赶走超距作用的场

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来源:《宇宙观》 在17世纪30年代,勒内·笛卡尔在解释行星的轨道运动时,展现出十足的想象力。在一本名为《论世界》的书中,笛卡尔提出真空(空无一物的空间)并不存在,空间里一定充满了某种流体,由流体漩涡带着行星围绕太阳旋转。在牛顿的引力理论问世以前,笛卡尔的“漩

来源:《宇宙观》

在17世纪30年代,勒内·笛卡尔在解释行星的轨道运动时,展现出十足的想象力。在一本名为《论世界》的书中,笛卡尔提出真空(空无一物的空间)并不存在,空间里一定充满了某种流体,由流体漩涡带着行星围绕太阳旋转。在牛顿的引力理论问世以前,笛卡尔的“漩涡说”是行星轨道运动的主流解释。所以,牛顿在《原理》中提出自己的理论时,曾花了很大篇幅论述笛卡尔的理论行不通。

牛顿的引力理论准确地解释了行星运动及许多其他问题,大获全胜。只要在太阳与行星之间,还有其他大质量物体之间引入一个长程作用力,就能解释如时钟一般规律的天体运动。但牛顿并没有说明,物体是怎么传递引力的。虽然牛顿的理论取得了非凡的成功,但这种“超距作用”却遭到了哲学家如戈特弗里德·莱布尼兹等人的严厉批评。

就连牛顿自己都承认,不明白两个彼此不接触的物体如何产生力的作用。1693年在给理查德·本特利的一封信中,牛顿这样写道:

在没有什么(非物质的)东西充当媒介的情况下,没有生命的物体竟然能够影响和它没有接触的另一个物体,这真是不可思议……

引力应该是物质的先天本质属性,所以物体在真空中无须借助媒介就能影响远处的物体。物体就是这样相互作用,传递力的。在我看来,这太荒谬了,我相信有哲学思考能力的人不会沉溺其中。

几百年后,人们才解开这个谜。

法拉第的场 

19世纪上半叶,迈克尔·法拉第用一连串实验解开了电和磁的秘密。他创造性地想到,用线条去描摹一个假想的测试电荷在空间中任一点感受到的电场力,或者一个测试磁极感受到的磁力,线的疏密表示力的强弱。就这样,法拉第画出了电场力和磁力的空间分布,并把它们称作电场图和磁场图,这是法拉第的一个伟大创举。

所谓同性相斥,异性相吸。如下图a所示,一个带正电的测试电荷会受到负(正)电荷的吸引(排斥),白线画出了测试电荷在空间中任一点的受力方向。同样地,下图b里的白线显示了一个条形磁铁的北(南)极对一个测试北磁极的排斥(吸引)力。

 a)两个电荷产生的电场;b)一块条形磁铁产生的磁场

 a)两个电荷产生的电场;b)一块条形磁铁产生的磁场

虽然法拉第把电场和磁场分开来画,但变化的电场产生磁场,变化的磁场又产生电场,把它们视作单一电磁场的两个组成部分也是很自然的事。

法拉第绞尽脑汁,苦苦思索这些场的真实含义,最终得出结论说它们肯定是真实的物理存在,不过他也为此而饱受批评。直到詹姆斯·克拉克·麦克斯韦给出了电磁场理论的数学表述,用数学公式囊括了法拉第的实验结果,人们才弄清楚这些场的本质。

麦克斯韦的方程组表明,电磁场受到干扰后会产生电磁波,这些波携带着能量和动量,所以,场不只是一种描述工具,更是真正的物理存在。电场和磁场互相垂直,在空间中振荡着向前行进,形成电磁波(见下图)。变化的电场产生磁场,变化的磁场又产生电场,如此往复循环,振荡的电磁波就这样自我延续下去。

电磁波(蓝色箭头代表磁场,红色箭头代表电场)

电磁波(蓝色箭头代表磁场,红色箭头代表电场)

最值得注意的是,我们其实一直都知晓电磁波的存在,我们称之为“光”。法拉第做过偏振光实验后,曾经怀疑光是一种电磁现象。后来,在法拉第病重,不久于人世时,麦克斯韦前去探望并告诉他,他的怀疑没错,可惜法拉第那时已经听不懂麦克斯韦在说什么了。

