【书 名】爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事
【作 者】张天蓉 著
【出版者】清华大学出版社
【索书号】O4/1214(2)
【阅览室】自然阅览室
作者简介
张天蓉，女，科普作家，美国得克萨斯州奥斯汀大学理论物理博士，现住美国芝加哥。研究课题包括广义相对论、黑洞辐射、费曼路径积分、毫微微秒激光、集成电路EDA软件等。发表专业论文三十余篇。2012年开始，出版一系列科普著作，其文风深入浅出，趣味盎然，亦保持科学的严谨性，深得读者喜爱。是第六版《十万个为什么》物理卷参编者之一。已出版科普读物：《蝴蝶效应之谜：走近分形与混沌》《世纪幽灵：走近量子纠缠》《电子，电子！谁来拯救摩尔定律？》《上帝如何设计世界：爱因斯坦的困惑》《数学物理趣谈：从无穷小开始》。
内容简介
引言：物理理论的简约之美
爱因斯坦解释了光电效应，提出两个相对论之后，便开始了他对统一场论的研究。大有“躲进小楼成一统，管他冬夏与春秋”之势，这一“统”就是三十余年，到死方休。爱因斯坦将其后半生献给了物理学中这场“统一之梦”，然而，他为此独自奋斗30余年却未得其果。
尽管统一场论一词始于爱因斯坦，但其思想却是始于麦克斯韦和法拉第的电磁场理论。事实上，如果略去“场论”二字，只谈理论之统一，那就应该追溯到牛顿的年代了。
爱因斯坦逝世后，物理学家们在这条统一路上，又走过了一个甲子的历程。六十年的风风雨雨，点点滴滴，理论物理学家们作了些什么？统一之路如今走到了哪里？前途如何？本书作者从介绍牛顿力学、量子力学开始，到数学中的群论、对称守恒原理，再介绍标准模型、规范理论、量子场论、费曼路径积分、费曼图等等，让读者对理论物理中的“统一”大框架，特别是主流物理界公认的“标准模型”，有一个基本认识。最后，也探讨一下统一理论与大爆炸宇宙学、暗物质、暗能量的关系，以及标准模型的困难和局限，简要地介绍包括弦论、M理论、弦网等概念，让读者不仅领略到理论的美妙，科学家的追求，也体会到科学研究的艰辛，激励年轻人对探索自然规律的愿望和好奇心，踏进科学的大门。
物理学中的统一路，实际上追求的是一种简约之美。
把复杂的事情简单化，是一种本领和智慧。简约并不简单，大智若愚，大道至简，用简去繁，以少胜多。中国清代有位书画家郑板桥，被称为“扬州八怪”之一，在书斋中挂了一幅自写的对联，题曰：“删繁就简三秋树，领异标新二月花”，以此表明他的书法及文学理念，主张以最简练清晰的笔墨，不同凡响的思想，表现出最丰富的内容。
物理学家的“统一”，是要统一些什么？归纳起来有三个方面：一是物理规律的统一；二是物质本源的统一；三是相互作用的统一。
统一的意思就是使事物简单化。从多变少，由少归一，便谓之统一。
因而，物理学家所追求的简单化、统一化，听起来与郑板桥追求的书画笔墨及文字之“简约”，同出一辙。两者实质上也就是所谓“奥卡姆剃刀”原则的变换说法，同属“简约之美”。
奥卡姆不是人名，是英格兰的一个村庄。14世纪时那儿出了一位叫威廉的逻辑学家。此人流传下来的东西不多，唯有这一句话脍炙人口：“Entities should not be multiplied unnecessarily”。可用中文将其翻译成一段八字格言：“如无必要，勿增实体”。意思是说，删除一切没必要的多余“实体”，留下最少的。
对于理论物理，这一原理最好的表述是：当你面对着导致同样结论的两种理论，选择那个最简单的，实体最少的！物理统一理论中的实体，可被理解为基本规律、粒子、和作用力。也就是说，统一，就是用最少数目的物理规律来描述自然现象；用最少数目的“不可分割基本粒子”来构成所有的物质；用最少种类的“力”来描述物质之间的相互作用，这才符合奥卡姆剃刀原则，符合简约之美！
牛顿曾经感叹地说过：“我能计算天体运行的轨道，但无法计算人类的疯狂。”
奥卡姆剃刀原则也许难以描述多变的社会现象及复杂的人性，但将其用于科学中的优越性却毋庸置疑。几百年来，这一原理在科学上得到了广泛应用，从牛顿的万有引力到爱因斯坦的相对论，再到如今的标准模型，漫长延绵的统一路上，奥卡姆剃刀已经成为重要的科学思维理念。
然而，物理学中的统一理论，即用以描述物质世界的“最少数目”的标准，是随着时间而变化的。科学技术不断进步，实验手段不断改进和发展，各种理论得以建立和完善，我们对大自然的理性认识也深入到不同的层次。这一切，使得在科学发展的不同历史时期，会有不同意义下的不同“统一理论”，它们犹如在一条曲折流逝的河流中，一定位置出现的一片片平静的港湾。河流总是从这些港湾和支流，不断地吸取精华，沉淀糟粕，川流不息，奔向大海。
牛顿的力学定律加万有引力，毫无疑问地是物理学中第一个“统一理论”。牛顿之前的物理学，已经有了许多独立的、貌似互不相关的物理定律。伽利略发现了惯性原理，还从著名的比萨斜塔实验证实了自由落体所遵循的规律。开普勒在研究第谷提供的大量实验及观测资料的基础上，提出了行星运动三定律。惠更斯和胡克，当时在力学、光学、等多个领域也都有所建树。
然而，是牛顿第一个认识到这些零零落落的孤立定律之间深刻的内在联系。他将这些分散的“支流”汇总在一起，完成了物理学上的第一次理论统一。
与那些“孤立”定律不同的是，牛顿三大定律所描述的是“所有”物体在力的作用下的运动规律。这儿的物体，可以是地面上的沙粒，也可以是宇宙中的天体。牛顿用锋利的奥卡姆剃刀，将物体的大小、形状、质地、软硬之类不重要的具体性质通通砍去，只留下一个质量m。因此，所有的物体都变成了一个质点，它们在力的作用下，都符合同样的运动规律。
场论的思想，则始于麦克斯韦和法拉第的电磁场理论。法拉第在进行并记录了大量电磁实验结果的基础上，提出了“场”的概念。精通数学的麦克斯韦，希望用微分方程来描述和总结这些实验规律。开始时，麦克斯韦面对着20多个方程式，其中包括由库仑、高斯、法拉第、安培等人研究总结的各种实验现象，还包括电介质的性质，各种电磁现象的规律等等。麦克斯韦大刀阔斧地挥舞奥卡姆剃刀，剃去冗余重复的部分，加上必要的新概念，最后将它们高度凝聚提炼简化为四个对称而漂亮的矢量方程式，将电、磁、光三者“统一”于一个经典场中。
