时空中的场 17

本系列文章预计会有30个章节，这套文献将系统的讲述物理学本身，今天是第三季第17篇

本周将会结束第三季对物理学部分的文章，本周的大主题是——宇宙的琴弦，即弦论。今天我们先谈谈“场”。

爱因斯坦的伟大在于两次改变了人类的时空观。

在爱因斯坦手里，争论了三百多年的光的粒子性和波动性统一于光的波粒二象性中，狭义相对论使时间和空间统一在一个四维框架中，而广义相对论则把引力和狭义相对论统一在一个弯曲时空中。

爱因斯坦后半生致力于把广义相对论和电磁理论统一起来的宏伟目标。

在量子力学发现之后，爱因斯坦相信，统一场论会产生量子力学这个副产品，但他没有成功，因为他的统一尝试只包含了宇宙中四种相互作用力中的两种，而没有考虑弱作用力和强作用力，因为那时还没有明确这四种作用力的存在。爱因斯坦留下的是一个巨大而孤寂的背影。

什么是场？

在谈这个场论之前，我们先谈谈“场”的由来。

场的概念是在19世纪出现的。

1799年，意大利物理学家伏特发明了电池，这让物理学家有史以来第一次有可能使用稳定电流进行实验。

1820年，丹麦物理学家奥斯特在一次讲课时注意到，当他让电流通过电线时，附近的一根指南针偏转了。这是电与磁之间感应现象的第一次明证。

1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，在做了广泛的电性和磁性实验之后，特别强调指出了电场和磁场的物理性质。他把带电粒子看作无限大的场中的点。

他认为，不是粒子，场才是最基本的物理对象。场的概念，简单地讲，就是空间会因为某些源（source）的存在而出现扰动，场是无色、无味、无重量的客观存在。

一个最常见的例子是一块伸向铁钉的磁体。法拉第对此的描述是，磁体或者线圈周围的空间由于源的存在发生了“扭曲”。

在磁铁周围的空间中充斥着“磁力线”，磁力线现象就是场存在的证明。法拉第关于场的物理性质的直观设想，终于在麦克斯韦关于光的电磁理论中实现了。麦克斯韦给这种看不见的曲线起了一个名字：磁场！

麦克斯韦用“场”的概念解释了电和磁在不接触的情况下进行传递的机制。麦克斯韦用数学方式表达了法拉第关于电和磁的思想。麦克斯韦发表于1865年的论文中，总结归纳了著名的麦克斯韦方程。在麦克斯韦理论中，电场和磁场不是数学虚构，它们能携带电量和动量。

场是一个物理实体。实体是一系列场，微观世界以及整个世界都可看作相互作用的场。在19世纪50年代，“场”这样的想法对人们的思想观念具有根本性的冲击。

当时人们根深蒂固的思想是，在牛顿的世界中，空旷的空间内一无所有。但在麦克斯韦的世界中，空旷的空间中到处都是电势和磁势。电磁理论认为，从宇宙诞生之时到现在，世界的各个角落都存在电磁场。

对于现代物理学而言，场的思维范式发挥了核心作用。在基本粒子的标准模型中，不仅是电磁力的背后存在电磁场，夸克和电子等粒子也具有各自的“夸克场”和“电子场”。

在解释“上帝粒子”希格斯玻色子时，就是“希格斯场”的存在，导致希格斯玻色子的产生。

爱因斯坦认为：“经典的场概念是对科学精神的最大贡献。”

1931年，他在评论现代科学的构造性时说：“根据牛顿体系，物理实在的特征可以用空间、时间、质点和力（质点之间的相互作用）诸概念来表述……麦克斯韦之后，人们将物理实在构想为连续的场，可以用偏微分方程来表示，但不能从力学上来解释。对于物理学来说，这种现实观的改变是自牛顿以来最深刻、最有成效的。”

总结：

爱因斯坦曾一生都致力于找到宇宙中的万物理论，所以场的行为，爱因斯坦晚年特别想找到统一宇宙的理论，可惜，宇宙的终极理论究竟是什么，到现在人们都不清楚。

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