第3章　趕走“超距作用”的“場”

在17世紀30年代，勒內·笛卡爾（René Descartes）在解釋行星的軌道運動時，展現出十足的想象力。在一本名為《論世界》的書中，笛卡爾提出真空（空無一物的空間）并不存在，空間里一定充滿了某種流體，由流體漩渦帶著行星圍繞太陽旋轉。在牛頓的引力理論問世以前，笛卡爾的“漩渦說”是行星軌道運動的主流解釋。所以，牛頓在《原理》中提出自己的理論時，曾花了很大篇幅論述笛卡爾的理論行不通。

牛頓的引力理論準確地解釋了行星運動及許多其他問題，大獲全勝。只要在太陽與行星之間，還有其他大質量物體之間引入一個長程作用力，就能解釋如時鐘一般規律的天體運動。但牛頓并沒有說明，物體是怎么傳遞引力的。雖然牛頓的理論取得了非凡的成功，但這種“超距作用”卻遭到了哲學家如戈特弗里德·萊布尼茲（Gottfried Leibniz）等人的嚴厲批評。

就連牛頓（見圖3-1）自己都承認，不明白兩個彼此不接觸的物體如何產生力的作用。1693年在給理查德·本特利（Richard Bentley）的一封信中，牛頓這樣寫道：

在沒有什么（非物質的）東西充當媒介的情況下，沒有生命的物體竟然能夠影響和它沒有接觸的另一個物體，這真是不可思議……

引力應該是物質的先天本質屬性，所以物體在真空中無須借助媒介就能影響遠處的物體。物體就是這樣相互作用，傳遞力的。在我看來，這太荒謬了，我相信有哲學思考能力的人不會沉溺其中。

幾百年后，人們才解開這個謎。

圖3-1　46歲的牛頓肖像[戈弗雷內勒（Godfrey Kneller）繪，1689年]

法拉第的場

19世紀上半葉，邁克爾·法拉第（Michael Faraday）用一連串實驗解開了電和磁的秘密。他創造性地想到，用線條去描摹一個假想的測試電荷在空間中任一點感受到的電場力，或者一個測試磁極感受到的磁力，線的疏密表示力的強弱。就這樣，法拉第畫出了電場力和磁力的空間分布，并把它們稱作電場圖和磁場圖，這是法拉第的一個偉大創舉。

所謂同性相斥，異性相吸。如圖3-2a所示，一個帶正電的測試電荷會受到負（正）電荷的吸引（排斥），藍線畫出了測試電荷在空間中任一點的受力方向。同樣地，圖3-2b里的紅線顯示了一個條形磁鐵的北（南）極對一個測試北磁極的排斥（吸引）力。

雖然法拉第把電場和磁場分開來畫，但變化的電場產生磁場，變化的磁場又產生電場，把它們視作單一電磁場的兩個組成部分也是很自然的事。

法拉第絞盡腦汁，苦苦思索這些場的真實含義，最終得出結論說它們肯定是真實的物理存在，不過他也為此而飽受批評。直到詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）（見圖3-3）給出了電磁場理論的數學表述，用數學公式囊括了法拉第的實驗結果，人們才弄清楚這些場的本質。

圖3-2　a)兩個電荷產生的電場；b)一塊條形磁鐵產生的磁場

圖3-3　詹姆斯克拉克麥克斯韋

麥克斯韋的方程組表明，電磁場受到干擾后會產生電磁波，這些波攜帶著能量和動量，所以，場不只是一種描述工具，更是真正的物理存在。電場和磁場互相垂直，在空間中振蕩著向前行進，形成電磁波（見圖3-4）。變化的電場產生磁場，變化的磁場又產生電場，如此往復循環，振蕩的電磁波就這樣自我延續下去。

圖3-4　電磁波（如圖3-2，藍色箭頭代表電場，紅色箭頭代表磁場）

最值得注意的是，我們其實一直都知曉電磁波的存在，我們稱之為“光”。法拉第做過偏振光實驗后，曾經懷疑光是一種電磁現象。后來，在法拉第病重，不久于人世時，麥克斯韋前去探望并告訴他，他的懷疑沒錯，可惜法拉第那時已經聽不懂麥克斯韋在說什么了。

