在現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展過程中，物理學(xué)家總是在尋找更加普適物理規(guī)律，比如牛頓通過觀察發(fā)現(xiàn)了萬有引力，并推算出萬有引力計算公式為F=GMm/R^2(G為萬有引力常數(shù))，后來愛因斯坦發(fā)現(xiàn)牛頓的萬有引力公式計算的并不精確，且牛頓認(rèn)為引力是一種超距作用。在愛因斯坦看來，這顯然是無法解釋引力到底是如何產(chǎn)生并在如此長程下起作用的，于是他推出了新的引力解釋——廣義相對論。

牛頓

愛因斯坦對引力的描述

在1905年之前，愛因斯坦還是一位名不見經(jīng)傳的專利局小公務(wù)員， 時間來到1905這一年，不知道是愛因斯坦厚積薄發(fā)，還是靈感噴涌，愛因斯坦在這一年連續(xù)發(fā)表了幾篇諾獎級別的論文，這一年就是被稱之為愛因斯坦“奇跡年”。其中一篇是具有劃時代意義的狹義相對論。

愛因斯坦

愛因斯坦在所有慣性系之間的都滿足相對性原理以及預(yù)言光速永遠不變這兩個條件下通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出了狹義相對論。從狹義相對論的框架下，時間與空間是一體的，形成為一個時空（閔可夫斯基四維時空）必須統(tǒng)一考慮。通俗的說，同樣發(fā)生一個事件，對于不同的人來說發(fā)生的時間可能是不同的。但是狹義相對論有一個致命的缺席就是只服從慣性系，而不服從非慣性系。

慣性系與非慣性系

那么慣性系與非慣性系的區(qū)別到底是什么呢？舉一個實際的例子，請看下圖所示：在一個封閉的小車有一個物體m，物體與車廂接觸光滑，也就是說忽略摩擦力的作用，小車的加速度為a，但是不論小車為運動狀態(tài)是什么，物體m總是保持靜止或者勻速直線運動，那么我們就說車廂內(nèi)是一個慣性參考系，反之，m卻以a加速度加速運動，那么此時的參考系為非慣性參考系。

總結(jié)一下就是：

1.如果一個參考系中，自由物體相對參考系保持靜止或保持勻速直線運動狀態(tài)，那么這個參考系就是慣性系，牛頓定律成立。

2.反之，如果在一個參考系中，自由物體保持定加速度運動或者變加速度運動，這個參考系就是非慣性系，牛頓運動定律不成立。

慣性系與非慣性系的區(qū)別

我們知道，真正的慣性系在現(xiàn)實中很難存在，大多的慣性系都是假設(shè)成立的。因此在狹義相對論發(fā)表之后，愛因斯坦認(rèn)為狹義相對論只滿足在慣性系條件下，而無法推廣非慣性系。經(jīng)過10年的潛心研究，在1915年，愛因斯坦終于發(fā)表他的廣義相對論理論。

愛因斯坦對時間與空間的統(tǒng)一

同樣的廣義相對論依然在時空上做文章，廣義相對論是對于引力的描述是物質(zhì)的存在會使時空偏離，造成造成彎曲，物質(zhì)分布決定時空曲率，時空曲率反過來制約物質(zhì)的運動軌跡。其數(shù)學(xué)表現(xiàn)形式為數(shù)學(xué)家黎曼提出的黎曼幾何。黎曼幾何是一種非歐幾何的一種，可以說黎曼幾何為廣義相對論的形成提供了重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

太陽的質(zhì)量造成時空彎曲

麥克斯韋方程組對電磁學(xué)的詮釋

除引力外，在生活中常見的另外一種基本作用力，就是電磁力。提到電磁力，我們首先想到的是電可以驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，吸鐵石可以吸附鐵屑，電機的定子與鐵屑都受到了力的作用。

電磁力

1785年，法國物理學(xué)家?guī)靷惏l(fā)現(xiàn)在真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力與距離平方成反比，與電量乘積成正比，且兩者的受力方向可以總結(jié)為同性電荷相斥，異性電荷相吸且沿著兩者的連線上。可以用F=K（Qq/r^2）（K為靜電力常量）來定量的計算受力的大小。

