之所以把引力加入基本粒子的理论中很困难,是因为粒子间作用力特有的传递方式。问题在于传递粒子间作用力的“场”的性质。首先,我们来说说“场”这一概念。 在我们探究物质本原的过程中,磁和电等领域的研究使我们发现,自然界中除了粒子以外,还存在着其他物理实体。以此想法为契机,我们确立了“场力”。 很久以前我们就知道了磁力的存在。磁铁通过靠近或远离附近的金属,可以控制该金属的运动,因此我们知道它们之间存在某种力量发挥着作用。 我们用手推车的时候,手通过直接接触车,将力传递过去。但是,磁铁却可以不与金属接触就能将其吸过来,人们都觉得这一现象不可思议。像这种“不接触也可以传递的力”叫作“场力”。 “场”这一概念是为了解释场力而定义的。例如,传递磁力的场叫作“磁场”,传递电力的场叫作“电场”。 物理学的定义认为,“场”是空间各点的值(力的大小和方向)决定的。这一概念过于抽象很难理解,不过有一个可让其“显形”的实验,这个实验我们在上小学的时候都做过,那就是在磁铁上面放一张纸,然后在纸上撒下铁砂(图1-4)。这时铁砂形成的图案就是磁铁周围产生的磁力线的形状。它是由纸上各点磁力的大小和方向决定的。这就是“磁场”。 通过磁场和电场等“场”就可以解释场力了。例如,电子与电子之间存在斥力,是因为一个电子改变了另一个电子周围电场的状态。 只要有电子,电场就会发生变化。变化后的电场又影响其他电子的运动。 这就是“电场传递电子间作用力”的原理。 19世纪中叶,英国著名物理学家詹姆斯•克拉克•麦克斯韦用一组方程式解释了电和磁的各种现象。从那以后,我们把电场和磁场统称为“电磁场”。 麦克斯韦方程组的一个重要意义是预言了电磁场的波——电磁波。通过电磁场的方程组可以看出,电场和磁场像波一样相互感应。这就是电磁波。另外,通过计算也发现了电磁波的传播速度为光速。也就是说,光是由电场和磁场产生的波,即电磁波。 下面说点题外话。我在美国加州理工学院工作,在校园里经常会遇到那些应当叫作“理科宅男”的学生。他们喜欢穿理科主题的T恤,辨识度很高。我见过一名“理科宅男”的T恤上印有改自《圣经•旧约》创世纪中著名的一段话: 神说:“要有光!” 就有了光。 其中,“要有光”这部分内容被麦克斯韦方程组替换了。引号里的方程式简洁地解释了所有电磁现象,也阐明了光的起源。