本文经授权摘编自《宇宙观》
撰文：尼古拉斯·米
译文：屈艳 左文文
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
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）
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
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
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。
发表于 2020-7-31 06:24
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