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我们是否真的了解引力和磁场是如何运作的?

 天文在线 2023-04-08 发布于云南

这完全取决于您对知识的理解。

我们的引力和磁力理论使我们能够描述系统的基本物理学,大概是从宇宙的大小到规模比原子核小近一百万倍的事件。后一种现象由量子电动力学解释,量子电动力学通常能使预测精确到小数点后10位。对于引力,我们可以准确地描述到黑洞表面的宇宙及其演化过程。

从实际的角度来看,我们几乎完美地理解了这两种力,并以我们目前的最佳测量能力来解释。

静止地放置在参考框架中的带电粒子会产生一个如上图所示的纯电场。当您离中心越远时,通过每个球面的电场线的数目不变,因此静电力随着球的表面积的倒数的减小而减小。如果空间是3维的,这就是静电力与电荷间距离的关系,并解释了平方反比定律。

这个电场从哪里来?它来自电磁力,这是一种应用量子电动力学理论详细解释的量子现象。每个带电粒子被虚拟光子云包围,虚拟光子在其他带电粒子之间交换以产生熟悉的静电力。这是显示仅在两个电子之间交换的这些虚拟粒子之一(波浪线)交换的图。

磁场是我们在参考系中观察到的,电场以相对于我们的速度通过。这些电荷的运动称为电流,只要电流的速度不为零,所有电流都会产生磁场。但是,磁场本质上并不是新磁场,只是在不同参考系中看到的熟悉的电场。在一定程度上,我们对“电磁”场的理解是完美的,因为它在量子力学中是坚实的基础。

引力场非常不同。我们称它们为“场”,因为这是牛顿物理学的遗留描述,在我们与太阳系和局部宇宙接触的大多数事物中,它都能为我们提供很好的服务。但这不是思考引力的正确方法。尽管它在本质上类似于两者,但它既不是场也不是力。

广义相对论是我们描述引力最成功的理论,但这只是一种纯粹的几何理论,而不是看起来像量子电动力学的理论。相反,4维时空是描述引力和变形的“场”,因为粒子试图以直线行进通过几何体时会产生加速现象。同时,物质(和能量)也会产生这些几何畸变。广义相对论是关于世界线的几何学的理论,而不是将引力嵌入其中的一些神话般的背景空间。广义相对论的最大缺陷是,它不能准确地告诉我们物质是如何产生引力的。我们所知道的唯一另外一种描述力产生方式的理论称为量子场论,其中量子电动力学最为成功。

引力没有类似的理论,所以我们真的不知道物质是如何产生引力的。因为引力场称为时空,所以我们必须想象的是一种描述时空“来源”的理论,换句话说,物质是如何产生时空的!

如果您要问一个关于我们知识的形而上学的问题,那么我们真的不了解最深层次的引力,例如为什么存在引力?是量子场吗?时空的本质是什么?

就人类活动领域而言,我们对这两个领域了解得足够多,以至于我们永远没有比现在更好的理论来解决实际需求。

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