那个名为“又大又好”的方程组，真的是又大又好！
科学无国界
我们是知识的搬运工
今天我们将送出三本由图灵新知提供的优质科普书籍《从无穷开始：科学的困惑与疆界》。
《从无穷开始：科学的困惑与疆界》以生动的语言讲述了“无穷”的概念对科学研究和人类思想的重要推动作用，探讨了“无穷”在物理学、数学和天文学三大领域中的深刻意义，在大到浩瀚宇宙、小到微观量子世界中，展现“无穷”带给人类的乐趣、困惑和无限启迪。
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作者：Marianne Freiberger
翻译：Nothing
审校：山寺小沙弥
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(1831-1879).
大约150年以前，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦找到了将电和磁结合起来的方法，最开始这两个事物看起来毫无联系。1865年麦克斯韦发表了一组描述电磁现象的公式，也就是麦克斯韦方程组。虽然方程的名字听起来很奇特，但是它可以描述我们在生活中经常碰到各种电磁现象：我们通过可见光看到周围的世界，电视和广播供我们娱乐，无线网和手机信号让我们可以彼此联系。我们几乎不可能完全列举麦克斯韦方程组发挥威力的物理或技术领域。
电和磁很久之前就被人发现。“‘电’和‘磁’这两个词汇可以追溯到古希腊，”John Ellis解释道。麦克斯韦在伦敦的国王学院担任理论物理学教授。“人们真正意识到电和磁之间一定有联系是在18世纪尤其是19世纪早期。”直到19世纪中期，包括法拉第在内的实验物理学家已经给出了这些联系存在的证据。如他们展示了电流可以产生磁场，而移动的磁体可以产生电流。
“曾经有很多理论上的试图要将电和磁联系起来，后来麦克斯韦参与进来并且搞定了所有的事" Ellis说。”他找到了统一描述电和磁的方法，同时也证明了之前的很多想法是行不通的，并且发现了一些奇特的东西。"
麦克斯韦方程组
麦克斯韦的伟大发现中的其中一个就列在上面。事实上没有完全静态的电场和磁场，实验上可以观测到电场、磁场像波一样在空间中传播。麦克斯韦方程组预言电和磁的振动是耦合在一起的：这导致了电磁波的传播速度是光速的想法。
“当人们听到波这个词时，他们经常会想到水波或声波”Ellis说。“电磁波更加抽象，但是它们具有非常实在的效应。事实上，光和无线电等等都是麦克斯韦基于他的方程所预言的电磁波。”这些公式令麦克斯韦可以计算电磁波在真空中的传播速度，这也解决了人们长期的疑惑。“之前人们知道，尽管光传播得非常非常快，但是并不是无穷快的。”Ellis解释道。“从A传播都B需要一定时间，大量实验已经测量了光速。我相信科学史上最激动人心的发现时刻一定包括麦克斯韦从他的公式中计算出正确的光速。”（答案大概是300,000,000米/秒）
麦克斯韦的结果激励人们寻找电磁波存在的证据，但这个过程花费了25年。“赫兹通过震荡电流演示电磁波的存在，并在接收器中捕捉到我们现在称为无线电波的信号，”Ellis解释道。“这个实验只是在一间实验室里做出来的，你也许会好奇它是否具有说服力。但不久之后，马可尼将电磁波送到了大西洋彼岸，这真正的革新了人们的交流方式。这些进步都要归功于麦克斯韦方程组。”
麦克斯韦方程组的应用价值是巨大的，但是许多物理学家更加在意它在基础物理中的意义：这组方程使得我们可以更加深入的理解我们所生活的世界。“如果我们环顾今天的宇宙，它是非常复杂的。”Ellis说。“但是我们的物理学家正在尝试理解它如何运作以及它如何成为现在的样子。所以我们寻找各种不同现象之间的联系，以及背后的原因，也就是说我们在寻求统一。我们尝试统一的描述自然界的不同部分。我们希望去理解宇宙中所发生的不同的事情之间的联系。但是，当然，就像电磁波的例子那样，对自然的探索使得你可以做一些之前不敢想象的事。”
John Ellis
从麦克斯韦的时代开始，基础物理已经发展了很长时间。但是20世纪30年代晚期的人意识到除了电磁力和引力之外还存在其他的基本作用力。他们发现了原子核中的强力，这种力使得原子核可以稳定存在。另一种力是弱相互作用力，它掌管着一些放射性衰变的形式。“物理学家在20世纪的下一个任务是尝试理解这两个新的基本相互作用，”Ellis 说。
