9 現實中的“魔霸”：萬物皆力

將電子、原子核等地圖上的重要景觀聯系在一起的力是電磁力。電磁學可以被量子電動力學完全描述。量子電動力學是我們已經遇到過的費曼、施溫格和朝永振一郎提出的量子場論。電磁力扮演了將原子之地各處連接在一起的重要角色，不僅修建了我們來到這里時走過的那座大橋，還鋪設了我們正在行駛的公路網絡。電磁力的攜帶者是光子，即我們已經碰到過的光的量子形式。我們第一次登陸這個海島時，到達的是電子港，現在隨著我們的深入探索，我們將更仔細地觀察電磁力的運作方式。這次旅程將會充滿驚奇的發現，并且會改變我們對空間和時間的看法。

在我們探索原子之地時，我們曾看到電子被束縛在原子核里一系列復雜的能級中，因為電子是攜帶負電荷的量子粒子（quantum particle），被帶正電荷的原子核吸引。要想繼續往東走，見到原子核，我們需要有幾百萬eV能量的阿爾法粒子才行。只是看見原子核周圍的電子，需要的能量相對比較少——幾千eV就行了。這差不多也是一個典型的原子中的電子“結合能”的大小。

結合能是一個將會在我們的地圖上經常出現的重要概念，它代表了粒子在分開狀態和結合狀態時的能量差。任何復合的粒子中都存在結合能，這意味著要想使粒子分開，必須消耗能量。你也可以從結合能的角度來分析一艘從星球上發射的宇宙飛船；宇宙飛船和星球是一個存在束縛關系的系統。要想分開它們，你需要投入許多來自火箭燃料的能量，以使飛船達到逃逸速度。同理，要想把電子從原子中剝離開來——使其成為離子，或最終制造出電子和離子都向四處自由運動的等離子體，系統中必須增加額外的能量。假如你想從原子那里解放被束縛得最緊的電子之一，你必須給電子增加能量，否則原子核是不會放手的。結合能的大小決定了原子之地在我們整張地圖上的經度。電磁吸引力使結合現象得以產生。

事實上，我們現在所說的電磁力是以前兩種被認為互相獨立的力的結合。第一種是靜電力，兩個帶電荷物體所產生的互相吸引或排斥的力。如果它們都帶負電，或都帶正電，則會互相排斥。如果一個帶負電，一個帶正電，則會互相吸引。大部分物質是電中性的，因為帶正電的原子核剛好中和、抵消掉了電子所帶的負電。雖然如此，如果你用一個氣球在你的頭發上來回摩擦，會使電子在兩者間轉移，導致電荷不平衡以及靜電吸引的產生。

除了靜電力，如果兩個帶電物體還存在相互運動關系——比如兩根電線中往相反方向流動的電流中的電子，它們還會受到磁力的影響，而磁力不僅取決于它們的電荷，還取決于速度。地球的磁力場會改變電流方向，這個現象是由地核內電流的流動造成的。

但是關于這些力，我們有許多疑問。既然電力和磁力都取決于電荷，那這兩種力肯定是有關聯的。但是，它們如何關聯？而且，帶電粒子間的力是即刻產生的，還是有某種介質攜帶了這種力？如果存在這種介質，它是什么？運動速度有多快？在電荷發生距離變化、運動改變或產生旋轉的時候，它們之間的力會受到怎樣的影響？

這些問題并不是抓著晦澀的細節不放，而是直指物理學的內核。探尋并深刻理解以上問題的答案是很重要的，不僅因為我們（和往常一樣）想要刨根問底，還因為電子在電磁力影響下的細節表現是促成大多數自然現象產生和現代科技的關鍵。

先不考慮生物方面的現象：在我們船底吱吱嘎嘎工作的泵用的是電動馬達；在旅途中我們用來導航的是指南針；伴隨探索的過程，我用來記筆記的是一臺塞滿了電子科技的筆記本電腦；在將記錄全部完成并郵寄給我的出版商時，我會用Wi-Fi或無線手機信號；所有在我之后閱讀這些文字的人，都是憑借光的幫助，除非他們使用的是盲文或有聲版本。所有這些事物和現象，包括光本身在內，都可以通過研究電荷和電磁場之間的關系來理解。

以上所有現象都屬于電磁學。而最初電力和磁力的統一為量子電動力學的誕生做了鋪墊，并且解釋了光學、無線電和Wi-Fi原理的，是蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋1865年發表在英國皇家學會《哲學學報》上的麥克斯韋方程組。麥克斯韋方程組不僅將磁場和電場聯系在了一起，還解釋了它們與電荷和電流的關系。它具體表現了：電磁場能使電荷移動；雖然電場是由于電荷的存在而產生的，但是并不存在“磁荷”；改變磁場會產生電場，反之改變電場也會產生磁場。麥克斯韋方程組具體地展示了這一切現象都是如何發生的。而且，麥克斯韋方程組的確立意味著電荷是守恒的：改變在某限定體積內的電荷數量的唯一手段，是采用電流將電荷帶進去或帶出來；電荷不會無端消失，也不會憑空出現。

麥克斯韋方程組的確立其實是一個“博采眾長”的過程，即麥克斯韋實際上是將描述以前各種實驗結論的已知物理法則收集在了一起。例如，1831年，倫敦英國皇家科學研究院的邁克爾·法拉第發現了將磁鐵穿過帶電的線圈時會產生流動的電流——這個現象被稱作“電磁感應”。麥克斯韋事實上是在法拉第電磁感應法則的基礎上搭建了電力與磁力的“大統一理論”，這個理論包括了“電荷互相吸引”，也包括了“電流產生磁場”。除了收集并且統一當前已知的電磁法則，比如法拉第的電磁感應效應，麥克斯韋也在方程式中加入了他自己的發現，即電場的改變才是產生磁場的原因，即使沒有任何電荷或電流存在。麥克斯韋將這個概念和其他的方程式放進了一個統一的框架。令人驚嘆的是，這個框架不僅揭露了深刻的物理原理，還解釋了豐富的物理現象。

重要的是，麥克斯韋方程組體現了即使不存在電荷，電場和磁場也是可以存在的。變化的電場會產生變化的磁場，同時，產生的磁場中的變化又會使電場產生更多改變，不斷循環下去。把這一點體現在數學上的話，我們可以通過變換和組合麥克斯韋方程組的各部分得到波動方程——描述行進波的方程，我們之前在觀察海灣中的海鷗時曾遇到過。而且，因為電場和磁場能夠形成行進波，它們也能攜帶能量和信息。

用公式變換組合出的波的速度也能從公式中被計算出來，并且是每秒3億米——光速！這種波，其實，就是光——電磁輻射，在量子術語中，也叫光子。光波有許多種不同的形式——可見光、無線電波、Wi-Fi信號波、X射線等等。不同的光會和不同的物體產生不同的反應——各類物體會以各種方式吸收或反射各種光，而這僅僅是因為這些光的波長——光波連續波峰之間的距離——不同。在我們的旅程中，光子會陪伴我們一路，從最低能量的西邊到最高能量的東邊。它們是我們地圖上將一切聯系在一起的帶電荷的公路網絡。雖然它們之間可能看上去毫不相像——可見光看上去和伽馬射線可不怎么像，但是在麥克斯韋方程組和量子電動力學中，它們都是電磁場的波。