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科学百科46期:“统一场论”是什么?

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科普科幻文学创作者必须具有比较丰富的文史知识和科学知识作为基础,才能创造出优秀的作品。为了让大家更方便快捷去接触了解这些资料,《高校科幻》平台每周会推送一篇科学知识相关的干货文章供大家欣赏学习。

本期为大家带来:

《你知道吗——现代科学中的100个问题》

本书是阿西莫夫的优秀作品之一。

作者以通俗的语言,深入浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。

其中,有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识,如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地,如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。

作者对这些问题的来龙去脉,它们目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。

第四十六个问题“统一场论”是什么?

在十九世纪中期,人们就已经知道了四种能越过真空发生作用的现象。它们是:

(1)引力;(2)光;(3)电吸引和电排斥;(4)磁吸引和磁排斥。

乍一看来,这四种现象彼此之间似乎根本无关,似乎没有什么必然联系。然而,在1864年到1873年这段期间内,苏格兰理论物理学家麦克斯韦从数学角度分析了电与磁的现象。

他发现自己得出了一些带有根本性的关系式——麦克斯韦方程组,它们既可以用来描述电现象,又可以用来描述磁现象,这证明两者是互相关联的。只要发生某种电现象,就必不可免地要发生某种确定的磁现象,反过来也是这样。

换句话说,我们可以提出一种叫做“电磁场”的提法。这种电磁场存在于真空中,并在接触到空间中的一个物体时,就按照它自己在接触点上的场强来影响这个物体。

不仅如此,麦克斯韦还证明,如果设法使电磁场以规则的方式发生振动,它就会从这个振动中心向各个方向送出一种辐射,辐射的速度等于光的速度。光本身就是这样的一种“电磁辐射”。

麦克斯韦还预言存在着其他形式的光,不过它们的波长分别要比普通光长得多或短得多。二十多年以后,这两种光都被人们发现了。现在我们总是说整个“电磁波谱”。

因此,本节开始时所提到的四种现象中,有三种(电、磁、光)已经结合成为一种场了。但还有引力场没有被考虑到。这样,我们就还有:(1)电磁场;(2)引力场。它们看起来似乎是两种无关的场。

然而,物理学家认为,如果只存在一种场(这就是“统一场”),事情就会简单得多,因此,他们一直在寻找一种既能描述电磁效应,又能描述引力效应的理论,以便能够用一种场的存在去描述另一种场存在的本性。

不过,现在看来,即使发现了这种能把电磁效应和引力效应结合起来考虑的方程组、我们也还是没有找到真正的统一场:自1935年以来,又发现了两种新的场。这两种场都只对亚原子粒子才有影响,而且只在不大于原子核直径的距离内才起作用,它们就是“强相互作用”和“弱相互作用”。

真正的统一场论必须能把已知的这四种场都解释清楚才行。

科学百科知识系列

Isaac Asimov

1920-1992

美国著名科幻小说家、科普作家、文学评论家,是美国科幻小说黄金时代的代表人物之一。

阿西莫夫一生著述近500本,题材涉及自然科学、社会科学和文学艺术等许多领域,与儒勒·凡尔纳、赫伯特·乔治·威尔斯并称为科幻历史上的三巨头,同时还与罗伯特·海因莱因、亚瑟·克拉克并列为科幻小说的三巨头。

其作品中以《基地系列》《银河帝国三部曲》《机器人系列》三大系列被誉为“科幻圣经”。曾多次获代表科幻界最高荣誉的雨果奖和星云终身成就大师奖(雨果奖7次、星云奖3次、轨迹奖2次)。小行星5020、《阿西莫夫科幻小说》杂志和两项阿西莫夫奖都是以他的名字命名。

他提出的“机器人学三定律”被称为“现代机器人学的基石”。

稿件搜集 | 靳淞

文字编辑 | 清皓

排版 | 氚

审核 | Lynn

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