为了描述弱相互作用，物理学家将它和电磁相互作用类比并最终发现它们可以放入更高层次的统一框架中。他们的观点表明，这两种力实际上是一个硬币的两面：统一的电弱相互作用。这是一个古怪的想法，因为弱相互作用表现的既不像电也不像磁。就像它的名字，它比电磁力弱很多。它只在3 x 10-17m的尺度内起作用，即使在原子核大小的尺度下，它也比电磁相互作用弱得多。“如果它并没有那么弱，生命的存在将是不可能的，”Eiils说。“并不是说我们将处于黑暗中，而是我们根本就不会存在。如果弱相互作用不再弱，那么整个宇宙都会变得完全不同。”
统一的想法认为电磁相互作用和弱相互作用之间的相似性只有在大爆炸之后是显然正确的，那时的宇宙温度非常高。当温度下降，这些力变得有些不同。
20世纪60年代，很多物理学家拼凑出一个描述电磁相互作用和弱相互作用的统一的框架。“对这些力的深层描述非常像麦克斯韦的方式，所以这就是统一，”Ellis解释道。“这是一组更加复杂的方程，但是，原则上，它们又相对简单，因为对称性把它们联系起来。”
从今天的观点看，这些力之间的不同可以通过让对称性隐藏起来的过程来解释。水可以提供一个很好地类比。自然界描述水的定律在各个地方都是一样的，它并不会偏爱空间中的某个方向，这就是为什么一片海看起来和其他的非常相似，并且无论从什么方向看都是一样的。但是水凝结形成的冰不能表现出这种对称性：没有两块冰看起来是完全一样的，而且你要非常幸运才能找到具有旋转对称性的冰。
重新回到相互作用上来，任何力都是靠被称为玻色子的信使粒子在空间中传递的。最初，所有信使粒子都不具备质量。但是当宇宙慢慢冷却下来，弱相互作用的信使粒子获得了能量，但是电磁相互作用的信使粒子依然不具备质量。沉重的玻色子意味着它们不易被产生，这也导致了这种相互作用比较弱。“如果那些粒子不重的话，弱相互作用就像电磁力一样重要。”Ellis说。
这个理论最初并没有吸引什么注意，但是在20世纪70年代理论和实验的结果开始为它提供坚实基础。“我在1975年加入这项游戏，因为我说‘看，显然，这些弱相互作用的重信使粒子’必须存在，所以总有人会找到它，”Ellis说，他说对了。1983年，CERN发现了弱相互作用的重信使玻色子。但是整个理论真正的钥匙是希格斯玻色子。这个粒子某种意义上说是电弱理论中对称性破缺的信使。因此Mary Gaillard, Dimitri Nanopoulos 和我写了一篇描述这个粒子长什么样的文章。之后希格斯玻色子一定意义上成为了粒子物理中的圣杯。最终，在2012年，LHC的实验发现了它，希格斯玻色子的发现一方面补全了统一的图像，另一方面补全了对称性以及它是如何破缺的图像。”
闪电是带电的云团之间放电引起的
电弱统一是理论物理真正的胜利。它使格拉肖、萨拉姆和温伯格 、恩格勒特和希格斯获得诺贝尔奖。像麦克斯韦和Ellis，希格斯同样在国王学院待过，只是他是作为学生而不是教授。
寻找统一的征程远未结束。理想地，物理学家想要证明包括核内的强力和引力是最开始是一样的，只是在大爆炸后宇宙冷却的过程中才慢慢分开。这将是一份艰巨的任务-尤其引力是大统一理论框架面临的主要挑战。
在此期间，我们是否可以期待理论研究带来的实用性的好处？“最近，政府经常想要在一个指定方向上资助研究,”Ellis说。“他们想要更好地器件，所以他们资助科学家生产更好地器件。我认为麦克斯违方程组和电磁波的故事是一个完美的例子：事实上，当你只关心器件的时候，最革命性的发现并不会出现。经常是物理学中向着统一理论努力的基础发现，会在技术领域产生最意想不到最具革命性的推动。”
“像是希格斯玻色子这样的故事证明了数学物理具有无比强大的预言威力。你写下你的方程，你理解这些方程的对称性，然后它们给你巨大的预言威力。在其他的领域内，我没有看到相同的威力。”
原文地址：
https://plus.maths.org/content/maxwells-equation-and-power-unification
【互动问题：你能想象没有WIFI生活是什么样子吗？】
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编辑：山寺小沙弥
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