1/1麥克斯韋方程組150年：公式也可以很美麥克斯韋方程組與電磁波理論告知我們，最革命性的發覺往往不是由于你想要它消失才消失的。

:MarianneFreiberger

詹姆斯克拉克麥克斯韋（1831-1879）

剛過去的2023年頗有紀念意義：我們慶祝了愛因斯坦的廣義相對論的百周年，然后是喬治布爾（GeorgeBoole）的誕辰200周年生日，他創造的布爾代數推動了現代計算機的進展。然而，不要忘了還有第三件值得紀念緬懷的事：2023年也是麥克斯韋方程組確立150周年，不管是對于我們對宇宙的理解，還是對于現代科技的進展，這一方程組都意義重大。

約150年前，蘇格蘭物理學家詹姆斯克拉克麥克斯韋（JamesClerkMaxwell）找到了聯系電與磁的方法，而此前這兩者好像毫無干系。1865年，麥克斯韋發表了一組方程來描述全部的電磁現象，方程組亦被命名為電磁方程組。名字聽起來有些奇幻，但電磁現象確與我們的日常生活息息相關：光使我們觀察了周邊世界，電視與收音機消遣了我們的生活，wifi與移動電話信號讓我們彼此相連，而它們都是電磁波。應用電磁方程組的物理技術領域實在太多，我們無法一一列舉。

追趕電磁波

單就電或磁本身而言，科學家們對它們的熟悉已經有很長一段時間了。"電（electricity）與磁（magnetism）的英文單詞源于古希臘語，'倫敦國王學院克拉克麥克斯韋理論物理學教授約翰埃利斯（JohnEllis）解釋道（麥克斯韋此前也是這里的一名教授），"直到18世紀，人們才真正開頭逐步去了解電磁現象。而在19世紀早期時，科學家們才意識到，電與磁之間必定存在某種關聯。'到19世紀中葉，包括邁克爾法拉第（MichaelFaraday）在內的試驗物理學家們找到了這二者間存在聯系的準確證據。他們證明，電流能產生磁場，移動的磁體也會產生電流。

"諸多理論各執一詞，而麥克斯韋的消失才使這一切現象得到了解釋，'埃利斯說，"他向人們展現了如何用聯系的方法去描述電與磁。'

麥克斯韋方程組

麥克斯韋的一個重大猜測就與上文提到的電磁場有關。電磁場并非靜態不變的，而是像波一樣消失周期性的振蕩變化，并在空間中傳播。麥克斯韋方程組猜測，電磁場中的振蕩是相互制約的，進而得出電磁波會在空間中高速傳播的結論。

"人們在聽到波這個詞時，往往會想到水波或聲波，'埃利斯說道，"電磁波聽起來有些抽象，但它們的表現形式特別詳細。比如，燈管發出的光波或收音機傳導的無線電波等，這些都是電磁波，它們都是以麥克斯韋方程組為基礎猜測出來的產物。'

依據這些方程，麥克斯韋就能夠計算出電磁波在真空中的傳播速度究竟有多快，以回答困擾人們許久的問題。"此前，科學家就知道光的傳播速度特殊特殊快，但也應當有一個上限，'埃利斯解釋道，"光從A傳播到B確定需要肯定時間，諸多試驗已經證明這一點。麥克斯韋解出麥克斯韋方程組，計算出光速正確數值約為310^8米每秒的那一刻，肯定科學史上最感動人心的瞬間之一（這種靈光乍現的瞬間在英語里被稱為theEurekamoment，緣起于阿基米德發覺浮力定律時所說之話"Eureka!/我明白了！'

雖然結果鼓舞人心，但直到25年后才有人通過試驗證明電磁波在物理上的確存在。"海因里希赫茲（HeinrichHertz）證明白電磁波的物理實在性：他在試驗室里產生了周期性振蕩的電流，然后隔空在接收器中檢測到了相應的無線電波信號，'埃利斯解釋道，"你或許會認為這只是在試驗室里的奇怪???嘗試，但是沒過多久，古列爾莫馬可尼（GuglielmoMarconi）就勝利讓無線電波穿越了大西洋，徹底變革了人類溝通的方式而全部這些都可以溯源至麥克斯韋方程組。'

追求統一

盡管麥克斯韋方程組的實際應用特別廣泛，但許多物理學家慶祝其周年紀念還有更為重要的緣由：它引導著我們更加深刻地理解我們所生活世界的本質。"宇宙的確錯綜簡單，'埃利斯說道，"但我們物理學家的工作就是搞清晰它是如何運轉，又是如何演化成現在的樣子的。所以我們試圖查找不同現象之間的聯系，或者它們背后隱蔽的緣由這就是所謂的統一（unification）。用統一化的方法去描述自然的各個層面，是物理學家的永恒追求。理解宇宙中發生的各個大事之間有著隱蔽的聯系給我們帶來了智力滿意感，同時電磁波的消失也給整個社會帶來了難以想象的巨大變化。'

約翰埃利斯（JohnEllis）

麥克斯韋時代之后，基礎物理學又走過了長長的道路。20世紀30年月末期，科學家們意識到，除了電磁力與引力（17世紀牛頓發覺了萬有引力，1915年愛因斯坦完成廣義相對論，指出引力是空間與時間彎曲產生的一種影響）之外，宇宙中還存在其他的基本作用力。他們先后發覺了使原子核中的質子和中子聚合在一起的強相互作用（strongnuclearforce），以及解釋某種放射性衰變的弱相互作用（weakforce）。對20世紀物理學家而言，下一步的重任則是他們能否更深刻地將這兩種新的基本作用力。'埃利斯說道。