我们肉眼可见的光是一种携带着较高能量的快速电磁振荡,其中蓝光比红光振动得更快一些,能量也比后者高。麦克斯韦经过计算指出,任意频率的电磁振荡都有可能存在(见下图)。

在电磁波谱中,短波振荡比长波振荡能量高

在电磁波谱中,短波振荡比长波振荡能量高

无线电波 

根据麦克斯韦的电磁理论,振荡电流从导线中穿过时,会带动导线里的电子一起振动。电子一加速,就会在电磁场中激起涟漪,换句话说,电子会发出电磁波。

长波电磁振荡也叫无线电(radio),这个名字源于拉丁文radius,是车轮的意思。无线电向四面八方传播出去,形成球状波前,就像一颗石子落入池塘,激起层层水波。当波前遇到金属线或天线时,它会加速天线中的电子,产生振荡电流。由于球状波前向各个方向铺开,因此天线接收到的无线电信号十分微弱,需要放大。

以上所述就是赫兹实验的原理。1887年,海因里希·赫兹在实验室的一侧产生无线电,然后又在另一侧接收到它。

量子波 

20世纪新出现的量子力学理论,进一步阐明了场的物理含义。从量子的角度看,电磁波由光子构成。光子不同于传统意义上的粒子(好比台球),而更像是离散的波包,有时又被叫作量子或波粒子。日常生活中的粒子概念或波的概念,无法抓住它的本质。

粒子间的相互作用究竟是怎么一回事?量子场论给出了精彩的解释。它告诉我们,每种基本粒子都有一个与其对应的场,这个场遍布整个空间。比如,光子是电磁振荡,电子是电场振荡,诸如此类。更关键的是,这些场还彼此依赖。例如,带电粒子(如电子)的场与电磁场有关联。如果两个带电粒子交换光子(电磁场振荡),在它们之间就会产生出一种作用力。

如果把这个过程画出来,就是费曼图。下图展示了两个电子交换一个光子的过程,这是最简单却又十分重要的费曼图。其他费曼图会涉及更多粒子。

费曼图。在图中,自下而上代表时间的流逝。依照带箭头的直线,两个电子先是互相靠近,在交换一个光子(用波浪线表示)之后,又彼此远离

费曼图。在图中,自下而上代表时间的流逝。依照带箭头的直线,两个电子先是互相靠近,在交换一个光子(用波浪线表示)之后,又彼此远离

力的这种量子阐释令人十分满意。两个电子因为电性相同而互相排斥,向着远离彼此的方向运动。电子一加速,便会产生电磁波,电磁波反过来又会加速电子。两个电子因为交换了光子(电磁振荡)而改变了自身的能量与动量,这不是再自然不过的事吗?

费曼图在量子场论的数学表述和粒子间相互作用的概念想象之间,架起一座沟通的桥梁。不过,在理查德·费曼一开始引入费曼图时,量子理论的缔造者之一尼尔斯·玻尔曾批评说,这些图没有清楚地阐明相关的量子物理过程。后来,费曼在1965年获得诺贝尔物理学奖,玻尔向他道了歉。

爱因斯坦解决了牛顿的难题 

爱因斯坦富有洞见地用“场”赶走了引力的“超距作用”,解除了牛顿的困境。如同麦克斯韦的电磁理论是电磁学的经典理论,爱因斯坦的广义相对论也是引力的经典理论。广义相对论预言,宇宙中有引力波,也就是连续不断的时空波动。

发展引力的量子理论仍然任重而道远。这个理论把引力场量子化,提出引力子的概念,并把物体间的引力作用解释成物体交换引力子。引力子是一种假想粒子,相当于引力版的“光子”。然而,与电磁力相比,引力太微弱,探测到引力子的希望还很渺茫,而且我自己也怀疑,从原理上讲,我们是否真能探测到它们。

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科技前沿

消失的分子

2020-7-29 10:45:17

科技前沿

立方体!碎片也有普遍规律

2020-7-29 11:37:21

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