每当人们提起物理学，“大统一理论”都是令人神往的话题，这条“统一之路”源于19世纪物理学的巅峰之作。如今，这段故事却鲜为人知。

其实物理学本来就是多门学科统一起来的学问。借助“最小作用量原理”和“力学自然观”，力学、热学、电磁学、光学、……，被统一成了一门学科：物理学。

“大统一理论”其实早就有了，现在人们所说的“统一之路”都只是对原本的“大统一理论”的应用。

物理学的起源

“物理学”原本泛指一切自然科学，在19世纪，随着力学自然观的兴起，英国物理学家麦克斯韦（J.C.Maxwell）在19世纪中叶定义了“物理学”。

符合力学自然观的学科即为物理学。

“力学自然观”其实就是说：力学原理是最基本的原理，光现象、热现象、电磁现象、化学现象、……，都可以用力学原理描述。

19世纪几乎所有的力学家、光学家、热学家、电磁学家都参与到了“力学自然观”的构建中，在这之后，他们都成为了物理学家。

其中最为人熟知的成果是“能量守恒与转化定律”，“能量”是联系世间万物的概念，这就是科普的内容，只涉及定性的讨论。

要知道，上面这些介绍还远远没有触及“力学自然观”定量分析的精髓（“大统一理论”）。

最小作用量

经典力学最伟大的成果是什么？

是衔接“力学自然观”的成果，也就是最小作用量原理。

至于什么是作用量，你可以简单地理解成：能量在时间上的积累，或者是动量在空间上的积累，这两种看法是一样的。能量是力在空间上的积累，动量是力在时间上的积累，所以作用量同时考虑了力在空间和时间上的积累。

最小作用量原理其实就是说：在一个力学系统可能发生的所有运动中，只有使作用量最小的运动才是真实发生的运动。

最小作用量原理是分析力学的基本原理，分析力学又可以细分成拉格朗日力学和哈密顿力学。“力学自然观”建立在分析力学之上，更准确地说，是建立在拉格朗日力学之上。

（牛顿力学、拉格朗日力学、哈密顿力学，这是三种等价的力学。牛顿力学只是经典力学的阶段性成果，并不是经典力学的终点。大部分人只听过牛顿力学，这就注定大部分人无法真正踏入物理学的大门。）

拉格朗日力学实在是太重要了，说地形象一点，物理学中的拉格朗日力学就相当于金庸小说《天龙八部》里的天山折梅手。了解了拉格朗日力学，在物理学中就可以做到一通百通。

用最小作用量原理做定量分析会涉及到泛函极值问题，这种问题有通解，也就是欧拉-拉格朗日方程（下文简写成：E-L方程）。拉格朗日力学的核心方程也是这个方程。

方程中的L就是力学系统的拉格朗日量，是力学系统的动能与势能的差值，所以不必对“拉格朗日量”感到恐惧，它只是能量而已。

拉格朗日力学告诉我们，只要我们写出一个力学系统的拉格朗日量，代入E-L方程，再求解E-L方程，我们就知道了这个力学系统的一切。

力学自然观

根据力学自然观，热学系统、光学系统、电磁学系统、……，也能看成是力学系统，所以只要我们写出了xx系统的拉格朗日量，我们就知道了xx系统的一切。

拉格朗日力学还有一个好处，那就是分析力学系统的时候不必考虑力学系统的具体结构。这也是拉格朗日力学可以衔接力学自然观的原因，其实这也是力学自然观得以建立的原因，是拉格朗日力学拯救了力学自然观。

“力学自然观”刚被提出的时候，物理学家都在用齿轮、链条、滑轮、杠杆、螺杆、……这些机械零件去构建具体的“热”的力学结构、“电”的力学结构、“光”的力学结构、……，但是结果都不太好。而拉格朗日力学指出“不必纠结具体的力学结构”，算是救了力学自然观一次。

总之，一切物理学问题都变成了：写出拉格朗日量，然后求解E-L方程。

拉格朗日量

上面这种说法并不是危言耸听，在网上流传的号称“最长公式”的这张图片其实就是标准粒子模型的拉格朗日量，只是个拉格朗日量而已，理论上描述了除引力之外的所有物理（这只是一种夸张的宣传语，别当真）。

当然，也可以写出引力场的拉格朗日量。

物理学中那些美妙的方程（爱因斯坦场方程、麦克斯韦方程组、狄拉克方程、……）都可以通过“写出拉格朗日量，再求解E-L方程”的方法得到。

这一套方法论从欧拉（L.Euler）、拉格朗日（J.Lagrange）用不同的两种视角写出E-L方程开始，经过哈密顿（W.R.Hamilton）点明最小作用量原理和拉格朗日量，再由麦克斯韦（J.C.Maxwell）借助电磁场理论和力学自然观成功推广其适用范围，最终发扬光大。