第六章：我們都有一個夢
第六章：我們都有一個夢
那麼我現在來看看現在我們認為的宇宙的四種基本力吧。相信大家很熟悉，分別是：引力作用，電磁相互作用力，強相互作用力，弱相互作用力。
首先是引力。上面已經提到很多次了。
她的第一個定義是：是指具有質量的物體之間相互吸引的作用，也是物體重量的來源。
她的第二個定義是：在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何屬性（曲率）；而這種時空曲率與處於時空中的物質與輻射的能量-動量張量直接相聯繫，其聯繫方式即是愛因斯坦場方程（一個二階非線性偏微分方程組）。
電磁相互作用力的定義：即是帶電粒子與電磁場的相互作用以及帶電粒子之間通過電磁場傳遞的相互作用。
強相互作用力的定義：強作用力是強子間的作用力。是目前所知的四種宇宙間基本作用力最強的。
弱相互作用力：它是由W及Z玻色子的交換（即發射和吸收）所引起的，由於弱力是由玻色子的發射（或吸收）所造成的，所以它是一種非接觸力。這種發射中最有名的是β衰變，它是放射性的一種表現。
通過看上面的定義和大家以前的認識，我們知道引力是我們最早發現的，但對於她的認識，我們一直不能深入。她的作用尺度，可大，可小。可是我們知道在粒子範圍內，引力小到可以忽略不計。四種基本力的相對強度:
若萬有引力為1
則弱力為10^25【10的25次方】
電磁力為10^36【10的36次方】
強力為10^38【10的38次方】
這樣的對比意味著，兩個電子之間的電磁斥力比同樣兩個電子之間的引力比。引力的微弱如此驚人，致使它在粒子對或幾個粒子之間的相互作用中的影響可以忽略不計。
但在四種力中我們最先加以科學研究的卻是引力，而且(艾薩克·牛頓)建立了圓滿的數學理論來描述它。這是由於引力具有可疊加性——物體含有質量越大，物體的引力越強。而且引力的作用程非常長，強度的減弱僅僅與到物質塊距離的平方成反比。
我們的宇宙之所以可以形成現在的星系，星團，也是有賴於引力。【暫時不考慮，不討論暗物質，暗能量。】
關於引力最新的認識，就是愛因斯坦的廣義相對論。他認為引力的產生是源於時空曲率。在引力場中，時空的性質是由物體的「質量」分佈決定的，物體「質量」的分佈狀況使時空性質變得不均勻，引起了時空的彎曲。大致上講，物質密度大的地方，曲率也就大。也就是說，「時空曲率」產生了引力，當光線經過一些「大質量」的天體時，它的路線是彎曲的，它將沿著「大質量」物體所形成的「時空曲面」前進。就像放在軟床上的重球使床面彎曲一樣。
儘管我對於時空曲率，空間幾何，場方程等高等數學不精通，但是對於「時空曲率是引力產生的原因」不敢苟同。我只想對愛因斯坦說我敬佩你的想象和驚人數學天賦，但你想的太多了。對於這點，我會在綜合分析完四種基本力后，著重分析的。這也是我認為愛因斯坦相對論值得修正的地方。
接下來看看電磁相互作用。雖然不是一個理科生，但是對於電磁學的發展史，每每讀來，便心潮澎湃。我要用比較多的字，來說說她的發展史。這對於人類來說是不可磨滅偉績！！
早期的電磁學研究比較零散，準確的來說是關於電的研究。下面我按照時間順序將電磁學主要事件列出如下：1650年，德國物理學家格里凱在對靜電研究的基礎上，製造了第一台摩擦起電機。
1720年，英國牧師格雷研究了電的傳導現象，發現了導體與絕緣體的區別，同時也發現了靜電感應現象。1733年，杜菲經過實驗區分出兩種電荷，稱為松脂電和玻璃電，即現在的負電和正電。他還總結出靜電相互作用的基本特徵，同性排斥，異性相吸。
1745年，荷蘭萊頓大學(圖1)的穆欣布羅克和德國的克萊斯特發明了一種能存儲電荷的裝置——萊頓瓶，它和起電機一樣，意義重大，為電的實驗研究提供了基本的實驗工具。
1752年，美國科學家富蘭克林對放電現象進行了研究，他冒著生命危險進行了著名的風箏實驗，發明了避雷針。
