第 7 課 : 光的真實性
教授者：陳輝樺
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課程主題

一、瞭解宇宙間 4 種基本作用力，以及它們間有著什麼樣的異同處。

  • 強作用力、弱作用力 、電磁作用力、重力等宇宙間 4 種基本作用力。
  • 大統一理論 (Grand Unified Theory, GUT) 和愛因斯坦的「萬物至理 (A Theory Of Everything, TOE)」理論。

二、認識光 (Light) 的基本特徵：

  • 波長 (Wavelength) 與頻率 (Frequency)。
  • 電磁波光譜 (the EM Spectrum)。
  • 光與能量。

自然界的基本作用力
自然界的 4 種基本作用力。

      力的名稱                      力的相對大小                           補充說明

      強作用力                                  1                      使得原子核內的質子和中子等核子

                                                                                能被束縛在一個極小的空間。

    電磁作用力                             1 / 137                使得原子、分子等能束縛在一起。

      弱作用力                                 10-13                 核反應時伴隨著輻射線的產生。

　      重力                                     10-39                 使得行星、星系得以形成、

                                                                                宇宙得以演化。

你每天都能經歷電磁力的作用和重力的作用；但是無法體驗到強作用力和弱作用力的存在。

電磁作用力
電磁作用力 (the Electro-Magnetic Force) 的直覺認知： 
  • 使得我們所見到的物質世界得以存在。
  • 能夠束縛住血液等液體的流動，束縛原子成分子結構使得世界多姿多彩。
  • 作用力感覺上很強。
  • 電磁作用力可分成吸引和排斥兩種交互作用：
  • 例如同性電荷 (如正電荷和正電荷、負電荷和負電荷) 會互相排斥。
  • 異性電荷 (也就是正電荷和負電荷) 會互相吸引。

光是什麼？
　
光 (Light) 到底是什麼？
  • 17 世紀英國偉大物理學家與數學家 牛頓 (下圖，Isaac Newton, 1642 - 1727) 首開光學的探究。 早在 1666 年，牛頓就曾做過用三棱鏡分解太陽光的實驗，他發現目視為白色的太陽光原來是由七色彩光組成。
  • 19 世紀中葉 (1864 年) 最偉大的數學家和物理學家之一 馬克士威 (James Clerk Maxwell, 1831 - 1879) 統合了原有電學和磁學的理論完成完整的電磁理論， 現稱之為「馬克士威方程式 (Maxwell's equations)」。 這理論預測有「電磁波」的存在，在真空中以光速傳播， 馬克士威認為光波的本質是 電磁波， 而非機械波。
  • 1887 年赫茲 (Heinrich Hertz, 1857 - 1894) 發現電磁波， 因此電磁波成為近代科學研究的重要一支。

　


光的波動性
18、19 世紀的物理學家們在探討光的特性時， 到底光是「波動性」的光波，還是「粒子性」的粒子？
  • 在贊成波動性方面的代表性人物之一的， 19 世紀英國物理學家查里惠士同 (Charles Wheatstone, 1802 - 1875) 利用 「以太傳遞光的假想模型」說明光是如何藉著以太介質傳遞光。
  • 另一物理學家楊氏 (Thomas Young, 1773 - 1829) 利用「楊氏干涉儀」首度發現光的干涉條紋，而證實光俱有波動特性。
  • 到了 1864 年馬克士威 (James Clerk Maxwell, 1831 - 1879) 統合了原有電學和磁學的理論完成完整的電磁理論。 這理論預測有「電磁波」的存在，在真空中以光速傳播， 馬克士威認為光波的本質是 電磁波﹝如下圖的波動示意圖)，而非機械波。

　

光的反射現象
        所謂的「反射 (Reflection)」是波的一種特性， 當波 (Wave，無論是水波、聲波、光波、電磁波) 前行至不同的兩介質間 (稱為「介面」， 如下左圖的水滴介面) 時， 會有部分的波被介面所反射回到原介質而無法進入另一介質中，我們稱此現象為「波的反射現象」。 反射的波行進方向會和原入射波的行進方向對稱於垂直介面的法線， 也就是俗稱的「反射角等於入射角」。 光是種電磁波， 有時表現其波動特性， 當然也有光的反射現象。 下右圖是說明光在大氣中的水滴介面所形成光的反射現象和光的「折射 (Refraction)」現象，在大氣中的水滴對光的反射與反射所形成的「霓」和「虹」的現象。


