看起來并沒有什么。但50年后，哈密頓的思想為統計力學奠定了基礎；近100年后，它成了量子力學的核心。
第二次偉大的統一眾所周知，它來自麥克斯韋。1860年代，麥克斯韋統一了物理學的三個領域——電、磁和光。此外，他還在統計力學的發展中發揮了關鍵作用，為未來量子力學的發展鋪平了道路。麥克斯韋對物理學所作出的貢獻通常被認為僅次于牛頓和愛因斯坦[1]
19世紀末，是經典物理學的黃金年代。一些物理學家甚至認為當時已知的所有物理現象，都可以被現有理論解釋。
滑動查看經典物理學的主要分支
然而，這種自滿并沒有維持多久，物理學就迎來了天翻地覆的革命。
牛頓力學對自然進行了極好的描述，但它并不是普遍有效的，尤其是當我們談論極快和極小的世界時?？梢哉f，牛頓力學很好地概括了我們對世界的通常認知，但跨入20世紀的物理學，卻在不斷地打破常識。例如，當物體的運動得非常快，甚至接近光的速度時，牛頓力學就不再適用，取而代之的理論是愛因斯坦在1905年提出的狹義相對論。
到了1907年，愛因斯坦的老師閔可夫斯基（Hermann Minkowski）重寫了狹義相對論。他在傳統的三維歐幾里得空間中，加上了第4個維度——時間。也就是說，他將過去獨立的空間和時間統一成“時空”。這又是一次美妙的統一！
狹義相對論適用于沒有引力時的所有物理現象。1907年開始，愛因斯坦開始重新思考引力。他首先提出了等效原理，該原理指出加速度和引力是等價的。愛因斯坦認為這是他“最幸福的想法”。幾年后，他意識到等效原理意味著引力和幾何之間存在著一種特殊的聯系。1915年，愛因斯坦發表了廣義相對論，這個全新的理論告訴我們引力是時空彎曲產生的結果。兩年后，愛因斯坦將廣義相對論應用于宇宙學研究上，開啟了宇宙學的新篇章。
在愛因斯坦發展相對論的同時，物理學也在醞釀著另一場或許更加深刻的革命：
1900年，普朗克（Max Planck）推導出黑體輻射公式；
1905年，愛因斯坦用光子的概念解釋了光電效應；
1913年，玻爾（Niels Bohr）提出了全新的原子模型；
1925年，海森堡（Werner Heisenberg）等人創建了矩陣力學，也就是量子力學的第一個版本；
1926年，薛定諤（Erwin Schrödinger）提出波動力學，這是量子力學的第二個版本。之后，狄拉克（Paul Dirac）展示了矩陣力學和波動力學其實是等價的；
1927年，海森堡提出不確定性原理；
1928年，狄拉克將量子力學和狹義相對論相結合來描述電子，他也奠定了量子場論的基礎。
1925年至1928年，一系列的發現建立了量子力學的基礎。
滑動查看量子物理學的主要分支
回到開頭的故事，卡魯扎成功了嗎？雖然卡魯扎的五維理論很誘人，但一個顯而易見的問題是這第五個維度究竟在哪？1926年，克萊因（Oskar Klein）給出了答案，這個維度卷曲成了非常小的圈，以至于我們根本看不到。他計算出，這個圈的直徑只有10?³?厘米，這是比最小的原子還要小20個數量級以上的尺度。盡管克魯扎和克萊因的理論最終沒有成功， 但他們的思想卻一直流傳到今天。
到了上個世紀六十年代，物理學家發現了除引力和電磁力外的另外兩種基本力——強力和弱力。很快，物理學家格拉肖（Sheldon Glashow）、薩拉姆（Abdus Salam）和溫伯格（Steven Weinberg）就成功地展示了電磁力和弱力其實只是電弱力的兩面。
之后，物理學家試圖在更高的能量下，將電磁力、弱力和強力統一。這樣的理論被稱為大統一理論，只是大統一理論的預言至今沒有被驗證。當然，物理學家的最終目標是統一所有四種基本力，換句話說，他們想要找到一個統一廣義相對論和量子場論的“萬有理論”。
除了這一終極目標外，今天物理學的上空充滿了烏云，有許多的大問題都等待著被解決。
滑動查看物理學的大問題
在過去的100年中，相對論和量子力學的建立為物理學帶來了全新的活力。
從理論成就上來說，物理學家發展了描述光和物質如何相互作用的量子電動力學（QED），提出了解釋常規超導體的BCS理論，發展了描述夸克和膠子間的強相互作用的量子色動力學（QCD）……
在實驗方面，物理學家在加速器中產生出了大量的新粒子并將它們歸類，發現了整數和分數量子霍爾效應，創造出了玻色-愛因斯坦凝聚，捕捉到了廣義相對論預言的引力波……
從觀測角度上看，天文學家發現了宇宙正在膨脹，彌漫在宇宙中的微波背景輻射，恒星在死亡時演變成的白矮星、中子星和黑洞，來自太陽的中微子，太陽系之外的系外行星……
在技術上，物理學家發明了晶體管、激光器、發光二極管、電荷耦合器件、原子鐘電子顯微鏡......
那么在接下來的100年，物理學又會帶來哪些驚喜呢？我們或許可以預期核聚變迎來重大進展，有更多的探測器前往太陽系的各大行星（尤其是火星），量子計算機開始被用來解決一些最棘手的問題，以及更多與醫學相關的重大進展等等。當然，更重要的是，我們希望能夠實現更多的統一[2]！
附錄
創作團隊
策劃：大大
文字：二宗主
設計：岳岳
排版：Takeko
參考來源
1. https://physicsworld.com/a/physics-past-present-future/
2. https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.3137
3. https://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/11075#t=toc
原標題：百年物理
來源：新原理研究所
編輯：觀山不易、yrLewis