為描述弱相互作用，物理學家采納了與電磁理論類似的理論，最終在終極統一理論的道路上更進了一步。他們認為，弱相互作用和電磁相互作用其實如同同一枚硬幣電弱相互作用（electroweakforce）的正反面。這個想法有些匪夷所思，由于弱相互作用的表現既不同于電又不同于磁。正如"電弱相互作用'的名字所揭示的那樣，這種相互作用的確弱一些。它的作用范圍僅在3x10^-17米以內，在原子核尺度上弱相互作用僅相當于電磁相互作用的10000分之一。"假如它不夠弱，生命可能就無法存在。'埃利斯說道，"不是說沒有它我們會死，而是沒有它我們根本就不行能誕生。假如電弱相互作用并不弱，宇宙可能是截然不同的另一番模樣。'

電弱統一的觀點認為，電磁相互作用與弱相互作用在宇宙形成的最初階段具有肯定的相像性，在大爆炸之后的一段時間，隨著宇宙的冷卻，這兩種作用才慢慢分別開來，最終變得截然不同。這種想法聽起來有些驚奇，但也并非完全生疏：想想水結冰時所經受的變化，或許就能從肯定程度上理解。

電弱統一理論于20世紀60年月被提出，用一個統一的數學框架描述了電磁相互作用與弱相互作用。"這些相互作用的基本描述特殊類似于麥克斯韋方程，所以它是一種統一理論，'埃利斯解釋道，"這組方程形式上更簡單，但是從理論上來講，它們又特別簡潔，由于對稱性將它們關聯起來。'

之所以我們今日所觀察的四種基本相互作用彼此不同，可以解釋為原本存在的對稱性被隱蔽了。這一思想同樣可以用水作為例子來說明：用于描述水自然規律在各處都一樣，也并不偏向于空間上的某一特定方向，這也是為什么這片海洋里的水和那片海洋里的水看起來都一樣，而且不管從哪個方向看都是如此。然而，水結冰形成冰山以后就完全不一樣了，它們好像沒有了以上的對稱性：沒有兩座冰山看起來完全一樣的，旋轉對稱的冰山也少之又少。但水的對稱性（即不隨著位置或者方向而轉變的特性）并非消逝了，它依舊存在，只是隱蔽在幕后。

回到相互作用結果表明，每種相互作用都是通過"信使'粒子玻色子傳導的。最初，全部的"信使'粒子都是完全沒有質量的（實際上，宇宙中全部粒子都是如此）。但隨著宇宙的冷卻，物質開頭凝聚成各種不同的形態，弱相互作用的"信使'粒子（以及其他粒子）獲得了質量，而電磁相互作用的"信使'粒子依舊沒有質量。弱玻色子太"重'，以至于很難產生，這也是弱相互作用之所以這么弱的緣由。"假如那些粒子并不重，那么弱相互作用與電、磁一樣重要，我們就都要被肢解了。'埃利斯說道。

發覺新粒子

最開頭，這一理論并未引起關注，但是在20世紀70年月以后，理論與試驗結果都進一步支持了這一理論。"我是1975年開頭涉足這方面討論的。我認為這些傳遞弱相互作用的重"信使'粒子確定存在，所以總會有人發覺它們。'埃利斯說道，事實證明他是對的。傳遞弱相互作用的重玻色子（又稱為Z玻色子和W玻色子）于1983年在歐洲核子討論中心（CERN）被發覺。而最重要的玻色子莫過于希格斯玻色子（Higgsboson），它在某種意義上是打破電弱統一理論對稱性的媒介，因此可以被看做是粒子物理學的圣杯。我與瑪麗蓋拉德（MaryGaillard）以及DimitriNanopoulos也曾合作了一篇論文，爭論這種玻色子會是什么形態的。最終，在2023年，大型強子對撞機（LHC）中的試驗發覺了希格斯玻色子，完成了電弱統一圖景，換句話說，也就是對稱性及其被打破的過程。

電弱統一是理論物理的巨大成功。謝爾登格拉肖（SheldonGlashow）、阿卜杜勒薩拉姆（AbdusSalam）和史蒂文溫伯格（StevenWeinberg）完成了電弱統一的理論架構，弗朗瓦索恩格勒（Fran?oisEnglert）和彼得希格斯（PeterHiggs）描述了質量相關對稱破缺機制，他們均因此獲得了諾貝爾物理學獎。同麥克斯韋與埃利斯一樣，希格斯也在倫敦國王高校度過了一段美妙時間，不過是作為同學而非老師。

對統一理論的追求從麥克斯韋開頭，至今仍遠沒有結束。物理學家們盼望能證明全部的作用力（包括強相互作用與引力）都曾是同源，只是由于大爆炸后宇宙冷卻才被迫分開。這個雄偉的大統一目標令人生畏至少引力就是個大難題。

與此同時，這些理論性討論能否產生實際利益呢？"現在，政府總是傾向于以導向性的方式資助討論項目，'埃利斯說，"他們想要新產品，所以他們更情愿資助能產生新產品的科學家。但麥克斯韋方程組與電磁波理論告知我們，最革命性的發覺往往不是由于你想要它消失時才消失。通常，物理學中的基礎發覺，往往會在意想不到的方面催生頗