        在天文觀測上，有一種星雲被稱為「反射星雲」， 其實反射星雲是一團塵埃的雲氣，這些塵埃仿如霧氣般造成了局部區域的不透明， 它們本身並未發射任何 電磁波 ， 明亮的原因僅是簡單地『反射』了鄰近恆星們的光。 我們經常觀測到的反射星雲多呈 藍色 ， 是因為星雲內大量的塵埃對 藍色波段 電磁波的散射效果較佳而已。 這種現象的物理學原理，正如同地球大氣層中的塵埃對於來自太陽表面的電磁波之散射效果一樣， 使我們白天所見到的晴朗天空是呈現藍色。


光的折射現象
        所謂的「折射 (Refraction)」是波的一種特性， 當波 (Wave，無論是水波、聲波、光波、電磁波) 前行至不同的兩介質間 (稱為「介面」，如下圖的水滴介面) 時， 會有部分的波被介面所反射回到原介質而無法進入另一介質中， 我們稱此現象為「波的反射現象」； 也會有部分的波透過介面進入到另一介質中，我們稱此現象為「波的折射現象」。 光是種電磁波， 有時表現其波動特性， 當然也有光的折射現象。折射的波行進方向會不同於原入射波的行進方向， 其遵守著「司乃耳定律 (Snell's Law)」： 入射角 (θ1) 的正弦值與折射角 (θ2) 的正弦值之比為其兩介質的折射率 n 比值， 即 n1 Sin θ1 = n2 Sin θ2 。 下圖是說明光在大氣中的水滴內部經過一次的 反射 (右圖) 和經過兩次的反射 (左圖) 後，再透過介面的折射現象， 造成了在大氣中的水滴對光的反射與反射所形成的「虹」和「霓」的現象。

　

光的繞射現象
        所謂的「繞射 (Diffraction)」是 波的一種特性， 若在波 (Wave，無論是水波、聲波、光波、電磁波) 的前行過程路徑中放置一障礙物， 當障礙物的大小與波長相近時，則波形在此障礙物附近產生畸變， 而容易觀察到波的「繞射」現象。 細線或小物體，擋住小部分波前不能通過， 或是鑽有小空或窄縫的屏，僅能讓入射波的小部分通過， 這些都可看成是上述的障礙物，它們會造成「繞射」現象的產生。 當波前碰到了障礙物後，在障礙物後方將產生「繞射」的情形， 使波前可底達直線行進時所不能到達的區域。 又因為水波和聲波的波長較長 (可約數公分至數公尺)，所以產生的繞射現象容易被肉眼看出； 但可見光 的光波之波長僅約為 5 x 10-5 公分， 物體往往比可見光的光波之波長大很多， 故肉眼甚難觀察到光的繞射現象。 下圖就是利用光的「繞射」現象和光源的同調、 相干 (coherency) 特性所設計出來的雙狹縫「楊氏干涉儀」。


光的干涉現象
        所謂的「干涉 (Interference)」是波的振幅可以線性 「疊加 (Superposition) 」的一種特性， 當兩列以上的波 (Wave，無論是水波、聲波、光波、電磁波) 重疊時， 產生波振幅隨距離或時間的變化，這就是波的「干涉 」現象。 最常見的是指頻率相同或近似相同的數波列的干涉。 在波的干涉現象中，合成的波振幅在各處現出極大 (或明亮區) 極小 (或昏暗區) 的明顯條紋， 這是波動的特性，不是粒子性、或是向量幾何射線等可以描述的。 

