Page 78 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

定律：任何两物体 1、2 间都存在相互作用的引力 F，力的方向沿两物体的联线，力的大小
与物体的质量 m1、m2 的乘积成正比，与两者之间的距离 r 的平方成反比，即
Gm m
F  1 2
r 2

G 是万有引力常数。牛顿在《原理》中是这样表述“万有引力”概念的：“如果由实验和天
文学观测，普遍显示出地球周围的一切天体被地球重力所吸引，并且其重力与它们各自含有
的物质之量成正比，则月球同样按照物质之量被地球重力所吸引。另一方面，它显示出，我
们的海洋被月球重力所吸引，并且一切行星相互被重力所吸引，彗星同样被太阳的重力所吸
引。由于这个规则，我们必须普遍地承认，一切物体，不论是什么，都被赋予了相互引力的
原理。因为根据这些表象所得出的物体的万有引力的论证，要比它们的不可入性的论证有力
的多。”

牛顿用力学三定律和万有引力定律解释了当时人们已知的所有物体的运动，从天上星体
到地面物体，建立了一个自然界按照自身规律运行的、从初始状态可以预言未来状态的一幅
巨大的“机械时钟”式的图像，一举奠定了近代自然科学的基础，这是哥白尼（Nicolaus
Copemicus）提出日心学说以后科学发展的伟大胜利。但是，在这幅图像中还存在一些重大
疑问。首先，牛顿第二定律虽然对“力”给出了可操作的独立定义，但这个定义仍然停留在
力所产生的效果的层面上（力是运动改变的原因），并没有回答“究竟什么是力？”和“力
是怎样改变速度大小和方向的？”这样的问题。其次，力都是从外部施加给物体的，这种“外

力”最终从何而来？如果把宇宙比作一部精密的机械时钟，那么最初是谁为这部时钟拧紧的
发条？第三，天体之间的万有引力都是非接触力，那么这种“非接触超距作用”是如何产生
又是如何传播的呢？牛顿无法从他的力学体系中找到答案，后转而研究神学，提出了上帝是
宇宙的“第一推动力”，认为是上帝创造出宇宙后，将宇宙推了一把，从此宇宙一直运转至
今。事实上，直到科学技术高度发展的今天，这些问题依然没有得到彻底解决，仍然时时困
扰着我们。
19 世纪电磁学的发展，提出了“场”的概念，这是一个重大的理论突破。实验发现，
带电体之间的电磁力类似牛顿的万有引力，遵循平方反比关系。1831 年法拉第基于他发现
的电磁感应现象提出，在带电体和磁体周围存在一种有电和磁产生的物质，起着传递电力和

磁力的作用，法拉第分别把它们称为电场和磁场，并提出用“电力线”和“磁力线”来定量
描述这种电场和磁场。法拉第认为，电力和磁力是通过相应的力线传递的，“超距作用”是
没有物理意义的，场是独立于物体的另一种物质形态，物体的运动都是场作用的结果。麦克
斯韦在法拉第场论的基础上，应用拉格朗日方程的动力学理论，对电磁场理论作了全面、系
统和严密的论述，并推测光就是一种传播的电磁场。麦克斯韦的思想集中体现在他的《电磁
通论》这部巨著中，它被公认是继牛顿的《自然科学的数学原理》一书以后树立的又一座里
程碑。爱因斯坦对它作出了高度的评价：“这个理论从超距作用过渡到以场作为基本变量，

以致成为一个革命性理论。”
随着物理学研究不断深入到微观领域，人们发现，微观物体的运动完全不同于宏观物体
的运动，微观粒子之间的作用力都不是直接接触产生，而是通过粒子与“场”的相互作用产
生的，于是力的概念逐渐被相互作用的概念所取代。关于微观粒子的运动规律，在 20 世纪
二、三十年代总结形成了量子力学和量子场论，后来，粒子物理学的发展逐步形成了描述基
本粒子及其相互作用的标准模型。按照这些理论和模型，场并不是一种连续分布的物质形态，
而是量子化的，场可以看作是某种场量子的集合。例如，电磁场的每一个空间点都存在场量

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