物理学最重要的 3 个问题（中篇）

luyuanhong

物理学最重要的 3 个问题（中篇）

原创 通才讲堂 通才讲堂 2024 年 07 月 23 日 08:01 北京

物质如何相互作用？

物质相互作用的问题涉及自然界中的基本力和它们如何影响物质的行为。研究物质相互作用帮助我们理解从微观粒子到宏观天体的现象。

牛顿：引力

万物之间都有引力！

艾萨克·牛顿，17 至 18 世纪英国数学家、物理学家和天文学家，人类历史上最伟大的物理学家。牛顿出生在英格兰的林肯郡，他最初在家乡的学校接受教育，后被送往剑桥大学的三一学院学习。在剑桥，牛顿展现出了他在数学、物理和天文学方面的非凡才能。1665 年，因大瘟疫蔓延而导致学校关闭，牛顿返回家乡期间进行了一系列的实验和理论创新，这成为他科学生涯的关键时期。



牛顿生活的 17 世纪是科学、政治和文化等多方面经历深刻变革的一个世纪，尤其是在英格兰。这一时期，欧洲经历了宗教、科学和哲学上的重大转变，被后人称为“科学革命”。伽利略通过实验揭示了物体自由落体的规律，开普勒则提出了行星运动的三大定律。然而，对于为什么行星按照这些定律运动，科学界尚无统一的解释。

牛顿的万有引力定律彻底改变了人们对宇宙的理解。牛顿提出的万有引力定律阐述了任何两个物体之间都存在引力，这种力的大小与它们的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反比。这一定律不仅解释了地球上的物理现象，如苹果落地，也解释了天体，如行星绕太阳运行的规律。

如果说我看得比别人更远些，那是因为我站在巨人的肩膀上。 ——牛顿



例如，牛顿的万有引力定律可以解释月球绕地球运行的现象。根据这一定律，地球和月球之间的引力确保了月球不会直线飞离地球，而是沿着一个近似圆形的轨道绕地球旋转。



牛顿的万有引力定律和他的三大运动定律一起，构成了经典力学的基础，使得物理学成为一门具有统一理论体系的科学，对后来的科学和工程学产生了深远的影响。

麦克斯韦：电磁力

统一电学和磁学！

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，19 世纪的英国物理学家。麦克斯韦出生在英国苏格兰爱丁堡一个富裕的家庭，自幼展现出惊人的数学和科学才能。他在爱丁堡大学和剑桥大学三一学院接受教育。1871 年，他成为剑桥大学卡文迪许实验室的首任主任，推动了实验物理学的发展。麦克斯韦于 1879 年去世，但他的科学遗产继续影响着现代物理学的发展。



人类很早就发现了磁铁之间的吸引力，和一些简单的静电现象。到了麦克斯韦生活的 19 世纪中叶的工业革命时期，电学和磁学研究已经取得了重大进展。汉斯·奥斯特发现了电流产生磁场的现象，迈克尔·法拉第发现变化的磁场周围会产生电场，但人们对这两种现象之间的联系缺乏清晰的理解。

通过研究，麦克斯韦成功地统一了电学和磁学理论，提出了描述电磁场的四个基本方程组——麦克斯韦方程组。这四个方程描述了电场、磁场以及它们如何随时间变化和相互作用的基本原理。例如，麦克斯韦方程组可以解释如何通过变化的电场产生磁场，以及变化的磁场如何产生电场。



这种相互作用可以在电磁波的传播中观察到，比如，当一台无线电发射器通过振荡电路产生变化的电场时，这些变化的电场又产生变化的磁场，从而产生能够穿越空间的电磁波。



这一理论不仅解释了电磁波的本质，也预言了电磁波的存在，并表明光就是一种电磁波，这为后来无线电、雷达、电视等技术的发展奠定了理论基础。麦克斯韦的电磁理论被认为是物理学史上仅次于牛顿力学和爱因斯坦相对论的第三大里程碑。

后来，人们发现，日常生活中可以感受到的所有力，除了重力以外，其他都是因为电磁力而造成，所有的化学现象也都是由电磁力而来。

到了 20 世纪，物理学家们发现自然界中只有 4 种基本力，除了引力和电磁力之外，还有强力（强相互作用）和弱力（弱相互作用），它们主要作用在原子核内。强力是最强的基本力，束缚质子和中子在一起，克服了质子之间的电磁排斥力，使原子核稳定。弱力比强力弱很多，但对粒子的衰变和核反应起重要作用。



杨振宁：规范场论

统一了三种基本力！

杨振宁，依然在世的中国物理学家。他出生于中国安徽省合肥市的一个书香门第。他毕业于西南联合大学，并获得清华大学硕士学位。随后，他赴美国芝加哥大学深造，师从著名物理学家费米。杨振宁与李政道合作，通过对弱相互作用的研究，发现了宇称不守恒现象。此后，杨振宁和米尔斯合作，提出了杨-米尔斯理论。



20 世纪中期是物理学发展的黄金时期。继牛顿经典力学和爱因斯坦相对论之后，量子力学和量子场论在解释微观粒子行为方面取得了显著进展。随着实验技术的进步，科学家发现了大量新的粒子，这些粒子难以用当时的理论框架进行解释。粒子物理学家致力于寻找统一的理论框架，以描述基本粒子及其相互作用。



1954 年，杨振宁与罗伯特·米尔斯共同提出了杨-米尔斯理论，解释基本粒子之间的相互作用。杨-米尔斯理论的核心在于，基本粒子的相互作用可以通过引入规范场来描述。

杨-米尔斯理论构成了理解粒子物理学的标准模型的基础。标准模型对所有已知的基本粒子进行分类，且描述宇宙中已知的 4 种基本力中的 3 种，电磁力、弱力和强力。标准模型认为，电磁力通过光子传递，弱力通过 W 和 Z 玻色子传递，强力通过胶子传递。



杨振宁的规范场论是科学史上的一个里程碑，它不仅解释了大量实验现象，还预测了新的粒子，如 W 和 Z 玻色子，这些粒子在后来的大型强子对撞机实验中被成功发现。

通才讲堂