        自一波源發出的數波列在空間不同的路徑傳遞到同一點， 各波列的「相位 (Phase)」關係顯然保持一定，即可相互干涉。 若兩個以上的波源發出的波產生干涉，則各波源的相位關係應保持不變， 這稱之為「同調波源 (Coherent sources)」。 光是種電磁波， 有時表現其波動特性， 當然也有光的干涉現象。 物理學家楊氏 (Thomas Young, 1773 - 1829) 利用光的 「繞射」現象和 雙狹縫造成兩列光的同調、相干特性， 設計出來的雙狹縫「楊氏干涉儀」(下圖)，首度發現光的干涉條紋，而證實光俱有波動特性。


光的色散現象
光的本質 是 電磁波 ， 有其 電磁波譜 ，也就是說， 光的譜線是由最短波長的 伽瑪射線 分布到最長波長的 無線電波 ， 但到底它們是如何混合組成的呢？我們舉例來說明， 若有兩個「簡諧波 (Harmonic Waves)」 (如下圖上方所表示的單一波形) 延著相同方向行進時， 其將組合成如下圖下方所呈現的「波包 (Wave-Packet)」波形， 因為它們在真空中傳播的 速度相同 ， 所以此波包形狀在真空中行進過程中將得以維持。 但若是在介子中波包形狀會發生什麼樣的現象呢？


        其實，光波的本質是電磁波而非機械波，那它們的混合組成就會是個典型的波動特性的組合。 換言之，電磁波的混合組成主要的是有「 疊加 (Superposition)」的效果， 使得兩波相遇時的疊加呈現出 明暗 、 干涉條紋 等特殊景觀， 但相遇過後將仿如未曾發生過般的個行其原有方向的傳播。

        但若是在磁場裡、或是在電場中、介子中波包形狀會發生什麼樣的現象呢？ 實驗告訴我們，白光經三菱鏡或光柵後，其中波長不同的各色光被折射或反射到不同的方向去， 我們狹義的稱此種現象為「色散 (Dispersion)」。 下圖是白色的太陽光在三菱鏡的 分光 後所呈現的多彩色光。

光電效應
        所謂的「光電效應 (Photoionization)」是指金屬等導體經 電磁輻射照射後， 從表面或內部產生游離電子的過程。 1888 年 Hollwachs 首先注意到紫外光照射鋅板獲得 1 伏特的電位， 這是因輻射被吸收後，物體內一些電子獲有足夠的能量， 克服表面的位阱而逃逸出來， 呈現「光致電離」的現象。 1900 年初期研究熱輻射的卜朗克 (Max Planck 1858 - 1947) 發現輻射的能量並非呈現連續性，而提出 輻射能量仿如一包包「量子 (Quanta)」的 光波量子輻射概念。 1905 年，在這一年內阿爾伯特•愛因斯坦 完成關於「光量子說 (Light quanta)」、 「布朗運動 (Brownian motion) 理論」和 「狹義相對論 (Special theory of relativity)」 的論文， 其中光量子說的論點就是「光電效應 (Photoelectric Effect)」， 他也因此篇論著獲得 1921 年諾貝爾物理學獎。


光的粒子性(光子)
        雖然光是種電磁波， 有時表現其波動特性， 如光的「 干涉 (Interference)」和「 繞射 (Diffraction)」現象； 但在「 空腔輻射 (Cavity Radiation)」和「 光電效應 (Photoelectric Effect)」上又像小粒子流， 這小粒子的特性正是光的量子性現象，稱之為「 光子 (Photon)」。 換言之，光子表示著光波或其他電磁波能量的單位或量子； 一個光子能量是卜朗克常數 (Planck constant) h (h = 6.62 x 10 -27 爾格秒) 與光波頻率 ν 的乘積。 因為卜朗克常數 h 數值很小，所以一個光子的能量非常小， 如一個紅光 (8000 埃) 光子能量約為 2.45 x 10 -12 爾格， 一個紫光 (4000 埃) 光子能量約為 4.9 x 10 -12 爾格。 光子在真空中的行進速度 (也就是 真空中光速為恆定值) c (c 值為 299792458 公尺 / 秒) ， 光子動量為 h ν / c (或是 h / λ，λ 是光波的波長) 。 光子和自由電子碰撞會交換彼此的能量 (即康普頓效應 (Compton Effect) ) ， 但它們碰撞的動量總和仍是守恆的。 