1777年，法國物理學家庫侖通過研究毛髮和金屬絲的扭轉彈性而發明了扭秤，如圖2所示。1785－1786年，他用這種扭秤測量了電荷之間的作用力，並且從牛頓的萬有引力規律得到啟發，用類比的方法得到了電荷相互作用力與距離的平反成反比的規律，後來被稱為庫侖定律【數學表達式：。真空中兩個靜止的點電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積成正比，與它們的距離的二次方成反比，作用力的方向在它們的連線上，同名電荷相斥，異名電荷相吸】。
說到這裡，我要提一個人，他的名字叫卡文迪許。我是在學習牛頓萬有引力時候知道這個人的。牛頓萬有引力中的引力常量G，就是他測量的。當時我就想，如果讓我測量，我估計是束手無策的。而卡文迪許巧妙的利用扭秤實驗完成了。而在這裡要提到他，是因為他比庫倫早12年發現庫倫定律。只是他沒有將自己的研究手稿發表。而且據說他終身未婚。也算是科學史上的奇人。他也是我的偶像！
在早期的電磁學研究中，還值得提到的一個科學家是大家都已經在中學物理課本中學過的歐姆定律【標準式：。即在同一電路中，導體中的電流跟導體兩端的電壓成正比，跟導體的電阻成反比。】的創立者－歐姆。
歐姆1787年3月16日生於德國埃爾蘭根城，父親是鎖匠。父親自學了數學和物理方面的知識，並教給少年時期的歐姆，喚起了歐姆對科學的興趣。
16歲時他進入埃爾蘭根大學研究數學、物理與哲學，由於經濟困難，中途綴學，到1813年才完成博士學業。歐姆是一個很有天才和科學抱負的人，他長期擔任中學教師，由於缺少資料和儀器，給他的研究工作帶來不少困難，但他在孤獨與困難的環境中始終堅持不懈地進行科學研究，並且自己動手製作儀器。
歐姆對導線中的電流進行了研究。他從傅立葉發現的熱傳導規律受到啟發，導熱桿中兩點間的熱流正比於這兩點間的溫度差。因而歐姆認為，電流現象與此相似，猜想導線中兩點之間的電流也許正比於它們之間的某種驅動力，即我們現在所稱的電動勢，並且花了很大的精力在這方面進行研究。開始他用伏打電堆作電源，但是因為電流不穩定，效果不好。後來他接受別人的建議改用溫差電池作電源，從而保證了電流的穩定性。但是如何測量電流的大小，這在當時還是一個沒有解決的難題。
開始，歐姆利用電流的熱效應，用熱脹冷縮的方法來測量電流，但這種方法難以得到精確的結果。後來他把奧斯特關於電流磁效應的發現和庫侖扭秤結合起來，巧妙地設計了一個電流扭秤，用一根扭絲懸挂一磁針，讓通電導線和磁針都沿子午線方向平行放置。再用鉍和銅溫差電池，一端浸在沸水中，另一端浸在碎冰中，並用兩個水銀槽作電極，與銅線相連。當導線中通過電流時，磁針的偏轉角與導線中的電流成正比。實驗中他用粗細相同、長度不同的八根銅導線進行了測量，得出了歐姆定律。這個結果發表於1826年，次年他又出版了《關於電路的數學研究》，給出了歐姆定律的理論推導。
歐姆定律發現初期，許多物理學家不能正確理解和評價這一發現，並遭到懷疑和尖銳的批評。研究成果被忽視，經濟極其困難，使歐姆精神抑鬱。直到1841年英國皇家學會授予他最高榮譽的科普利金牌，才引起德國科學界的重視。
在這之前的1820年間，奧斯特在給學生講課時，意外地發現了電流的小磁針偏轉的現象。其實驗示意圖如圖4所示，當導線通電流時，小磁針產生了偏轉。這個消息傳到巴黎后，啟發了法國物理學家安培。
他思考，既然磁與磁之間、電流與磁之間都有作用力，那麼電流與電流之間是否也存在作用力呢？他重複了奧斯特的實驗，幾天後向巴黎科學院提交了第一篇論文，提出了磁針轉動方向與電流方向的關係，就是大家在高中學習過的右手定則。
再一周后，他向科學院提交了第二篇論文，在該文中，他討論了平行載流導線之間的相互作用問題。同時，他還發現如果給兩個螺線管通電流，它們就會象兩個條形磁鐵一樣相互吸引或者排斥。
