自然力

相对论和量子力学出现之前，物理学界最伟大的两位统一论者分别是艾萨克·牛顿和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。牛顿力学定律阐明了物体之间的相互作用是如何支配物体的变化运动的。万有引力定律总结了其中一种相互作用：天体（如行星）受万有引力的影响，沿着特定的路径（如椭圆轨道）运行。牛顿天才般地指明，地球上各种各样的现象，如箭的运动轨迹，可以用一个普遍的图景来解释。

牛顿物理学是完全确定性的。假如，在某个时刻，你知道宇宙中所有物体的位置和速度，以及所有作用在物体上的力，你就可以从理论上精确地预言所有物体以后的行为。19世纪，许多思想家受牛顿定律的启发，认为能够阻止科学家精确预测太阳底下万物的，只有现实的局限，比方说需要收集的数据数量大得令人望而生畏，难以实现。

在严肃的决定论者看来，随机性其实是一种复杂情况的产物，它涉及大量分量以及纷乱的环境因素。例如，投掷硬币这个经典的“随机”行为。假设一位科学家非常勤勉，预测出影响硬币的所有气流，同时知道硬币被抛掷时的精确速度和角度，这位科学家基本上就可以预测硬币的旋转和轨迹。即便这样，一些坚定的确定论者仍不满足，他们会说，假如科学家的背景信息足够明确，凭借以往经验，抛硬币人的思想同样也可以预测出来。依此类推，研究者可以推测出抛掷人的大脑模式、神经信号以及抛掷时的肌肉收缩，预测结果就更清晰可见了。简言之，持此论者认为整个宇宙的运行就像一个完美的机械钟表，不具有任何的随机性。

的确，从天文学角度来讲，比如说在太阳系范围内，牛顿定律的精确性令人叹为观止。牛顿定律完美再现了德国天文学家约翰尼斯·开普勒的定律，描述了行星如何绕太阳公转。人类能够预测天体事件，比如日食、行星会合以及让发射的航天器精准瞄准遥远目标等，这些都是对牛顿力学如钟表般预测性的有力证明，尤其是引力的应用。

麦克斯韦方程将另外两种自然力结合在一起，构建了电磁学。19世纪之前，科学家一直认为电力和磁力是各自独立的。英国物理学家迈克尔·法拉第和助手经实验证明二者有着密切关联。麦克斯韦通过简单的数学关系，将电力和磁力结合起来。他用四个方程式精确演示出：变化运动的电荷和电流能够产生能量振动，而产生的能量振动以电磁波的形式在空间中辐射传播。这些关系式是数学简洁有力的典型表现——简洁到可印在T恤衫上，有力到可描述各种各样的电磁现象。通过整合电力和磁力，麦克斯韦开创了力学统一的观念。

今天，人们知道自然界的四种基本力分别是引力、电磁力、强核力（强力）和弱核力（弱力），并认为其他力，比如摩擦力，都是从这四种基本力衍生出来的。每种力的作用范围不同，强度也不同。引力最弱，将距离遥远的大型天体牵引在一起。而电磁力则强大得多，影响带电物体。虽然它的范围很广，但它的影响在现实中却减弱了，毕竟宇宙中的万物几乎都是不带电的。而作用在原子尺度的强相互作用，将特定类型的亚原子粒子（由夸克组成，如质子和中子）凝聚在一起。同样，弱相互作用也影响原子核，引起特定类型的放射性衰变。麦克斯韦的整合启发了后来的思想家，比如爱因斯坦和薛定谔，二人都试图实现一个更宏大的统一。

麦克斯韦证明，与常规波动不同，电磁波可以不借助物质媒介传播。1865年，他计算出了电磁波在真空中的传播速度，发现电磁波的速度与光速相等，由此断定电磁波与光波（包括肉眼看不见的光波，如无线电波）完全是一回事儿。

与牛顿物理学一样，麦克斯韦的物理学也是有完全确定性的。通过发射天线发射出一个电荷，就可以预测出接收天线接收到的信号。广播电台依赖的正是这种可靠性。

但遗憾的是，麦克斯韦的统一论无法与牛顿的统一论完全匹配。比如，观察者处于移动状态研究光速，两大理论给出的预言就是不一致的。根据麦克斯韦方程得出的结论是：光速恒定不变。而牛顿定律的结论是：光的相对速度取决于观察者的运动速度。然而，这两个答案看起来都很合理。无巧不成书，麦克斯韦去世的那一年，解决这个谜团的人出生了。