        雖然馬克士威 的電磁波理論， 成功地解釋光的干涉、繞射和其他的電磁波輻射特性。 但在空腔輻射的問題上，卜朗克假設空腔輻射能量是「連續的 (continuous) 」， 但描述簡諧共振子 (Oscillators) 的總能量是由分立的單位元 (discrete 『elements』) 所組成， 而有量子現象。 愛因斯坦於 1905 年提出關於「 空腔輻射 」的論文，倫文中對於輻射能量之量子性看法不同於卜朗克假設， 他指出光學觀測時所量測到的數值是對時間的平均值， 並不是瞬間的數值， 而且波的理論 (Wave theory) 並無法提供個別的「吸收」或「釋出」能量的事件 (events) ；所以 愛因斯坦以空腔輻射的「entropy」來解釋此輻射能量之量子現象。 直到 1926 年，G. N. Lewis 才將此種光的量子性取名為「光子」。　

 

光速
       1887 年，兩個美國科學家邁克生 (Albert Abraham Michelson 1852 - 1931)和毛立 (Edward Morley) 做了一個實驗， 希望能證明光波傳送須憑藉一種介質「以太」。 他們開始設法顯示光在「以太」中非常類似在水中的行為。 他們深信將可發現地球在太空中的移動影響光在「以太」中的移動。 並且預測與地球自轉同向所傳導的光速會比逆向者快。 

        他們的實驗顯示，不論觀察者的方向、速度或加速度如何，光束運行及接收的速度不變。 結果並無法找出此預期的差異現象。結論是：「邁克生和毛拉的實驗無法證明『以太』的存在， 而且發現光在真空中的速度永遠一定。」 他們的發現奠定了愛因斯坦狹義相對論的基礎， 他們在 1907 年因此榮獲諾貝爾獎。 19 世紀，世界各地的科學家嘗試用各種方法測量光速， 他們的實驗可正確地估計「真空中光的行進速度」 〈光在介質中、在電場中、在磁場中的行進速度會小於此數值〉約為每秒 30 萬公里。


光程
光行進在不同折射率 n (n > 1) 的物質介質中， 光行進一距離 d ， 則可定義其「 光程 (Optical Path) 」為乘積 n d 。 由物質介質折射率 n 的物理意義，我們可知光在該介質中行經 距離 d 所需時間， 與光在真空當中所行進 n d 距離所需 時間相等。 當光在各個不同介質中行進，其折射率分別是 n1、n2、n3、、、， 行進的距離各為 d1、d2、d3、、、， 則總光程 D 可表示成 D = n1 d1 + n2 d2 + n3 d3 + 、、、。 下圖是光程概念示意圖。因著不同路徑有著不同的光程， 光也就會有「 干涉 (Interference)」和「 繞射 (Diffraction)」現象的產生。


光譜
        19 世紀初，德國光學物理學家夫朗和斐 (Joseph von Fraunhofer, 1787 - 1826) 於 1814 年在慕尼黑首倡光譜學的研究。 夫朗和婓利用自製成的第一台分光鏡 來研究太陽光譜，他發現太陽光譜中有十多條非常清晰的暗線， 在這些主要暗線之間還存在著 574 條 (目前已知者有好幾千條) 較微弱的暗線， 這些暗線後來被稱為「 夫朗和婓線 」。 夫朗和婓發現了這些現象，但卻無法作出解釋。 直到 1859 年德國化學家本生 (R. W. Bunsen, 1811 - 1899) 和物理學家克希何夫 (G. R. Kirchoff, 1824 - 1887) 發明了光譜分析術， 克希何夫還提出兩條著名的「克希何夫定律」： (1)每一種化學元素都自己的光譜；(2)每一種元素都可以吸收它能夠發射的譜線。 運用這些發現，克希何夫和本生將「夫朗和婓線」和一些元素的譜線進行對照， 很快証明了太陽上有氫、鈉、鐵、鈣、鎳等元素， 後來別的人又在太陽大氣中發現了許多其他的元素。 如氦元素是應用光譜分析術首先在太陽上發現後來才在地球上找到的。 夫朗和斐的光譜研究例證，可明顯地看出不同的原子發出不同的光譜。

