科学中存在四大经典场:长距引力场、电磁场、短距强核场与弱核场

引力场和电磁场的区别,电磁场与引力场异同点

02 从碎片化世界到整体性世界

20世纪早期,科学中存在四大经典场:长距引力场、电磁场、短距强核场与弱核场。自20世纪中叶以来,这些“经典的”场被量子场论所预设的各种非经典的场连接起来了。然而,它们所预设的场对于在超小尺度的量子层级所能观察到的、如今在宏观尺度也能观察到的非定域性,并未提供恰当的说明。于是,科学所了解的场论中似乎便需要增加更深层次的东西。

当联系、相干性和共同进化是这个世界的基本特征时,这个世界就不可能是支离破碎的碎片化世界,而是一个整体性的世界。在这个世界上,非定域性不是基本的要素:那些出现在某个地点和时间的事物也会出现在其他地点和时间——在某种意义上,它们会出现在所有地点和时间。

世界的非定域性是根据当前的观察结果所做的推论,但是,根据目前仍然作为这些观察结果之基础的20世纪的范式,这种非定域性是无法得到说明的。因此,我们迫切需要有一种新范式来说明这种非定域性乃是一种基本特征——世界的这种范式内在地是非定域性的。而这样一种新范式如今正在科学探究的前沿逐渐出现。它以对各部分在整体内如何相互作用的新理解为基础;最终以我们对作为量子的和作为量子的协同作用之结果的宏观实体这样一些组成部分,如何在我们称之为“宇宙”的这种最大整体中相互作用的理解为基础。能够传递这种理解的科学意义和合法性的基本概念就是场。

场,牵一发而动全身的网

场是物理世界的真实要素,虽然其本身是不可观察的。它们就像一张非常精致的渔网,但其网线是我们所看不到的。然而,这张网上任何网线的扰动都会使所有其他网线产生相应的运动。

场本身是不可见的,但是它们能产生可被观察的效果。场与现象相关联。定域场在一个特定的时空区域与事物相关联,而普遍的场则在整个时空中与事物相关联。量子和量子构成的事物通过场而相互作用,并且它们之间也有普遍的相互作用。普遍的场是整个宇宙中的相互作用的媒介,并且它们起着非定域性的媒介作用。

科学中的四大经典场

科学中预设的第一个场是为描述事物跨越空间相吸引的现象而提出的。超距作用是无法被人们接受的——爱因斯坦甚至对远距离发生的事件之间不存在某种联系形式也感到很不满意,因此,他称之为“幽灵”。然而,事物确实能跨越空间而相互吸引,并且经典物理学为此提出了场的概念,即引力场。

19世纪早期,引力场被假定为由空间中大量的点所构成,并且在特定的空间区域中作用于每一个点。后来,场的概念被加以扩展,电磁现象也被包括在内。1849年,迈克尔·法拉第以在给定时间内由所有电荷和电流产生的电磁场取代了电荷和电流之间的直接作用。

1864年,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦走得更远,他提出了关于光的电磁理论。这里的电磁场(EM feld)是普遍的,它可以说明任何地方所发生的电磁现象。这些被观察到的现象与普遍的电磁场中以有限的速率所传播的波有关。

到20世纪早期,物理学已经认识到四种普遍的场,即长距引力场、电磁场、短距强核场与弱核场。自20世纪中叶以来,这些“经典的”场被量子场论所预设的各种非经典的场连接起来了。

时空的描述者——量子场

量子场是复杂的存在:它们不仅描述时空之中的现象,而且描述时空本身。这些现象不是该词传统意义上的物质。自20世纪中叶以来,世界上已经没有任何东西在小尺度的观察之下还能被量子物理学家确认为是“物质”。过去和现在都只有处于激发态的场,它们具有表现为物质实体的激发态。

粒子和力乃是潜在的场的激发态。那些普适的力被描述为杨-米尔斯场,它取代了经典的电磁场。3而量子反过来则被描述为所谓的“费米场”(Fermionic felds),赋予量子以质量的那些难以捉摸的粒子则构成了希格斯场,这是一种不可见的能量场,它存在于整个宇宙之中。归根结底,所有物理现象都是“场的激发态”,是其在时空中的振动模式。

空间本身不是场方程中的自变量,因而其不能被当作宇宙中的独立要素。正如弦论中所描述的那样,空间结构直接地依赖于那些规定经典物理学称之为质点的物质得以存在的条件。时空作为整体是由场所产生的。

根据量子理论,小尺度空间不是平的,甚至在没有质量时也不是平的:它构成了沸腾的“量子泡沫”。数学上难处理的无穷大与这种量子泡沫有关联(在一种想要描述有限宇宙的理论中存在无穷大的概念,恰恰让这种相干性消失了),而弦论的发展就是要解决这些无穷大问题。该理论通过“模糊”空间的短距属性,使量子躁动趋于平滑而使其消除。在这一背景下,宇宙的基本存在就成为振动的弦,它们表现为粒子是因为使用仪器不可能探测到所要求的尺度。(当前的技术只允许测量到10-18m,而普朗克尺度则要求弦现徊表现在10-35m的尺度上。)如果情形正如此,那么粒子就是由我们的观察系统的局限性所产生的副现象。

弦取代了大量的粒子,而根据广义相对论,这些质量使得四维的时空模型弯曲了。(广义相对论是关于引力的几何理论,由爱因斯坦在1916年提出。它对引力进行了一种统一的描述,把它描述为通常叫作时空的四维矩阵的内在几何属性。)电子、μ介子和夸克,以及整个玻色子(光和力粒子)和费米子(物质微粒)都不是粒子,而是依照时空的几何学所界定的振动形态。根据形式复杂的弦论,时空是“具有弦性的”:空间的相对点本身是超弦。真空是低振动态,是卡拉比-丘成桐空间中的“空洞”,这种现象在经典物理学中被视为粒子,出现在卡拉比-丘成桐空洞的各种界面交集之中。

虽然对理解时间和空间中的现象而言,相对论以及量子场论是高度复杂的体系,然而,它们所预设的场对于在超小尺度的量子层级所能观察到的、如今在宏观尺度也能观察到的非定域性,并未提供恰当的说明。这样一来,科学所了解的场论中似乎便需要增加更深层次的东西。我们下一步需要探究的正是这种“缺少的场”的性质。