在現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展中，化學(xué)家總是在尋找越來越普遍的數(shù)學(xué)規(guī)律。 例如牛頓通過觀察發(fā)現(xiàn)了萬有引力，并推導(dǎo)出推算萬有引力的公式為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推算不準(zhǔn)確，牛頓認(rèn)為重力是一種遠(yuǎn)距離作用。 在愛因斯坦看來，似乎很難解釋引力在如此大的范圍內(nèi)是如何形成和起作用的，于是他引入了一個新的引力解釋——廣義相對論。
牛頓
愛因斯坦對引力的描述
1905年之前，愛因斯坦還是專利局名不見經(jīng)傳的公務(wù)員。 時間來到了1905年，不知道是愛因斯坦的積累還是靈感。 愛因斯坦在這一年連續(xù)發(fā)表。 多篇諾貝爾獎級論文，今年被稱為愛因斯坦的“奇跡年”。 其中之一就是劃時代的狹義相對論。
愛因斯坦
愛因斯坦在滿足所有慣性系之間的相對性原理和預(yù)言光速永遠(yuǎn)不變這兩個條件下，通過物理演繹推導(dǎo)出狹義相對論。 從狹義相對論的框架來看，時間和空間是一體的，形成一個時空（閔可夫斯基四維時空）必須統(tǒng)一考慮。 說白了，同樣的風(fēng)波，對于不同的人來說，可能發(fā)生在不同的時間。 而且狹義相對論有個致命的缺失，就是只服從慣性系摩擦力是電磁力嗎，不服從非慣性系。
慣性系與非慣性系
那么慣性系和非慣性系有什么區(qū)別呢？ 舉個實際例子，請看右圖：一輛封閉的貨車內(nèi)有一個物體m，該物體與貨車平滑接觸，也就是說忽略摩擦力的影響，m的加速度卡車是a，而無論卡車在運動中是什么，物體m總是保持靜止或勻速直線運動，所以我們說車廂內(nèi)部是一個慣性參考系，在相反，m以加速度a加速，所以此時的參考系是非慣性參考系。
把它們加起來：
1、如果在一個參照系中，一個自由物體相對于參照系保持靜止或保持勻速直線運動狀態(tài)，那么這個參照系就是慣性系，牛頓定理成立。
2、反之，如果在一個參照系中，自由物體保持勻速運動或變加速度運動，則該參照系為非慣性系，牛頓運動定理不成立。
慣性系與非慣性系的區(qū)別
我們知道，真實的慣性系在現(xiàn)實中是很難存在的，大多數(shù)慣性系都是假設(shè)被創(chuàng)造出來的。 因此，在狹義相對論發(fā)表后，愛因斯坦覺得狹義相對論只是在慣性系的條件下得到滿足，而未能推動非慣性系。 經(jīng)過10年的潛心研究，1915年，愛因斯坦終于發(fā)表了他的廣義相對論。
愛因斯坦的時空統(tǒng)一
同樣廣義相對論還在時空上做文章。 廣義相對論是對引力的描述，即物質(zhì)的存在會使時空發(fā)生偏移，從而產(chǎn)生曲率。 物質(zhì)的分布決定了時空的曲率，時空的曲率又反過來阻礙了物質(zhì)的運動軌跡。 它的物理表達是物理學(xué)家黎曼提出的黎曼幾何。 黎曼幾何是一種非歐幾何。 可以說，黎曼幾何為廣義相對論的產(chǎn)生提供了重要的物理基礎(chǔ)。
太陽的質(zhì)量導(dǎo)致時空彎曲
麥克斯韋多項式群推導(dǎo)電磁學(xué)
除了重力之外，生活中常見的另一種基本排斥力是電磁力。 說到電磁力，我們首先想到的是電可以帶動電機轉(zhuǎn)動，磁鐵可以吸附鐵屑，電機的轉(zhuǎn)子和鐵屑都受力。
電磁力
1785年，英國化學(xué)家?guī)靵霭l(fā)現(xiàn)真空中兩個靜止點電荷之間的相互斥力與距離的平方成正比，與電荷的乘積成反比摩擦力是電磁力嗎，這兩個力的方向可概括為即同性電荷相互排斥，異性電荷相互排斥。 電荷相互吸引并沿著兩者之間的連線移動。 F=K(Qq/r^2)（K為靜電力常數(shù)）可用于定量估計力的大小。
庫侖定理
本來，電和磁似乎毫無關(guān)系。 奧斯特發(fā)現(xiàn)，小n極的旋轉(zhuǎn)可能是由濁度線外側(cè)引起的。 經(jīng)過幾年法拉第杰出的科學(xué)直覺，他感到電和磁之間存在著微妙的關(guān)系。 ，法拉第最突出的能力是親手做實驗。 經(jīng)過一次無意的行為，法拉第終于發(fā)現(xiàn)了磁鐵穿過電纜線圈后可以點亮燈泡的現(xiàn)象，并提出了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。 后來，麥克斯韋終于在總結(jié)前人的研究成果中統(tǒng)一了電學(xué)和磁學(xué)，給出了人類歷史上最完美的方程組——麥克斯韋方程組。 麥克斯韋也成為了電磁學(xué)大師。