      當物體受熱時，由其原子或分子的熱擾動，激發物體， 放出輻射能量。 由原子能階 n 躍遷至能階 m 所輻射的「光譜線強度 (Spectral Line Intensity)」為 Wnm h νnm ， 式中 h νnm 為所輻射的光子能量， Wnm 為光源每單位時間從原子能階 n 躍遷至能階 m 的數目。 下圖是鋇 (Ba)、鈣 (Ca)、氫 (H) 和鈉 (Na) 等不同元素的輻射 光譜， 以及其光譜線強度。下圖最下一格是可見光的對照標準色系，橫座標的單位是 10-5 公分。


輻射是什麼？
        關於「電磁波頻譜」這麼學術性的名詞， 你真正所知道和體驗到的可能比你所可能想像到的還多。 若換個你熟悉的「輻射」 （Radiation）或「射線」（ray）一詞來說，也許又嚇著了你和你周遭的人。 其實它們的涵意相同，端賴使用族群的偏好而已。 輻射是什麼？ 輻射是一種能量的傳遞和散播， 例如家中來自燈管照明的「可見光」和接收來自無線電台訊息的「無線電波」， 都是電磁波輻射的型態。在電磁波輻射的其他型態，尚有微波、紅外光、紫外光、X 光和伽瑪光等。 它們的生成來源略有些差異， 原則上是高溫物體的表面所放射出的輻射能量， 會比低溫物體的表面所放射出的輻射能量來得高。

         1884 年，史特凡（Stefan）提出「黑體輻射」的論點， 指出這種「熱輻射」 所釋放的能量正比於絕對溫度的四次方（總能量 T4）。 而所輻射的電磁波段可用「卜朗克（Planck）曲線」來說明。 經驗告訴我們，其最大機率的波長會反比於絕對溫度（λmax•T ∼ 0.29）。 但唯有極高溫的物體表面或是極高速運動中的 帶電粒子， 方有可能發出 X 光和伽瑪光等高能量的電磁輻射。 上圖是 16 世紀早期人們注意到靜電所產生的力量，如使頭髮矗起的現象，而發展出的「電療學 (electrotherapy)」； 後續，靜電學 (Electricity) 和磁學 (Magnetism) 結合發展出 電磁學 (Electromagnetism) ， 進而才有「 電磁波 (Electromagnetic Waves)」理論的呈現。 


電磁輻射是什麼？
電磁輻射 (Electromagnetic Radiation) 是一種波動的能量。 電磁輻射說明 電磁波 的發射和傳播， 是透過 空間 或介質傳遞其能量。 電磁輻射依頻率一般區分為 無線電波 、 微波、紅外光、可見光、紫外光、X 射線和伽瑪射線等幾種形式。 依據 各個波段具有的能量特徵 ， 可得知在非常低溫下 (接近絕對零度時)， 物質內的原子僅能輻射出無線電波和 微波 ； 當在攝氏零度左右 (水的冰點) 則原子可輻射紅外光；在表面溫度約攝氏 5 ∼ 6 千度的物質 (如 太陽表面 )， 才會有可見光的輻射； 在溫度百萬度的物體表面，就會有 X 射線；到了表面溫度達百億度的物體表面， 也會有 伽瑪射線 呈現。 除了物體表面溫度可說明不同波段的電磁輻射來源之外， 氣體被強光照射下所產生的「 螢光效應 」， 也會有少量的高能量電磁波，如紫外光、X 射線呈現。 至於在 核爆 、 超新星爆發 時， 則也會有大量的紫外光、X 射線和伽瑪射線呈現。 實際上，電磁波頻譜常以所具有的能量（如 電子伏特 ， 1 電子伏特為 1.62 x 10-19 焦耳 ）、 波長（如公里、公尺、公分、微米(1微米=10-4 公分)、 埃 (A0，1 A0 = 10-8 公分 = 10-4 微米) 或頻率 (如每秒來回一次，稱之為「 赫茲 」(Hertz)) 來表示。 所用表示法的不同，取決於工作使用的方便性。