庫侖定律

起初，電和磁看起來毫無關(guān)系，奧斯特發(fā)現(xiàn)了通電導(dǎo)線外可以導(dǎo)致小磁針的旋轉(zhuǎn)，之后若干年法拉第出色的科學(xué)直覺使得他認(rèn)為電與磁似乎存在某種微妙的關(guān)系，法拉第最出色的能力就是動手做實驗，經(jīng)過一次無意的行為，法拉第終于發(fā)現(xiàn)了磁鐵在穿過通電線圈后可以點亮燈泡的現(xiàn)象而提出了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。后來麥克斯韋在總結(jié)前人的研究成果上，終于統(tǒng)一了電與磁，并給出了人類歷史上最完美的方程組——麥克斯韋方程組，麥克斯韋也一躍成為電磁學(xué)的集大成者。

法拉第

起初麥克斯韋方程組是有20余個方程組成，但是由于與經(jīng)典力學(xué)的沖突，麥克斯韋的理論一直未受到足夠的重視，麥克斯韋為了推廣自己的理論，最終因積勞成疾而去世。除此之外，在加上數(shù)學(xué)發(fā)展的局限，麥克斯韋最后沒能給出簡化版本的麥克斯韋方程組。

麥克斯韋

1884年，奧利弗·赫維賽德和約西亞·吉布斯以矢量分析的形式重新表達，才有了我們課本上只有四個方程的麥克斯韋方程組！從麥克斯韋方程組可以看出，麥克斯韋使用場的概念，通過空間某區(qū)域的電磁場量(D、E、B、H)和場源(電荷q、電流I)之間的關(guān)系來反映特定電場的性質(zhì)，總結(jié)了磁場的性質(zhì)，電場的性質(zhì)，電生磁的性質(zhì)，磁生電的性質(zhì)。

麥克斯韋方程組

自麥克斯韋統(tǒng)一了電與磁之后，電磁力被看作是一種基本作用力，其所有的定量計算都可以被麥克斯韋方程組所囊括，與其他超前的科學(xué)理論不同，麥克斯韋方程組自發(fā)表以來，對人類社會的實際生活貢獻巨大。

愛因斯坦著手統(tǒng)一引力與電磁力

1915年11月，數(shù)學(xué)家希爾伯特看到了黎曼幾何在廣義相對論上成功的應(yīng)用后，給愛因斯坦寫了一封信，他在信中寫道：“在數(shù)學(xué)上普適的麥克斯韋方程組可以看作引力場方程的延伸，引力與電磁力其實是一種力”。愛因斯坦在看到了這封信后回信到：“你的來信給了我極大的期望，我一直想在引力與電磁力之間搭建一座橋梁。”

電磁力與引力

從1922年開始，受到了他的先賢麥克斯韋統(tǒng)一了電、磁、光的啟發(fā)，愛因斯坦試圖通過建立一種統(tǒng)一的理論來描述引力與電磁力，但是令人遺憾的是直到他1955年去世也未能形成突破。愛因斯坦始終在向廣義相對論一樣使用一種幾何的方式來統(tǒng)一電磁力與引力，他將將黎曼幾何四維時空與電磁場放在一起創(chuàng)造了五維時空思想，但是每一次看似成功后，愛因斯坦都會發(fā)現(xiàn)有悖于常理的差別。

五維時空

在愛因斯坦試圖構(gòu)建引力與電磁力的統(tǒng)一時，物理學(xué)家又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了原子核內(nèi)強相互作用力與弱相互作用力，人們終于在統(tǒng)一其他的基本力上取得了新的突破。從20世紀(jì)50年代開始，美國物理學(xué)格拉肖家受到了楊振寧與李政道的宇稱不守恒理論的啟發(fā)，預(yù)測了電磁力與弱相互作用力是同一種力的不同表現(xiàn)形式。隨著量子力學(xué)的發(fā)展，物理學(xué)家認(rèn)為傳遞力的作用是通過一種矢量玻色子完成的，而光子用來傳遞電磁力，W-、W+、Z0傳遞弱力。這在1983年的歐洲核子研究中心超級質(zhì)子同步加速器第一次得到了證實。

電磁力與弱力的統(tǒng)一也找到了新的方式來了通過量子力學(xué)——量子場論。

結(jié)語

物理學(xué)發(fā)展到今天，人類已經(jīng)找到了電磁力、強相互作用力、弱相互作用力這三種作用力的作用機理。并編制了統(tǒng)一的理論來描述，這個理論叫做標(biāo)準(zhǔn)模型，但是對于引力依然沒有被納入到這一系統(tǒng)中來。

引力子

但是科學(xué)家似乎找到了一種途徑，那就是通過量子場論的方法來解釋，因為在標(biāo)準(zhǔn)模型中每一種基本力都會有一種媒介粒子。對于引力，物理學(xué)家們已經(jīng)提出會有一種引力子起到傳遞引力的媒介粒子，可是到目前為止，引力子還沒有發(fā)現(xiàn)。