法拉第
最初，麥克斯韋方程組由 20 多個多項式組成，由于與經(jīng)典熱力學(xué)的沖突，麥克斯韋理論仍然沒有得到足夠的重視。 為了推廣自己的理論，麥克斯韋最終積勞成疾而死。 另外，再加上物理發(fā)展的局限，麥克斯韋最終也沒能給出簡化版的麥克斯韋方程組。
麥克斯韋
1884年， 和 Gibbs將其重新表達為矢量分析的形式，這才讓我們的教科書上有了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，麥克斯韋利用場的概念，通過電磁場中的電磁場量（D、E、B、H）與場源（電荷q、電流I）之間的關(guān)系來反映特定的電場?？臻g一定區(qū)域的性質(zhì)，總結(jié)了磁場、電場、電生磁、磁生電的性質(zhì)。
麥克斯韋方程組
自麥克斯韋統(tǒng)一電與磁以來，電磁力被視為一種基本排斥力，其所有的定量估計都可以用麥克斯韋方程組涵蓋。 與其他先進的科學(xué)理論不同，麥克斯韋方程組自問世以來，為人類社會的現(xiàn)實生活做出了巨大的貢獻。
愛因斯坦著手統(tǒng)一引力和電磁學(xué)
1915年11月，物理學(xué)家希爾伯特在看到黎曼幾何在廣義相對論中的成功應(yīng)用后寫信給愛因斯坦，信中寫道：“麥克斯韋，在物理學(xué)上具有普遍性，方程組可視為引力場的多項式，引力和電磁力似乎是一種力。” 聽到這封信后，愛因斯坦回信說：“你的來信給了我很大的期望，我還是想在引力和電磁之間架起一座橋梁?！?span style="display:none">PtA物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
電磁學(xué)和重力
從1922年開始，愛因斯坦受到他的前輩麥克斯韋統(tǒng)一電、磁、光的啟發(fā)，試圖通過構(gòu)建統(tǒng)一理論來描述引力和電磁力，遺憾的是直到他1955年去世也沒有任何突破。 愛因斯坦一直在用幾何方法統(tǒng)一電磁力和引力，就像廣義相對論一樣。 他把黎曼幾何的四維時空和電磁場放在一起，創(chuàng)造出五維時空的想法，每一次看似成功之后，愛因斯坦都會發(fā)現(xiàn)差距是違反直覺的。
五維時空
當(dāng)愛因斯坦試圖建立引力和電磁力的統(tǒng)一時，化學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了原子核的強弱互斥力，人們終于在其他基本力的統(tǒng)一上取得了新的突破。 1950年代開始，日本數(shù)學(xué)家格拉肖受到楊振寧、李政道宇稱不守恒理論的啟發(fā)，預(yù)言電磁力和弱互斥力是同一力的不同表現(xiàn)。 隨著量子熱的發(fā)展，數(shù)學(xué)家覺得力的傳遞是通過一種矢量玻璃骰子來完成的，用光子傳遞電磁力，W-、W+、Z0傳遞弱力。 1983 年，法國核研究中心的超級質(zhì)子同步加速器首次否定了這一說法。
電磁力與弱力的統(tǒng)一也找到了一條新的途徑，通過量子力學(xué)——量子場論來實現(xiàn)。
結(jié)語
數(shù)學(xué)發(fā)展到今天，人類早已弄清楚電磁力、強互斥力、弱互斥力三種排斥力的作用機理。 并編制了一個統(tǒng)一的理論來描述它，這個理論叫做標(biāo)準(zhǔn)模型，引力還沒有包括在這個體系中。
引力子
而且雖然科學(xué)家們已經(jīng)找到了一種通過量子場論來解釋它的方法，但是因為在標(biāo)準(zhǔn)模型中，每一種基本力都會有一個介質(zhì)粒子。 至于引力，化學(xué)家們早就提出，會有一種引力子作為傳遞引力的介質(zhì)粒子，但到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)引力子。