第五十二章：物理場(chǎng)的概念和場(chǎng)的作用？

這一章的內(nèi)容，也是讀者留言提問：“物理場(chǎng)的是如何發(fā)揮作用的？有多少種場(chǎng)？”確實(shí)無論是在《變化》中，還是在《見微知著》這本書中，場(chǎng)是提到了N次。

借著回答網(wǎng)友的提問，為大家科普一下場(chǎng)的概念，場(chǎng)的作用，場(chǎng)的形式。

場(chǎng)的定義是這樣的：在物理里，場(chǎng)（英語(yǔ)：Field）是一個(gè)以時(shí)空為變數(shù)的物理量。場(chǎng)可以分為標(biāo)量場(chǎng)、矢量場(chǎng)和張量場(chǎng)等，依據(jù)場(chǎng)在時(shí)空中每一點(diǎn)的值是標(biāo)量、矢量還是張量而定。

例如，經(jīng)典重力場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)：標(biāo)示重力場(chǎng)在時(shí)空中每一個(gè)的值需要三個(gè)量，此即為重力場(chǎng)在每一點(diǎn)的重力場(chǎng)矢量分量。更進(jìn)一步地，在每一范疇（標(biāo)量、矢量、張量）之中，場(chǎng)還可以分為“經(jīng)典場(chǎng)”和“量子場(chǎng)”兩種，依據(jù)場(chǎng)的值是數(shù)字或量子算符而定。但兩者之間，其實(shí)沒有明確的界限。這一點(diǎn)在本書中多次有提及。

例如，溫度場(chǎng)或者勢(shì)能場(chǎng)。地球上的每個(gè)點(diǎn)都有各自的溫度或勢(shì)能，它們只有大小沒有方向。如果物理量是矢量，則對(duì)應(yīng)的是矢量場(chǎng)，例如，引力場(chǎng)、靜電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及流速場(chǎng)等。( 文章閱讀網(wǎng)：www.sanwen.net )

以引力場(chǎng)為例，地球上的每個(gè)點(diǎn)都受到引力的作用，方向指向地心，它們既有大小又有方向。張量場(chǎng)的例子包括連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中的應(yīng)力場(chǎng)和形變場(chǎng)，或者廣義相對(duì)論中的應(yīng)力能張量場(chǎng)。

在粒子物理學(xué)中，自旋為s的粒子由2s維旋量場(chǎng)描述，其中s是一個(gè)整數(shù)或半整數(shù)。例如，費(fèi)米子是由旋量場(chǎng)描述。

場(chǎng)被認(rèn)為是延伸至整個(gè)空間的，具有廣域性。但實(shí)際上，每一個(gè)已知的場(chǎng)在夠遠(yuǎn)的距離下，都會(huì)縮減至無法量測(cè)的程度。上面引力場(chǎng)就是案例，漸進(jìn)自由也是。

定義場(chǎng)是一個(gè)“空間里的數(shù)”，這不應(yīng)該減損場(chǎng)在物理上所有的真實(shí)性?！皥?chǎng)占有空間。場(chǎng)含有能量、動(dòng)量。場(chǎng)的存在排除了真正的真空。”

真空中沒有物質(zhì)，但并不是沒有場(chǎng)的。場(chǎng)形成了一個(gè)“空間的狀態(tài)”

各位這一點(diǎn)非常非常重要。宇宙中充實(shí)著各種場(chǎng)，就證明了真空不空。當(dāng)然真空不空的證明，還有很多，前面的章節(jié)也有詳解，在此不再重復(fù)。

以電磁學(xué)為例來講：當(dāng)一個(gè)電荷移動(dòng)時(shí)，另一個(gè)電荷并不會(huì)立刻感應(yīng)到。第一個(gè)電荷會(huì)感應(yīng)到一個(gè)反作用力，并獲得動(dòng)量，但第二個(gè)電荷則沒有感應(yīng)，直到第一個(gè)電荷移動(dòng)的影響以光速傳遞到第二個(gè)電荷那里，并給予其動(dòng)量之后才移動(dòng)。所以場(chǎng)的存在解決了關(guān)于第二個(gè)電荷移動(dòng)前，動(dòng)量存在在哪里的問題。

因?yàn)橐罁?jù)動(dòng)量守恒定律，動(dòng)量必存在于某處。物理學(xué)家認(rèn)為動(dòng)量應(yīng)該存在于場(chǎng)之中。如此的認(rèn)定讓物理學(xué)家們相信電磁場(chǎng)是真實(shí)的存在，使得場(chǎng)的概念成為整個(gè)現(xiàn)代物理的范式。

在物理學(xué)中，場(chǎng)是指每個(gè)點(diǎn)都受到力的作用的一種空間區(qū)域?，F(xiàn)代物理學(xué)中場(chǎng)的概念最早由法拉第提出的，愛因斯坦對(duì)此大加贊賞。

