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第11章 走入歧途（第1页）

第11章　走入歧途

问一个很难的问题

到目前为止，本书都在随意地使用“粒子”这个词。现在是时候确定下来了。如果想认真地讨论粒子物理，就需要确定我们谈论的“粒子”究竟是什么。

物理学家给粒子下的最简单的定义是：“稳定而不自发分裂的东西。”从这个意义上讲，你的身体就是一个巨大的粒子，因为你的手臂（通常）不会随机地分裂，所以你符合这个定义。

当然，你的身体是一种复合粒子，因为人体倾向于保持稳定，但也可以分解成更小的粒子—器官，器官也很稳定。器官可以分解成叫作“细胞”的粒子，而细胞又可以进一步分解成分子和原子。原子由质子、中子和电子组成。

据我们所知，电子不能继续分解成更小的物质。电子不是由“亚电子粒子”构成的，却能保持稳定。电子不同于原子、分子和细胞，它是一种非常特殊的粒子。它没有亚结构，因此是真正的基本粒子。

了不起的法拉第先生

基本粒子的故事起源于19世纪初，当时最伟大的科学表演者迈克尔·法拉第开启了它。法拉第生长在贫穷的铁匠家庭，但他相信科学属于任何对它感到好奇的人。为此，法拉第开始在英国皇家研究所发表关于科学的公开演讲，他讲的化学反应和物理现象给听众留下了深刻的印象。正是在这些演讲中，他最早揭示了对磁的发现。磁是一种独特的力。

磁可以穿越真空，可以吸引或排斥其他磁体，而不需要中间任何东西传递信号。磁力也可以穿过实体屏障，这是很特殊的，因为其他力都必须通过推拉与物体直接接触（1）。

今天我们生活在手机和Wi-Fi（无线网络）被普及的世界里，所以磁似乎没什么了不起的，但在19世纪初，不通过接触就能影响事物，这种概念无异于巫术。为了解释磁铁的工作原理，法拉第让人们把磁想象成由“场”构成，而不是由物质构成的。

每个磁体都会在周围的几何空间里产生无形的畸变，而其他磁体可以锁定这种畸变。这些畸变的空间决定了穿过其中的粒子的行为，但这种畸变本身不是由物质构成的。

也就是说，场是一种非物质、类流体的结构，它告诉其中的粒子如何运动。某一处的场可能比其他地方更强，但你无法直接看到它，只能看到它的影响。

这个想法真让人眉头一紧，因为我们已经熟知一种物体由其他物体构成。一种不由物质构成的东西很难让人接受，但场似乎就是这样。这样看来，真空并非没有属性。

这让我想起一个笑话：你听说过获得诺贝尔奖的稻草人吗？他在自己的领域里出类拔萃。（2）

我不准备为这个笑话道歉，就像迈克尔·法拉第也不会因为在物理学中引入“场”而道歉。如果没有场，我们就无法解释磁、电荷或引力。更重要的是，场使我们能相互通信。

一个场还是两个场，牧师？

如果你拿一块磁铁上下摆动，会在磁场中创造一个垂直的波，但你创造的东西并不是只有这些。法拉第发现，你的这一举动同时还在电场中产生了一个扰动，与原来的磁扰动呈直角。

然而，该电场的波动也会对磁场产生反作用。磁场又会再次振动，从而扰动电场。接下来，电场会继续投桃报李，不断地搅动磁场。

最开始你在磁场中创造了波。当电场与磁场一起振动并相互干扰的时候，波也随之传播。

我们把这些波叫作“电磁波”，在示意图中用起伏的曲线表示。电场与磁场的指向呈90度角，如下图所示（电场是纵轴E上的波，磁场是横轴M上的波）。

把磁场和电场分开似乎不可能，因为当其中一个场振动时，另一个也会振动。所以有时候我们会把它们统称为“电磁场”，而不是相互关联的两个场。

你可以想象，用于描述这些交叠场的数学方法极其复杂。空间中的每一个点都需要被赋值，这些值告诉我们该点将如何影响入射的粒子。

我们可以想象场中的每个点上都有一个微小的箭头（即“矢量”），它指向粒子被推的方向。我们必须考虑电场矢量和与之成直角的磁场矢量，它们都会影响入射粒子的运动。

现在想象一下，当你移动一个磁体，在电磁场中产生了一个波，会发生什么？追踪无穷多个箭头，每个箭头的方向和大小都在改变，并且会旋转90度。这不是简单的任务，尤其是对法拉第来说，他根本没有在学校里学过数学，除了分数，他什么都不会。

当人们开始对场论提出质疑的时候，年轻的苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦挺身而出，帮助法拉第计算出场论所需要的数学公式。

麦克斯韦方程有助于精确地预测电场和磁场的相互作用，而且方程与数据吻合。法拉第对场的感情终于得到了回报，坦白说，这只是时间问题。

麦克斯韦方程也做出了一个惊人的预测。它证明电磁波以极特殊的速度在空间中传播：299，792，458ms。看起来很熟悉吗？当然，它就是光速。

光彩夺目

1864年某个周六的晚上（准确地说是4月11日），法拉第陪着他的朋友查尔斯·惠斯通去了皇家研究所的演讲厅。本来惠斯通要做一个公开演讲，但他突然恐慌起来，撇下法拉第独自跑出了大楼。为了不让听众失望，法拉第决定即兴演讲，阐述了他最近一直在思考的一个想法。[1]