我們肉眼可見的光是一種攜帶著較高能量的快速電磁振蕩，其中藍光比紅光振動得更快一些，能量也比后者高。麥克斯韋經過計算指出，任意頻率的電磁振蕩都有可能存在（見圖3-5）。

圖3-5　在電磁波譜中，短波振蕩比長波振蕩能量高

無線電波

根據麥克斯韋的電磁理論，振蕩電流從導線中穿過時，會帶動導線里的電子一起振動。電子一加速，就會在電磁場中激起漣漪，換句話說，電子會發出電磁波。

長波電磁振蕩也叫無線電波（radio），這個名字源于拉丁文radius，是車輪的意思。無線電波向四面八方傳播出去，形成球狀波前，就像一顆石子落入池塘，激起層層水波。當波前遇到金屬線或天線時，它會加速天線中的電子，產生振蕩電流。由于球狀波前向各個方向鋪開，因此天線接收到的無線電波信號十分微弱，需要放大。

以上所述就是赫茲實驗的原理。1887年，海因里希·赫茲（Heinrich Hertz）在實驗室的一側產生無線電波，然后又在另一側接收到它。圖3-6展示了他使用過的一些實驗器具。

圖3-6　赫茲使用過的一些實驗器具

量子波

20世紀新出現的量子力學理論，進一步闡明了場的物理含義。從量子的角度看，電磁波由光子構成。光子不同于傳統意義上的粒子（好比臺球），而更像是離散的波包，有時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，無法抓住它的本質。

粒子間的相互作用究竟是怎么一回事？量子場論給出了精彩的解釋。它告訴我們，每種基本粒子都有一個與其對應的場，這個場遍布整個空間。比如，光子是電磁振蕩，電子是電場振蕩，諸如此類。更關鍵的是，這些場還彼此依賴。例如，帶電粒子（如電子）的場與電磁場有關聯。如果兩個帶電粒子交換光子（電磁場振蕩），在它們之間就會產生出一種作用力。

如果把這個過程畫出來，就是費曼圖。圖3-7展示了兩個電子交換一個光子的過程，這是最簡單卻又十分重要的費曼圖。其他費曼圖會涉及更多粒子。

圖3-7　在圖中，自下而上代表時間的流逝。依照帶箭頭的直線，兩個電子先是互相靠近，在交換一個光子（用波浪線表示）之后，又彼此遠離

力的這種量子闡釋令人十分滿意。兩個電子因為電性相同而互相排斥，向著遠離彼此的方向運動。電子一加速，便會產生電磁波，電磁波反過來又會加速電子。兩個電子因為交換了光子（電磁振蕩）而改變了自身的能量與動量，這不是再自然不過的事嗎？

費曼圖（見圖3-8）在量子場論的數學表述和粒子間相互作用的概念想象之間，架起一座溝通的橋梁。不過，在理查德·費曼（Richard Feynman）一開始引入費曼圖時，量子理論的締造者之一尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）曾批評說，這些圖沒有清楚地闡明相關的量子物理過程。后來，費曼在1965年獲得諾貝爾物理學獎，玻爾向他道了歉。

圖3-8　理查德?費曼與家人的合影，在他們身后的貨車車身上畫著費曼圖

愛因斯坦解決了牛頓的難題

愛因斯坦富有洞見地用“場”趕走了引力的“超距作用”，解除了牛頓的困境。如同麥克斯韋的電磁理論是電磁學的經典理論，愛因斯坦的廣義相對論也是引力的經典理論。廣義相對論預言，宇宙中有引力波——連續不斷的時空波動。在第4章里，我們將詳細談一談引力波，以及探測它們的“神兵利器”。

發展引力的量子理論仍然任重而道遠。這個理論把引力場量子化，提出引力子的概念，并把物體間的引力作用解釋成物體交換引力子。引力子是一種假想粒子，相當于引力版的“光子”。然而，與電磁力相比，引力太微弱，探測到引力子的希望還很渺茫，而且我自己也懷疑，從原理上講，我們是否真能探測到它們。