上帝说要有光，于是便有了麦克斯韦方程组

詹姆斯·麦克斯韦(1831879)

刚刚过去的2015年非常值得纪念:我们庆祝了爱因斯坦广义相对论一百周年，乔治紧随其后？在乔治·布尔200岁生日那天，他发明的布尔代数促进了现代计算机的发展。然而，不要忘记第三件值得记住的事情:2015年也是麦克斯韦方程组诞生150周年。无论是为了我们对宇宙的理解，还是为了现代科学技术的发展，这些方程都具有重要的意义。

大约150年前，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发现了一种将电和磁联系起来的方法，这在以前似乎是不相关的。1865年，麦克斯韦公布了一套描述所有电磁现象的方程式。这些方程也被称为电磁方程。这个名字听起来很棒，但是电磁现象与我们的日常生活密切相关:光使我们能够看到周围的世界，电视和收音机娱乐我们的生活，wifi和手机信号把我们彼此连接起来，它们都是电磁波。应用电磁方程的物理和技术领域太多了。我们不能一一列举。

追逐电磁波

就电或磁本身而言，科学家们已经知道它们很久了。伦敦国王学院的克拉克·麦克斯韦理论物理教授约翰·埃利斯解释说:“英语单词‘电’和‘磁’起源于古希腊，(麦克斯韦以前也是这里的教授)，”直到18世纪，人们才真正开始逐步理解电磁现象。在19世纪早期，科学家们意识到电和磁之间一定有某种联系。”到19世纪中叶，实验物理学家，包括迈克尔·法拉第，已经发现了两者之间联系的明确证据。他们证明了电流可以产生磁场，移动的磁铁也可以产生电流。

“许多理论持有不同的观点，麦克斯韦的出现解释了所有这些现象，”埃利斯说。"他向人们展示了如何用连接的方法来描述电和磁."

麦克斯韦方程

麦克斯韦的主要预测之一与上面提到的电磁场有关。电磁场不是静态的，而是像波一样周期性振荡变化，并在空间传播。麦克斯韦方程预测电磁场中的振荡是相互制约的，然后得出电磁波将在空间高速传播的结论。

“当人们听到‘波’这个词时，他们通常会想到水波或声波，”埃利斯说。“电磁波听起来很抽象，但它们的表现形式非常具体。例如，灯管发出的光波或收音机发出的无线电波都是电磁波，它们都是基于麦克斯韦方程的预测产物。”

根据这些方程，麦克斯韦可以计算电磁波在真空中传播的速度，从而回答长期困扰人们的问题。“以前，科学家知道光传播非常快，但应该有一个上限，”埃利斯解释说。“光从一个地方传播到另一个地方需要一些时间，许多实验已经证明了这一点。麦克斯韦解出了麦克斯韦方程，并计算出光速的正确值约为3×108米/秒，这是科学史上最激动人心的时刻之一(这个辉煌的时刻在英语中被称为尤里卡时刻，源自阿基米德的话“尤里卡！/我明白了！”

尽管结果令人鼓舞，但直到25年后，才有人证明电磁波确实存在于物理学中。“海因里希·赫兹证明了电磁波的物理真实性:他在实验室里产生周期性振荡电流，然后从远处的接收器里探测到相应的无线电波信号，”埃利斯解释道。“你可能认为这只是实验室里的一次奇怪尝试，但没过多久，古格里莫·马可尼就成功地让无线电波穿越了大西洋，彻底改变了人类交流的方式——所有这些都可以追溯到麦克斯韦方程组。”

追求团结

虽然麦克斯韦方程在实践中被广泛使用，但是许多物理学家庆祝他们的周年纪念有更重要的原因:它引导我们更深刻地理解我们生活的世界的本质。“宇宙真的很复杂，”埃利斯说，“但是我们物理学家的工作是找出它是如何工作的，以及它是如何演变成现在这个样子的。所以我们试图找到不同现象之间的联系，或者它们背后隐藏的原因——这就是所谓的“统一”。用统一的方法描述自然的各个方面是物理学家永恒的追求。理解宇宙中各种事件之间隐藏的联系给我们带来了一种精神上的满足感，而电磁波的出现也给整个社会带来了难以想象的变化。”

约翰·埃利斯

在麦克斯韦时代之后，基础物理学又走了很长一段路。20世纪30年代末，科学家们意识到除了电磁力和重力之外，宇宙中还有其他基本力(牛顿在17世纪发现了万有引力，爱因斯坦在1915年完成了广义相对论，指出重力是空间和时间弯曲造成的影响)。他们发现了聚集原子核中质子和中子的强大核力，以及解释某些放射性衰变的微弱核力。对20世纪的物理学家来说，下一个重要的任务是他们能否更深入地应用这两种新的基本力。”埃利斯说道。