　


光的波長
波動中前後兩相鄰的波峰、波峰間的距離長度，或是兩相鄰的波谷、波谷間的距離長度，稱之為「波長 (Wavelength)」。光是種衡波，其波長示意圖如下：

　

下列是各種不同波段電磁波的波長：

    輻射種類                                    大約波長 【單位為 微米 (10-6 公尺) 】

    伽瑪射線                                           10-6

       X 射線                                              10-4

     紫外光                                              0.1

     可見光                                              0.5

     紅外光                                              10

       微波                                                103

     無線電波                                         104 ─ 106


光的頻率
光的頻率 ( f ) 、波長 (λ) 和光速 ( c = 3 × 108 m/s) 有如下的關係式：

                                    λ•f = c       或          f = c / λ

何謂「頻率 (Frequency)」？

        所謂的頻率指著是單位時間內來回反覆的次數。對於波動而言，頻率是單位時間內上下震盪的次數；對於光波而言，光的評率是每秒鐘內電場或是磁場變動的次數。光波頻率的表示常以每秒來回一次的頻率稱之為一「赫茲 」(Hertz) 來表示。


光與光子能量
光的頻率 ( f ) 、波長 (λ) 、光速 ( c ) 、卜朗克常數 ( h ) 和光子能量 ( E ) 有如下的關係式：

                                    E = h•f        或          E = h•c / λ

重力 (牛頓萬有引力定律) 到底在講些什麼 ?
         1667 年，在牛頓力學裡， 牛頓描述宇宙中的每個質點與其他質點之間， 都存在著一種由質量引起的引力性交互作用， 其引力的大小與兩質點質量 (m1 和 m2 ) 乘積成正比、 與其間的距離 r 的平方成反比， 這種交互作用稱為「重力 (Gravity)」。 上述關係稱為「牛頓萬有引力定律」， 列式如下：

                                  F = G m1 m2 / r2

  • 式中 G 為萬有引力常數 (又稱為重力常數)， 其值為 6.673 x 10-8 厘米3 / 克 秒2。
  • 至於「萬有引力的本質為何 ?」此問題需等到愛因斯坦的相對論才得以解答。
  • 換言之，重力是一種看不見的力，它究竟如何發生作用仍有待瞭解，但不論物體是多麼小都有重力， 即將其他物體拉向自己的力量。
  • 重力是將宇宙聚集在一起成星球、 成星系的一種力。
  • 這種力的大小視這兩物體質量的大小和距離而定。 例如，地球表面的物體 (質量為 m) 都會和地球產生重力 (或稱為「重量 (Weight)」 W = m g)， 這重力的方向都指向地心 (所以也稱之為「地心引力」)、 而力的大小 (W) 和物體質量 m 成正比，式中「重力加速度」 g = G M / R2， M 為地球質量，R 為地球半徑。g 值約為 980 厘米 / 秒2。

重力大小的例子
下列是人站在不同的天體星球上，呈現出所受到的不同重力吸引。

    星體                  星體質量                    星球直徑大小                    重力大小

                      (以地球質量為單位)     (以地球直徑為單位)      (以地球重力為單位)

   月球                      0.0123                            0.27                                    0.17

   金星                      0.81                                0.95                                    0.91

   火星                      0.11                                0.53                                    0.38

   木星                  317                                    11.2                                     2.54

   太陽                 33 萬 3 千                        109                                      27.9 