1822年，安培在實驗的基礎上，以嚴密數學形式表述了電流產生磁力的基本定律，即安培定律。安培通過研究電流和磁鐵的磁力情況，他認為磁鐵的磁力在本質上和電流的磁力是一樣的，提出了著名的安培分子電流假說。如圖5所示，該假說認為在物體內部的每個微粒都有一個環形電流，它們實際上就相當於一個小磁針，當這些小磁針的磁性排列一致時，就體現出宏觀磁性。這一假說在當時不被人們看重，一直到了70年後人們才真的發現了這種帶電粒子，證明了安培假說的正確性。
既然電流有磁效應，那麼磁是否也會有電流效應呢？根據物理的相互作用原理，這個結果應該是顯然的，因此不少人為此做了很多實驗，試圖發現磁的電流效應。但是這個現象直到奧斯特發現電流磁效應的10多年後，才被英國物理學家法拉第和美國物理學家亨利發現。
法拉第是我比較喜歡的一個人，1791年9月生在一個手工工人家庭，家裡人沒有特別的文化，而且頗為貧窮。法拉第的父親是一個鐵匠。法拉第小時候受到的學校教育是很差的。十三歲時，他就到一家裝訂和出售書籍兼營文具生意的鋪子里當了學徒。但與眾不同的是他除了裝訂書籍外，還經常閱讀它們。他的老闆也鼓勵他，有一位顧客還送給了他一些聽倫敦皇家學院講演的聽講證。
1812年冬季一天，正當拿破崙的軍隊在俄羅斯平原上遭到潰敗的時候，一位二十一歲的青年人來到了倫敦皇家學院，他要求和著名的院長戴維見面談話。作為自薦書，他帶來了一本簿子，裡面是他聽戴維講演時記下的筆記。這本簿子裝訂得整齊美觀，這位青年給戴維留下了很好的印象。戴維正好缺少一位助手，不久他就僱用了這位申請者，從此，法拉第開始步入科學的殿堂。
法拉第是一個偉大的實驗物理學家，他在電磁學方面的主要貢獻就是現在稱之為法拉第電磁感應定律【因磁通量變化產生感應電動勢的現象】，並且他提出了力線和場的概念。前面提到的安培和奧斯特等人的工作說明了電和磁之間存在著必然的聯繫，法拉第發現的電磁感應定律比他們前進了一大步。他用實驗證明了電不僅可以轉化為磁，磁也同樣可以轉變為電。運動中的電能感應出磁，同樣運動中的磁也能感應出電。
法拉第的發現為大規模利用電力提供了基礎，後來人們利用法拉第電磁感應定律製造了感應發電機，從此蒸氣機時代進入了電氣化時代。
1831年，法拉第用鐵粉做實驗，形象地證明了磁力線的存在。他指出，這種力線不是幾何的，而是一種具有物理性質的客觀存在。從這個實驗說明，電荷或者磁極周圍空間並不是以前那樣認為是一無所有的、空虛的，而是充滿了向各個方向散發的這種力線。他把這種力線存在的空間稱之為場，各種力就是通過這種場進行傳遞的。
法拉第將他的一生所做的實驗進行了總結，寫出了《電學實驗研究》。由於法拉第基本上不懂數學，在這部著作中人們幾乎找不到一個數學公式，以至於有人認為它只是一本關於電磁學的實驗報告。但是，正是因為他不懂數學，他才不得不想盡方法用簡單易懂的語言來表達高深的物理規律，才有力線和場這樣簡明而優美的概念。
法拉第同時還是一個出色的科普演講家。他的這個不懂數學的缺陷恰好被他的後來者麥克斯韋所彌補，建立了完美的電磁學理論。
同時，法拉第具有深刻的哲學思想和幾何學和空間上的洞察力。他的善於持久思考的能力，正好補償了他數學上的不足。
在他留下來的筆記中，有下面一段話：「我一直冥思苦索什麼是使哲學家獲得成功的條件。是勤奮和堅韌精神加上良好的感覺能力和機智嗎？……但是，我長期以來為我們實驗室尋找天才卻從未找到過。不過我看到了許多人，如果他們真能嚴格要求自己，我想他們已成為有成就的實驗哲學家了。」
開爾文勛爵對法拉第非常了解，他在紀念法拉第的文章中說：「他的敏捷和活躍的品質，難以用言語形容。他的天才光輝四射，使他的出現呈現出智慧之光，他的神態有一種獨特之美，這有幸在他家裡或者皇家學院見過他的任何人都會感覺到的，從思想最深刻的哲學家到最質樸的兒童。」
【麥克斯韋】
