科学百科46期丨“统一场论”是什么？

本期为大家带来：

《你知道吗——现代科学中的100个问题》

本书是阿西莫夫的优秀作品之一。
作者以通俗的语言，深入浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。
其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。
作者对这些问题的来龙去脉，它们目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。

▼

第四十六个问题： “统一场论”是什么？

在十九世纪中期，人们就已经知道了四种能越过真空发生作用的现象。它们是：

（1）引力；（2）光；（3）电吸引和电排斥；（4）磁吸引和磁排斥。

乍一看来，这四种现象彼此之间似乎根本无关，似乎没有什么必然联系。然而，在1864年到1873年这段期间内，苏格兰理论物理学家麦克斯韦从数学角度分析了电与磁的现象。

他发现自己得出了一些带有根本性的关系式——麦克斯韦方程组，它们既可以用来描述电现象，又可以用来描述磁现象，这证明两者是互相关联的。只要发生某种电现象，就必不可免地要发生某种确定的磁现象，反过来也是这样。

换句话说，我们可以提出一种叫做“电磁场”的提法。这种电磁场存在于真空中，并在接触到空间中的一个物体时，就按照它自己在接触点上的场强来影响这个物体。

不仅如此，麦克斯韦还证明，如果设法使电磁场以规则的方式发生振动，它就会从这个振动中心向各个方向送出一种辐射，辐射的速度等于光的速度。光本身就是这样的一种“电磁辐射”。

麦克斯韦还预言存在着其他形式的光，不过它们的波长分别要比普通光长得多或短得多。二十多年以后，这两种光都被人们发现了。现在我们总是说整个“电磁波谱”。

因此，本节开始时所提到的四种现象中，有三种（电、磁、光）已经结合成为一种场了。但还有引力场没有被考虑到。这样，我们就还有：（1）电磁场；（2）引力场。它们看起来似乎是两种无关的场。

然而，物理学家认为，如果只存在一种场（这就是“统一场”），事情就会简单得多，因此，他们一直在寻找一种既能描述电磁效应，又能描述引力效应的理论，以便能够用一种场的存在去描述另一种场存在的本性。

不过，现在看来，即使发现了这种能把电磁效应和引力效应结合起来考虑的方程组、我们也还是没有找到真正的统一场：自1935年以来，又发现了两种新的场。这两种场都只对亚原子粒子才有影响，而且只在不大于原子核直径的距离内才起作用，它们就是“强相互作用”和“弱相互作用”。

真正的统一场论必须能把已知的这四种场都解释清楚才行。