人们常说,继库仑(Charles Augustin de Coulomb)、高斯(Carl Friedrich Gauss)、安培(André Marie Ampère)、法拉第(Michael Faraday)发现了电学和磁学的四条实验定律之后, 麦克斯韦(James Clerk Maxwell)引入了位移电流,在他的麦克斯韦方程组中实现了电磁学的伟大综合。这种说法不能说是错的,但它并没有道出微妙的几何和物理直觉之间的关联,而正是这种关联促使场论在 19 世纪取代了超距作用的概念,也正是它带来了 20 世纪粒子物理中非常成功的标准模型。
01 19 世纪的历史
1820 年奥斯特(Hans Christian Oersted,1777—1851)发现电流能使其附近的小磁针偏转。这一发现使整个欧洲科学界大为振奋,带来的结果之一是安培(1775—1836)关于“超距作用(action at a distance)”的成功理论。在英格兰,法拉第(1791—1867)也因为奥斯特的发现而激动不已,但他缺乏足够的数学训练,所以无法理解安培的工作。在 1822 年 9 月 3 日写给安培的一封信中,法拉第叹息道:“很不幸,我不具备足够的数学知识,也不具备自如地进行抽象推理的能力。我只能从那些相互密切关联着的事实中摸索出自己的道路。”[1]
汤姆孙(1824—1907,后来被称为开尔文勋爵)是一个神童。当时他担任格拉斯哥大学教授已经八年了。麦克斯韦找对了人:1851 年汤姆孙引进了今天我们称之为矢量势的 A ,从而将磁场表示为
(1)
我们接下来会看到,这个方程对麦克斯韦来说具有重大意义。
我们不知道汤姆孙是如何答复麦克斯韦的。我们只知道,仅仅一年多后,麦克斯韦在他的文章里就利用方程(1)阐明了法拉第的电紧张态的含义。这篇文章是他那永远改变物理学和人类历史的三篇伟大论文中的第一篇。它们和麦克斯韦的其他一些作品可见于尼文(William Davidson Niven)在 1890 年编辑的两卷本文集《麦克斯韦科学论文集》(Scientific Papers by James Clerk Maxwell,以下简称 JM )。
这篇发表于 1856 年的文章充满了数学公式,所以比法拉第的 ER 易读。它的主要结论包含在文章的第二部分,题为“法拉第的电紧张态”。在这部分(JM 的第 204 页)我们注意到一个方程,用今天的矢量形式写出来是
将法拉第不可捉摸的电紧张态概念(或者称为电紧张强度、电紧张函数)等同于方程(1)中汤姆孙的矢量势 A ,这件事在我看来是麦克斯韦科学研究中的第一个重大观念突破。对方程(2)左右两边都取旋度,我们得到
(3)
这正是法拉第定律的现代形式。它的另一种现代形式是
(4)
这里 dl 是线元,dσ 是面积元。麦克斯韦没有以方程(3)和(4)的形式写下法拉第定律,因为他的主要目的是给予法拉第的不可捉摸的电紧张态一个精确定义。矢量势 A 这一概念确实在麦克斯韦一生的思想中处于一个核心位置。
用今天的术语来说,麦克斯韦知道方程(1—3)里含有规范自由度(gauge freedom), 也就是说,给 A 加上任意一个标量函数的梯度并不会改变最后结果。在 JM 第 198 页的定理 5 中,他明确讨论了规范自由度。那么在方程(1—3)中他采用了什么规范呢?他没有讨论这个问题,而是完全保留着 A 的不确定性。我的结论是:麦克斯韦默认存在 A 的某个规范使得方程(1—3)成立。
麦克斯韦也完全意识到将法拉第的电紧张态等同于汤姆孙的矢量势 A 这件事的重要性。他担心由此可能会引起和汤姆孙之间的优先权问题。所以,他以如下评论结束第一篇文章的第二部分:
麦克斯韦为这类复杂的涡旋群提供了一个明确的例子,见图 3 。对此,他在 JM 的第 477 页详细写道:
以 AB(插图页 VIII,488 页,图 2)表示从 A 到 B 的电流。以 AB 上方和下方的较大空白区域表示涡旋,并以分隔这些涡旋的小圆圈表示它们之间的粒子层, 在我们的假说里这些粒子代表电现象。
现在让一个电流从左向右通过 AB 。这将带动 AB 上方 gh 行的涡旋开始逆时针运动。(我们记作“+”方向,相反方向记作“-”方向。)我们可以设想 kl 行的涡旋还处在静止状态,这时,两行之间的粒子层的下方在 gh 行涡旋的带动下开始运动,而上方尚处于静止。如果它们可以自由移动,它们将会朝负方向旋转,同时从右向左运动,或者说朝着 AB 电流的相反方向运动,它们形成了感生电流。
当我提及“场的能量”时,这个词指的就是它的字面含义。所有形式的能量都和力学能量一样,不论它以动能的形式、弹性能的形式、还是以其他形式存在。电磁现象中的能量也是一种力学能量。唯一的问题是:它储存在何处?在过去的理论里它存在于带电体、导电回路和磁体中,其形式是“势能”,或者说是一种产生超距作用(effects at a distance)的能力,而其本性则是未知的。在我们的理论中,能量不仅存在于带电体和磁体中,也存在于它们周围空间里的电磁场中。其存在方式有两种,不需要引入任何假说,它们可以被描述为电极化和磁极化;如果进一步引入一种非常可信的假说,它们可以被描述为同一种媒质的运动和应变(strain)。(JM,564 页)
一方面,由于重整化程序在 QED 中的极大成功;另一方面,由于实验上更多新粒子被发现,人们试图推广场论,以便用于描述所有这些新粒子间的相互作用。标量介子场的矢量形式的相互作用,赝标量介子场的赝标量形式的相互作用,诸如此类的模型,以及其他奇特而难懂的理论在文献书籍中频繁出现。然而,这些努力并没有为理解自然界的相互作用带来根本的进展。另外一些人热心于寻找场论的替代品,但同样没有取得真正的突破。
[1] James F A J L(ed.). The Correspondence of Michael Faraday,Vol.1. Institution of Electrical Engine
[2] Larmor J. Proc. Cambridge Philos. Soc.,1936,32:695. p.697
[3] Kinoshita T. in Proceedings of the Conference in Honour of the 90th Birthday of Freeman Dyson. Phua K K et al(eds.). World Scientific,2014. p.148
[4] 关于这件事及其后续历史,参见杨振宁发表于此书的文章:HermannWeyl,1885—1985:Centenary Lectures. Chandrasekharan K(ed.). Springer,1986. p.7;以及文章:Wu A C T,Yang C N. Int. J. Mod. Phys. A,2006,21:3235
[5] Yang C N,Mills R. Phys. Rev.,1954,95:631
[6] 费米原始论文的英文翻译见于:Wilson F L. Am. J. Phys.,1968,36:1150
[7] Schilpp PA(ed.).Albert Einstein:Philosopher-Scientist.Open Court,1949. 这两段话摘自爱因斯坦在 1946 年(当时他 67 岁)的自述
[8] Wu T T,Yang C N. Phys. Rev. D ,1975,12:3845