質能關係式
        物理定律裡的物理量要能夠在 洛仁子變換 下運算， 則它們先決條件是要先能表示成包含 空間 和 時間 函數的「四維向量」。 也探討到建立相對論力學系統所定義出的四維向量 xμ 、 kμ 、 vμ 和 pμ 等四維向量，式中 μ = 1, 2, 3, 4 。 它們在洛仁子變換下運算的不變性會為我們得出什麼重大的物理意義呢？ 我們將進一步地分析討論。
        首先瞭解利用張量列式運算時， 常照愛因斯坦規則表示。 在一個求和式中，只寫出通項， 而以重覆出現的下誌標和上誌標來表示該式代表求和，且將張量的階數收縮 2 階。 並且 0 階張量「純量 (scale)」在 座標變換中是個守恆不變的量。 因此上述的四維向量 任何兩個作向量內積運算所得的數值必然是個守恆不變的量。 例如： xμ xμ = S2 表示兩事件間隔在座標變換中是不變的量。 kμ xμ 表示 (電磁) 波動的相位波數在座標變換中是不變的量。 vμ vμ = - c2 表示真空中電磁波的傳播速度在座標變換中是不變的量。 vμ pμ = - m0 c2 和 pμ pμ = p • p - E2 / c2 = - m02 c2，得知靜止質量 m0 的質點能量 E 可以表示成 E = m0 c2 這就是著名的「質能關係式」。 下照片片是 1945 年 7 月 16 日人類首次嘗試到原子彈在產生質能變換下帶來的巨大威力。

　


弱電作用的統合
自從 1864 年，馬克士威 統合了原有「電學」和「磁學」的理論完成完整的 「電磁理論 」， 現稱之為「馬克士威方程式 (Maxwell's equations)」， 在電磁學中馬克士威方程式的重要性猶如力學中的 牛頓運動定律 一樣具有權威性。 接下來也有許多科學家想仿照馬克士威 統合理論的數學架構， 來統合其它看似類似而仍分散的 4 種基本作用力， 愛因斯坦的晚年就是夢想著完成這個「萬物至理 (A Theory Of Everything, TOE)」理論的夢想。 在愛因斯坦逝世 20 年後，於 1973 年物理學家 Sheldon Glashow  和 Steven Weinberg 利用 1957 年楊振寧 (Yang C.N.) 和 Mills 所提出的規範場論進行「電磁作用」和「弱交互作用」的理論統合， 而完成了「弱電作用」理論。

        你知道 4 種基本作用力所指的是那 4 種基本作用力？ 有第 5 種基本作用力的可能嗎？ 愛因斯坦的「萬物至理 (A Theory Of Everything, TOE)」理論夢想可能實現嗎？

愛因斯坦最終的夢想 ─ 交互作用的統合
在阿爾伯特 • 愛因斯坦生命的最後三十年， 他把科學興趣主要放在發展「統一場論 (Unifield Field Theory)」方面， 試圖在一個更廣泛的數學結構中解釋 重力與 電磁學。 雖然愛因斯坦為此花費相當長的時間，因為束縛質子和中子於原子核小空間內的「強作用力」和原子核分裂所產生的「弱作用力」， 並未在愛因斯坦的時代中明顯地被提及，因此他的「統一場論」探究工作沒有成功， 但他相信總有一天有人會成功的。 當代雖然人們常常以為他這些年的時光都虛度了，但現在大家都認為， 愛因斯坦的思想實際上比他同時期的人超前好幾十年。 目前，物理學家們正試圖提出「萬物至理 (A Theory Of Everything, TOE)」理論， 就是用一套公式涵蓋物理學的一切已知的交互作用力 和作用場。 這一要求是愛因斯坦留給科學家最重要的遺產。

        下圖是說明科學家夢想將以之的基本作用力以套基本的數學模式統合再一起， 此構想肇始於 1864 年科學家馬克士威 (James Clerk Maxwell, 1831 - 1879) 完成統合「電力」和「磁力」為「電磁作用」， 到了 20 世紀的 1973 年也完成了「電磁作用」和「弱作用」的統合成為「電弱作用」， 1979 年又初步完成了與「強作用」 的統合成為「大統一理論 (Grand Unified Theory)」， 但是再與「重力」統合的「萬物至理」理論何時才能夠完成， 而可以圓了愛因斯坦最終的夢想呢？會不會又有其他我們尚未支的基本作用力被發現呢？ 尚待我們繼續的努力探索囉。

　

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