《物理学进展》
新学期第一课：一文读完百年物理学史
1921年，在爱因斯坦（Albert Einstein）的协助下，卡鲁扎（Theodor Kaluza）的论文终于发表。这是一篇关于物理学统一的论文。
卡鲁扎的想法非常吸引人。当时，已知有四维时空，即三维空间和一维时间，他设想如果宇宙中还存在第五个维度，那么他就可以将爱因斯坦新提出的引力理论——广义相对论和麦克斯韦（James Clerk Maxwell）的电磁理论统一起来。换句话说，他尝试将两种基本力——引力和电磁力统一在一起！
统一，是物理学的主要目标。在过去的几个世纪里，物理学家一直在努力将各种不同的自然现象统一到单一的理论框架中。每当物理学家发现两种看似完全不同的事物，其实只是同一事物的两面时，都会带来巨大的科学飞跃。这样惊动人心的时刻，在卡鲁扎的尝试之前已经发生过几次。
物理学的第一次伟大的统一要回到1687年，牛顿（Isaac Newton）在经历多年的思考之后，终于出版了巨著《自然哲学的数学原理》。他在书中提出了运动定律、万有引力定律，以及从这些定律推导出的各种各样的结果。牛顿深刻地意识到，使苹果或其他物体落到地面的物理定律和支配行星绕着太阳旋转的定律是一样的，从而实现了天与地的统一。
到了19世纪，物理学界其实发生了两次惊人的统一。
第一次鲜为人知，它发生在1830年代。当时，哈密顿（William Rowan Hamilton）通过在费马原理和莫佩尔蒂原理之间建立数学等价，统一了光学和力学。在那个时代，这看起来并没有什么。但50年后，哈密顿的思想为统计力学奠定了基础；近100年后，它成了量子力学的核心。
第二次伟大的统一众所周知，它来自麦克斯韦。1860年代，麦克斯韦统一了物理学的三个领域——电、磁和光。此外，他还在统计力学的发展中发挥了关键作用，为未来量子力学的发展铺平了道路。麦克斯韦对物理学所作出的贡献通常被认为仅次于牛顿和爱因斯坦[1]
19世纪末，是经典物理学的黄金年代。一些物理学家甚至认为当时已知的所有物理现象，都可以被现有理论解释。
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然而，这种自满并没有维持多久，物理学就迎来了天翻地覆的革命。
牛顿力学对自然进行了极好的描述，但它并不是普遍有效的，尤其是当我们谈论极快和极小的世界时。可以说，牛顿力学很好地概括了我们对世界的通常认知，但跨入20世纪的物理学，却在不断地打破常识。例如，当物体的运动得非常快，甚至接近光的速度时，牛顿力学就不再适用，取而代之的理论是爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论。
到了1907年，爱因斯坦的老师闵可夫斯基（Hermann Minkowski）重写了狭义相对论。他在传统的三维欧几里得空间中，加上了第4个维度——时间。也就是说，他将过去独立的空间和时间统一成“时空”。这又是一次美妙的统一！
狭义相对论适用于没有引力时的所有物理现象。1907年开始，爱因斯坦开始重新思考引力。他首先提出了等效原理，该原理指出加速度和引力是等价的。爱因斯坦认为这是他“最幸福的想法”。几年后，他意识到等效原理意味着引力和几何之间存在着一种特殊的联系。1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，这个全新的理论告诉我们引力是时空弯曲产生的结果。两年后，爱因斯坦将广义相对论应用于宇宙学研究上，开启了宇宙学的新篇章。