接下來要說的這個人，便是天才的麥克斯韋了。麥克斯韋出生於蘇格蘭愛丁堡的一個名門望族。他從小便顯露出出色的數學才能。他在14歲就在英國《愛丁堡皇家學會學報》上發表數學論文，獲得了愛丁堡學院的數學獎。後來，麥克斯韋給英國皇家學會送去了兩篇論文，但是皇家學會以「不適宜一個穿夾克的小孩登上這裡的講台」為理由讓別人代為宣讀論文。1850年，麥克斯韋考入了劍橋大學三一學院，主攻數學和物理。1854年以優異的成績畢業。1871年回到了母校擔任實驗物理教授。
法拉第精於實驗研究，而麥克斯韋擅長於理論分析概括，他們相輔相成，導致了科學上的重大突破。1855年，24歲的麥克斯韋發表了他的論文《論法拉第的力線》，對法拉第的力線概念進行了數學分析。1862年，他繼續發表了《論物理的力線》。在這篇論文中，他不但解釋了法拉第的實驗研究結果，而且還發展了法拉第的場的思想，提出了渦旋電場和位移電流的概念，初步提出了完整的電磁學理論。
1873年，麥克斯韋完成了電磁理論的經典著作《電磁學通論》，建立了著名的麥克斯韋方程組，以非常優美簡潔的數學語言概括了全部電磁現象。這一方程組有積分形式和微分形式。其積分形式有四個等式組成。
麥克斯韋方程組把電荷、電流、磁場和電場的變化用數學公式全部統一起來了。從該方程組可以知道，變化的磁場能夠產生電場，變化的電場能產生磁場，它們將以波動的形式在空間傳播，如圖8所示，因此麥克斯韋預言了電磁波的存在，並且推導出電磁波傳播速度就是光速，因此他也同時說明了光波就是一種特殊的電磁波。這樣，麥克斯韋方程組的建立就標誌著完整的電磁學理論體系的建立，《電磁學通論》的科學價值可以與牛頓的《自然哲學的數學原理》相媲美。
通過麥克斯韋的科學經歷，我們可以看到數學在物理學科中的重要作用。麥克斯韋精通數學，他用精確的數學語言把實驗結果升華為理論，用數學完美的形式使得法拉第的實驗結果更加和諧美麗，顯示了數學的巨大威力。
由於沒有實驗的驗證，麥克斯韋理論當時得不到大多數科學家的理解。物理學家勞厄說：「象赫爾姆赫茲和玻爾茲曼這樣有異常才能的人為了理解它也需要花幾年的力氣。」因此，支持他理論的科學家就更加少了。
1883年，赫茲注意到一個有關的新研究，有人提出，如果電磁波存在，那麼萊頓瓶在振蕩放電的時候，應該產生電磁波。1886年，赫茲在進行放電實驗時，發現近傍一個沒有閉和的線圈也出現了火花，他得到啟發，很快制出了可以檢測電磁波的電波環。電波環的結構非常簡單，在一根彎成環狀的粗銅線兩端，安上兩個金屬球，小球間的距離可以進行調整。赫茲經歷了無數次失敗，不斷改變實驗設計和裝置，反覆調整實驗儀器。終於觀察到，調節電波環的兩個金屬球之間的間隙，當感應圈兩極的金屬球之間有火花跳過時，可以使在電波環的間隙處也有火花跳過，這樣，他就終於檢測到了電磁波。
現在我們深深的知道麥克斯韋電磁理論的重大意義，不僅在於這個理論支配著一切宏觀電磁現象（包括靜電、穩恆磁場、電磁感應、電路、電磁波等等），而且在於它將光學現象統一在這個理論框架之內，深刻地影響著人們認識物質世界的思想。麥克斯韋理論也是把電磁學和量子學結合起來的橋樑。
這就是電磁學的發展史，像故事，像戰爭，像歌曲……總之喜歡的人永遠不會覺得這些描述很無聊，很平淡。甚至會覺得很美，也是心中的女神一般。還總是出現在夢裡。
粒子尺度下的兩種力。我們先來說說弱相互作用。我們現在知道了弱相互作用的理論指出，它是由W及Z玻色子的交換（即發射或吸收）所引起的，由於弱力是由玻色子的發射（或吸收）所造成的，所以它是一種非接觸力。這種發射中最有名的是β衰變，它是放射性的一種表現。
重的粒子性質不穩定，由於Z及W玻色子比質子或中子重得多，所以弱相互作用的作用距離非常短。這種相互作用叫做「弱」，是因為它的一般強度，比電磁及強核力弱好幾個數量級。
大部份粒子在一段時間后，都會通過弱相互作用衰變。弱相互作用有一種獨一無二的特性——那就是夸克味變——其他相互作用做不到這一點。另外，它還會破壞宇稱對稱及CP對稱。夸克的味變使得夸克能夠在六種「味」之間互換，這一點本身就說明了她與強相互作用力關係密切。