为了描述弱相互作用，物理学家采用了类似于电磁理论的理论，并最终在终极统一理论的道路上更进一步。他们认为弱相互作用和电磁相互作用实际上就像同一枚硬币的正反两面，即电弱力。这个想法有些奇怪，因为弱相互作用的表现不同于电和磁。正如“电弱相互作用”这一名称所揭示的，这种相互作用确实更弱。它的作用范围仅在3×10^-17米以内，而弱相互作用仅相当于核尺度上电磁相互作用的1/10000。"如果不够脆弱，生命可能就不存在."埃利斯说，“不是说没有它我们会死，而是说没有它我们永远不会出生。如果弱的电相互作用不是弱的，宇宙可能是完全不同的。”

根据电的弱统一观点，在宇宙形成的初始阶段，电磁相互作用和弱相互作用有一定的相似性。在大爆炸后的一段时间里，随着宇宙的冷却，这两种效应逐渐分离，最后变得完全不同。这个想法听起来很奇怪，但并不完全奇怪:想想水结冰时会发生什么变化，你可能会在某种程度上理解它。

电的弱统一理论是在20世纪60年代提出的。用统一的数学框架来描述电磁相互作用和弱相互作用。“这些相互作用的基本描述特别类似于麦克斯韦方程，所以这是一个统一的理论，”埃利斯解释道。这组方程在形式上更为复杂，但理论上它们非常简单，因为对称性将它们联系起来

我们今天看到的四种基本相互作用之所以互不相同，可以解释为原始的对称性被隐藏了。这个想法也可以用水作为例子来说明:用来描述水的自然法则在任何地方都是一样的，并不倾向于空间中的特定方向。这就是为什么这个海洋中的水看起来和那片海海洋中的水一样，而且从任何方向看都一样。然而，当水结冰形成冰山时，情况就完全不同了。它们似乎没有上述对称性:没有两座冰山看起来完全一样，也没有几座旋转对称的冰山。然而，水的对称性(即不随位置或方向变化的特性)并没有消失。它仍然存在，但隐藏在幕后。

回到相互作用——结果表明，每一次相互作用都是通过“信使”粒子玻色子进行的。起初，所有的“信使”粒子完全没有质量(事实上，宇宙中的所有粒子都是)。然而，随着宇宙冷却，物质开始凝结成各种形式。弱相互作用的“信使”粒子(和其他粒子)获得质量，而电磁相互作用的“信使”粒子仍然没有质量。弱玻色子太“重”而不能产生，这就是弱相互作用如此微弱的原因。“如果这些粒子不重，那么弱相互作用就像电和磁一样重要，我们都将被肢解。”埃利斯说。

发现新粒子

起初，这一理论没有引起注意，但在20世纪70年代以后，理论和实验结果进一步支持了这一理论。“我在1975年开始研究。我认为这些传递弱相互作用的重“信使”粒子一定存在，所以总会有人找到它们。埃利斯说事实证明他是对的。传输弱相互作用的重玻色子(也称为Z玻色子和W玻色子)于1983年在欧洲粒子物理研究所被发现。最重要的玻色子是希格斯玻色子，它在某种意义上是打破弱电统一理论对称性的媒介，因此它可以被视为粒子物理学的圣杯。我还与玛丽·盖拉德和迪米特里·纳诺普洛斯合著了一篇论文，讨论玻色子会是什么样子。最后，在2012年，在大型强子对撞机(LHC)上的实验发现了希格斯玻色子，完成了弱电的统一图景，换句话说，就是对称性及其打破的过程。

弱电的统一是理论物理学的一大胜利。谢尔顿·格拉肖(谢尔顿·格拉肖)，阿卜杜勒·萨拉姆(阿卜杜勒·萨拉姆)和史蒂芬·温伯格(史蒂芬·温伯格)完成了电和弱的统一的理论框架，弗兰？弗朗索瓦·恩格尔？奥伊斯·恩格尔特(Ois Englert)和彼得·希格斯(彼得·希格斯)描述了与质量相关的对称性破缺机制，他们都因此获得了诺贝尔物理学奖。像麦克斯韦和埃利斯一样，希格斯在伦敦的国王大学度过了一段美好的时光，但那是作为一名学生而不是教师。

对统一理论的追求始于麦克斯韦，至今仍远未结束。物理学家希望证明所有的力(包括强相互作用和引力)曾经是同源的，只有在大爆炸之后宇宙才冷却下来并*分离。统一的宏伟目标令人望而生畏——至少重力是个大问题。

同时，这些理论研究能产生实际效益吗？“现在，*总是倾向于以引导的方式资助研究项目，”埃利斯说。“他们想要新产品，所以他们更愿意资助能够生产新产品的科学家。然而，麦克斯韦方程和电磁波理论告诉我们，最具革命性的发现往往不会在你希望它出现的时候出现。总的来说，物理学的基本发现经常会在意想不到的领域带来相当创新的科技成就，包括对统一理论的追求。

“这些关于希格斯玻色子的故事表明，数学物理具有惊人的预测潜力。当你在纸上写下你的方程时，你会意识到对称的美，同时它们也给你一种强大的预测能力。我还没有发现任何其他领域有同样的能力。”