看不见的世界:宇宙从何而来
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9 现实中的“魔霸”:万物皆力

电子、原子核等地图上的重要景观联系在一起的力是电磁力。电磁学可以被量子电动力学完全描述。量子电动力学是我们已经遇到过的费曼、施温格和朝永振一郎提出的量子场论。电磁力扮演了将原子之地各处连接在一起的重要角色,不仅修建了我们来到这里时走过的那座大桥,还铺设了我们正在行驶的公路网络。电磁力的携带者是光子,即我们已经碰到过的光的量子形式。我们第一次登陆这个海岛时,到达的是电子港,现在随着我们的深入探索,我们将更仔细地观察电磁力的运作方式。这次旅程将会充满惊奇的发现,并且会改变我们对空间和时间的看法。

在我们探索原子之地时,我们曾看到电子被束缚在原子核里一系列复杂的能级中,因为电子是携带负电荷的量子粒子(quantum particle),被带正电荷的原子核吸引。要想继续往东走,见到原子核,我们需要有几百万eV能量的阿尔法粒子才行。只是看见原子核周围的电子,需要的能量相对比较少——几千eV就行了。这差不多也是一个典型的原子中的电子“结合能”的大小。

结合能是一个将会在我们的地图上经常出现的重要概念,它代表了粒子在分开状态和结合状态时的能量差。任何复合的粒子中都存在结合能,这意味着要想使粒子分开,必须消耗能量。你也可以从结合能的角度来分析一艘从星球上发射的宇宙飞船;宇宙飞船和星球是一个存在束缚关系的系统。要想分开它们,你需要投入许多来自火箭燃料的能量,以使飞船达到逃逸速度。同理,要想把电子从原子中剥离开来——使其成为离子,或最终制造出电子和离子都向四处自由运动的等离子体,系统中必须增加额外的能量。假如你想从原子那里解放被束缚得最紧的电子之一,你必须给电子增加能量,否则原子核是不会放手的。结合能的大小决定了原子之地在我们整张地图上的经度。电磁吸引力使结合现象得以产生。

事实上,我们现在所说的电磁力是以前两种被认为互相独立的力的结合。第一种是静电力,两个带电荷物体所产生的互相吸引或排斥的力。如果它们都带负电,或都带正电,则会互相排斥。如果一个带负电,一个带正电,则会互相吸引。大部分物质是电中性的,因为带正电的原子核刚好中和、抵消掉了电子所带的负电。虽然如此,如果你用一个气球在你的头发上来回摩擦,会使电子在两者间转移,导致电荷不平衡以及静电吸引的产生。

除了静电力,如果两个带电物体还存在相互运动关系——比如两根电线中往相反方向流动的电流中的电子,它们还会受到磁力的影响,而磁力不仅取决于它们的电荷,还取决于速度。请回想一下,在之前的内容中,J.J.汤姆逊就是通过平衡这两种力发现了电子。地球的磁力场会改变电流方向,这个现象是由地核内电流的流动造成的。

但是关于这些力,我们有许多疑问。既然电力和磁力都取决于电荷,那这两种力肯定是有关联的。但是,它们如何关联?而且,带电粒子间的力是即刻产生的,还是有某种介质携带了这种力?如果存在这种介质,它是什么?运动速度有多快?在电荷发生距离变化、运动改变或产生旋转的时候,它们之间的力会受到怎样的影响?

这些问题并不是抓着晦涩的细节不放,而是直指物理学的内核。探寻并深刻理解以上问题的答案是很重要的,不仅因为我们(和往常一样)想要刨根问底,还因为电子在电磁力影响下的细节表现是促成大多数自然现象产生和现代科技的关键。

先不考虑生物方面的现象:在我们船底吱吱嘎嘎工作的泵用的是电动马达;在旅途中我们用来导航的是指南针;伴随探索的过程,我用来记笔记的是一台塞满了电子科技的笔记本电脑;在将记录全部完成并邮寄给我的出版商时,我会用Wi-Fi或无线手机信号;所有在我之后阅读这些文字的人,都是凭借光的帮助,除非他们使用的是盲文或有声版本。所有这些事物和现象,包括光本身在内,都可以通过研究电荷和电磁场之间的关系来理解。

以上所有现象都属于电磁学。而最初电力和磁力的统一为量子电动力学的诞生做了铺垫,并且解释了光学、无线电和Wi-Fi原理的,是苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦1865年发表在英国皇家学会《哲学学报》上的麦克斯韦方程组。虽然麦克斯韦在1864年就提交了论文的初稿,但是和所有其他的科学家一样,他的论文需要经过同行评审才能发表。在1865年3月的一封威廉·汤姆森(后被称为开尔文勋爵)的来信中,他抱歉地表示,他评审论文的速度很慢,但他已经读过论文的大部分了,并且总体看上去不错(“毫无疑问可以出版”)。麦克斯韦方程组不仅将磁场和电场联系在了一起,还解释了它们与电荷和电流的关系。它具体表现了:电磁场能使电荷移动;虽然电场是由于电荷的存在而产生的,但是并不存在“磁荷”;改变磁场会产生电场,反之改变电场也会产生磁场。麦克斯韦方程组具体地展示了这一切现象都是如何发生的。而且,麦克斯韦方程组的确立意味着电荷是守恒的:改变在某限定体积内的电荷数量的唯一手段,是采用电流将电荷带进去或带出来;电荷不会无端消失,也不会凭空出现。

麦克斯韦方程组的确立其实是一个“博采众长”的过程,即麦克斯韦实际上是将描述以前各种实验结论的已知物理法则收集在了一起。例如,1831年,伦敦英国皇家科学研究院的迈克尔·法拉第发现了将磁铁穿过带电的线圈时会产生流动的电流——这个现象被称作“电磁感应”。麦克斯韦事实上是在法拉第电磁感应法则的基础上搭建了电力与磁力的“大统一理论”,这个理论包括了“电荷互相吸引”,也包括了“电流产生磁场”。除了收集并且统一当前已知的电磁法则,比如法拉第的电磁感应效应,麦克斯韦也在方程式中加入了他自己的发现,即电场的改变才是产生磁场的原因,即使没有任何电荷或电流存在。麦克斯韦将这个概念和其他的方程式放进了一个统一的框架。令人惊叹的是,这个框架不仅揭露了深刻的物理原理,还解释了丰富的物理现象。

重要的是,麦克斯韦方程组体现了即使不存在电荷,电场和磁场也是可以存在的。变化的电场会产生变化的磁场,同时,产生的磁场中的变化又会使电场产生更多改变,不断循环下去。把这一点体现在数学上的话,我们可以通过变换和组合麦克斯韦方程组的各部分得到波动方程——描述行进波的方程,我们之前在观察海湾中的海鸥时曾遇到过。而且,因为电场和磁场能够形成行进波,它们也能携带能量和信息。

用公式变换组合出的波的速度也能从公式中被计算出来,并且是每秒3亿米——光速!这种波,其实,就是光——电磁辐射,在量子术语中,也叫光子。光波有许多种不同的形式——可见光、无线电波、Wi-Fi信号波、X射线等等。不同的光会和不同的物体产生不同的反应——各类物体会以各种方式吸收或反射各种光,而这仅仅是因为这些光的波长——光波连续波峰之间的距离——不同。在我们的旅程中,光子会陪伴我们一路,从最低能量的西边到最高能量的东边。它们是我们地图上将一切联系在一起的带电荷的公路网络。虽然它们之间可能看上去毫不相像——可见光看上去和伽马射线可不怎么像,但是在麦克斯韦方程组和量子电动力学中,它们都是电磁场的波。