在地球周圍的引力場(chǎng)中，物體會(huì)受到引力的作用而落到地上。在帶電體周圍的電場(chǎng)中，帶電粒子會(huì)受到庫(kù)侖力的作用而被吸引或排斥。在磁鐵周圍的磁場(chǎng)中，回形針，鐵屑會(huì)受到磁力而被拽向磁鐵。

場(chǎng)的強(qiáng)度，或者說某一特定區(qū)域的力的大小，可以用場(chǎng)線來表示。場(chǎng)線越靠近，在這一區(qū)域的作用力就越強(qiáng)。但場(chǎng)線是我們?yōu)榱诵蜗蠛美斫舛玫墓ぞ摺?/p>

場(chǎng)指物體在空間中的分布情況。場(chǎng)是用空間位置函數(shù)來表征的。在物理學(xué)中，經(jīng)常要研究某種物理量在空間的分布和變化規(guī)律。如果物理量是標(biāo)量，那么空間每一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著該物理量的一個(gè)確定數(shù)值，則稱此空間為標(biāo)量場(chǎng)。如電勢(shì)場(chǎng)、溫度場(chǎng)等。

如果物理量是矢量，那么空間每一點(diǎn)都存在著它的大小和方向，則稱此空間為矢量場(chǎng)。如電場(chǎng)、速度場(chǎng)等。

場(chǎng)是一種特殊物質(zhì)，看不見摸不著，但它確實(shí)存在。比如引力場(chǎng)、磁場(chǎng)等等。愛因斯坦在狹義相對(duì)論中否定以太的存在，但廣義相對(duì)論的建立體現(xiàn)了愛因斯坦思想的明顯改變。他指出：廣義相對(duì)論“是一種場(chǎng)論”，“如果用常數(shù)代替那些描述廣義相對(duì)論以太的函數(shù)，同時(shí)不考慮任何決定以太的原因，那么廣義相對(duì)論以太就可以在想象中變?yōu)槁鍋銎澮蕴?。”愛因斯坦甚至試圖把各種場(chǎng)統(tǒng)一起來，形成一種完美無瑕的理論。場(chǎng)是物質(zhì)存在的一種基本形式。這種形式的主要特征在于場(chǎng)是彌散于全空間的。

場(chǎng)的一個(gè)重要屬性是它占有空間，是物質(zhì)存在的表現(xiàn)形式，它把物理狀態(tài)作為空間和時(shí)間的函數(shù)來描述。而且，在此空間區(qū)域中，除了有限個(gè)點(diǎn)或某些表面外，場(chǎng)函數(shù)是處處連續(xù)的。若物理狀態(tài)與時(shí)間無關(guān)，則為靜態(tài)場(chǎng)，反之，則為動(dòng)態(tài)場(chǎng)或時(shí)變場(chǎng)。

物質(zhì)存在的基本形態(tài)之一。例如，天地之間的相互吸引是借助于物質(zhì)之間的引力場(chǎng)，光線和無線電的傳播要借助于電磁場(chǎng)。場(chǎng)存在于相互作用的物質(zhì)之間的空間。

對(duì)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)和場(chǎng)概念的確立，反映了人類對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)和利用能力的提高，是對(duì)物質(zhì)觀的豐富和更新。比如對(duì)帶電體之間相互作用的認(rèn)識(shí)，長(zhǎng)期以來一直認(rèn)為是一種超距作用，即一個(gè)帶電體對(duì)另一個(gè)帶電體的作用是直接給予的，不需要中間物質(zhì)傳遞，也不需要時(shí)間。

到19世紀(jì)初，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了帶電體周圍的空間具有特殊性，形成了電場(chǎng)概念，明確了一個(gè)帶電體對(duì)另一個(gè)帶電體的作用是通過電場(chǎng)進(jìn)行的。以后的進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)也是有能量、動(dòng)量、質(zhì)量和速度的，并逐步形成了電磁場(chǎng)理論。電磁場(chǎng)的研究和電磁波的利用把人類帶進(jìn)了信息時(shí)代，而對(duì)引力場(chǎng)的研究則為人類遨游太空提供了理論基礎(chǔ)。

現(xiàn)在物理是經(jīng)典物理，還是量子物理，有很多場(chǎng)論理論。給大家說幾個(gè)。電磁場(chǎng)，靜電場(chǎng)，靜磁場(chǎng)，引力場(chǎng)，楊——米爾斯場(chǎng)，希格斯場(chǎng)等等。

其中我在《變化》討論過引力與電磁場(chǎng)的關(guān)系，上一章還討論了引力場(chǎng)和希格斯場(chǎng)之間的關(guān)系，感興趣的可以去看一下。

摘自獨(dú)立學(xué)者，詩(shī)人，作家，國(guó)學(xué)起名師靈遁者量子力學(xué)書籍《見微知著》

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