爱因斯坦■爱因斯坦虚度的 30 年人生,是20世纪科学界最大的遗憾( 二 )
磁场
因为受宏观场存在形式的影响(不涉及分子、原子、电子等内部结构或机制 , 麦克斯韦的时代物理研究还没有深入微观领域)麦克斯韦电磁场理论对场的认识还是模糊的 , 停留在“以场论场”阶段 , 电力线和磁力线所描述的只是电场和磁场的宏观性质 , 并没有阐明场的性质和起源 。
不过 , 麦克斯韦的电磁场理论统一了电和磁的作用 , 它是历史上第一个几种相互作用的统一理论 。 使当时许多物理学家得以从牛顿“超距观念”的束缚中摆脱出来 , 开始接受电磁作用和引力作用都是“近距作用”的观念 。
后来物理学家将它放在微观领域之中 , 当一个电荷移动时 , 另一个电荷并不会立刻感应到 。 第一个电荷会感应到一个反作用力 , 并获得动量 , 但第二个电荷则没有感应 , 直到第一个电荷移动的影响以光速传递到第二个电荷那里 , 并给予其动量之后 。 那在第二个电荷移动前 , 动量就藏在场中 。 那么就这样就解释了电磁场的存在 。 后来场的概念成为整个现代物理的范式 。
在狭义相对论中 , 爱因斯坦断言:自然界根本没有传到电磁波的媒介 , 电磁场自身就是媒介 , 爱因斯坦提出场在某一时空区域的特定状态 , 既没有电磁辐射也没有物质粒子 。 也就是所谓“真空” 。 爱因斯坦表示 , 场是物质存在的空间 。 表现为物质时空环境中各种因素的相互作用 。
在此基础上 , 爱因斯坦把场的观点引进引力理论而创立了广义相对论 。 广义相对论引发了早已统一场论的研究热潮 。
因为在广义相对论中引力场被描述为时空的弯曲 , 再加上当时知道的基本相互作用只有引力作用和电磁作用 。 所以无数科学家想成为继麦克斯韦之后 , 成为下一个完成大一统的人 。
比如外尔从爱因斯坦广义相对论的对称性得到启发 , 意识到了电磁场的麦克斯韦方程也应当像爱因斯坦场方程一样 , 对应于一种基本的对称性 , 外尔建立了一种叫做“标度不变性”的对称变换 , 以统一引力和电磁力为目标 , 从对称观点出发 , 立足于规范不变 。 虽然并没有完成统一引力和电磁作用的宏大目标 , 但是催生了规范场论 。
到了 30 年代 , 因为迟迟无法实现引力和电磁作用的大一统 , 再加上量子力学不断得到实证 , 许多物理学家纷纷转向研究量子力学 , 所以对于统一场论的研究便逐渐衰弱 , 早已统一场论的研究对物理的影响不大 ,但是对微分几何的发展具有重大推动作用 。
但是爱因斯坦并没有放弃 , 从 20 年代开始 , 他一直致力于统一场论的研究 , 在获得诺贝尔奖之后 , 爱因斯坦就曾说过“两种场(指引力场和电磁场)互相独立的存在不能令寻求统一的心灵满意”“我们寻找数学上的统一场论 , 其中引力场与电磁长只是同一个场的不同分量 。 ”!
我们知道 , 爱因斯坦的广义相对论利用黎曼几何描述引力场取得了非常突出的成就 , 他采用弯曲时空的黎曼几何来描述引力场 给出引力场中的物理规律 进而提出引力场方程 。
爱因斯坦认为既然引力场可以用黎曼几何来描述 , 那么肯定会有一种新的几何来完成引力与电磁作用的统一 。
、
他在 1929 年发表了《关于统一场论》的新论文 , 这篇论文试图在时空流形除了具有黎曼度规外还具有绝对平行性的条件下去获得引力和电磁力的统一理论 。 当时爱因斯坦自己对这篇论文颇为自豪他在 1929 年 1 月 5 日曾写信给他的挚友 M.贝索 , 认为引力与电磁作用的统一工作已经大功告成 。
然而情况并没有如爱因斯坦预料一般 , 引力与电磁力的统一并没有取得实质性的进展 。 后来爱因斯坦又转向研究卡鲁查-克莱因理论 , 卡鲁查是早期统一场论研究的代表人物 , T.卡鲁查和O.克莱因把电磁势当作五维时空度规张量的部分分量 , 他并不是像爱因斯坦思考那样 , 建立新的几何理论去统一引力与电磁作用 , 而是把黎曼几何从 4 维 推广到 5维 。 革命性地提出了高维空间的概念 。
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