由於弱相互作用載體粒子（W及Z玻色子）質量很大（約90GeV/c2），所以他們的壽命很短：平均壽命約為3×10-25【10負25次方】秒。
弱相互作用的耦合常數（相互作用強度的一個指標）介乎107【10的負7次方】與106【10的負6次方】之間，而相比下，強相互作用的耦合常數約為1，故就強度而言，弱相互作用是弱的。
弱相用作用的作用距離很短（約為1017–1016m）。在大約1018米的距離下，弱相互作用的強度與電磁大約一致；但在大約3×1017的距離下，弱相互作用比電磁弱一萬倍。
在標準模型中，弱相互作用會影響所有費米子，還有希格斯玻色子；弱相互作用是除引力相互作用外唯一一種對中微子有效的相互作用。弱相互作用並不產生束縛態（它也不需要束縛能）——引力在天文距離下這樣做，電磁力在原子距離下這樣做，而強核力則在原子核中這樣做。
她最明顯的過程是由第一項特點所造成的：味變。比方說，一個中子比一個質子（中子的核子拍檔）重，但它不能在沒有變味（種類）的情況下衰變成質子，它兩個「下夸克」中的一個需要變成「上夸克」。由於強相互作用和電磁相互作用都不允許味變，所以它一定要用弱相互作用；沒有弱相互作用的話：夸克的特性，如奇異及魅（與同名的夸克相關），會在所有相互作用下守恆。因為弱衰變的關係，所以所有介子都不穩定。在β衰變這個過程下，中子裡面的「下夸克」，會發射出一個虛W玻色子，它隨即衰變成一電子及一反電中微子。
由於玻色子的大質量，所以弱衰變相對於強或電磁衰變，強度是比較低的，因此發生得比較慢。例如，一個中性π介子在通過電磁衰變時，壽命約為10-16秒；而一個帶電π介子的通過弱核力衰變時，壽命約為10-8秒，是前者的一億倍。相比下，一個自由中子（通過弱相互作用衰變）的壽命約為15分鐘。
接下來我看看最後一種力，強相互作用力。最早研究的強相互作用是核子（質子或中子）之間的核力，它是使核子結合成原子核的相互作用。自1947年發現與核子作用的π介子以後，實驗陸續發現了幾百種有強相互作用的粒子，這些粒子統稱為強子。作用距離第二短的。
核子之間的核力就是強相互作用。她抵抗了質子之間的電磁力，把質子和中子牢牢束縛在原子核內，保證了原子核內部的穩定。隨著研究的深入，我們知道了，強相互作用力跟夸克，膠子有密切關係。
也就是後來發現質子和中子都不是基本粒子，都是由更小的夸克粒子所組成。最基本作用力是將夸克束縛在質子和中子中的作用力，核子之間的強作用力其實是上述作用力的副作用。量子色動力學解釋夸克中帶有一種稱為色荷的物質（色荷和肉眼可見的顏色沒有任何關係）。帶有不同色荷的夸克因著強相互作用會互相吸引，其中的介質是一種稱為膠子的粒子。
可以這樣通俗的說，是膠子將夸克組合為強子。所以她是一種複合粒子。我們對於夸克的了解，就是通過強子來間接了解的。還不是直接觀測夸克的。這個我在一開始寫這本書的時候，提到過。
強相互作用比其他三種基本作用有更大的對稱性，也就是說，在強相互作用中有更多的守恆定律。強相互作用不像引力和電磁相互作用那樣是長程力而是短程力。但是它的力程比弱相互作用的力程長，約為10-15m。大約等於原子核中核子間的距離。
四種力，我已經給大家介紹完了。即使我找更多的資料，讓大家的理解和認識，也遠遠不夠。
我們所認知的四種基本相互作用：強相互作用，電磁相互作用，弱相互作用，引力。除去引力，另三種相互作用都找到了合適滿足特定對稱性的量子場論來描述。強作用有量子色動力學；電磁相互作用有量子電動力學，理論框架建立於1920到1950年間；弱作用有費米點作用理論。後來弱作用和電磁相互作用實現了形式上的統一，通過希格斯機制產生質量，建立了弱電統一的量子規範理論，即GWS（Glashow,Weinberg,Salam）模型。量子場論成為現代理論物理學的主流方法和工具。