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物理场的概念和场的作用?

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第五十二章:物理场的概念和场的作用?

这一章的内容,也是读者留言提问:“物理场的是如何发挥作用的?有多少种场?”确实无论是在《变化》中,还是在《见微知著》这本书中,场是提到了N次。

借着回答网友的提问,为大家科普一下场的概念,场的作用,场的形式。

场的定义是这样的:在物理里,场(英语:Field)是一个以时空为变数的物理量。场可以分为标量场、矢量场和张量场等,依据场在时空中每一点的值是标量、矢量还是张量而定。




例如,经典重力场是一个矢量场:标示重力场在时空中每一个的值需要三个量,此即为重力场在每一点的重力场矢量分量。更进一步地,在每一范畴(标量、矢量、张量)之中,场还可以分为“经典场”和“量子场”两种,依据场的值是数字或量子算符而定。但两者之间,其实没有明确的界限。这一点在本书中多次有提及。

例如,温度场或者势能场。地球上的每个点都有各自的温度或势能,它们只有大小没有方向。如...
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第五十二章:物理场的概念和场的作用?

这一章的内容,也是读者留言提问:“物理场的是如何发挥作用的?有多少种场?”确实无论是在《变化》中,还是在《见微知著》这本书中,场是提到了N次。

借着回答网友的提问,为大家科普一下场的概念,场的作用,场的形式。

场的定义是这样的:在物理里,场(英语:Field)是一个以时空为变数的物理量。场可以分为标量场、矢量场和张量场等,依据场在时空中每一点的值是标量、矢量还是张量而定。




例如,经典重力场是一个矢量场:标示重力场在时空中每一个的值需要三个量,此即为重力场在每一点的重力场矢量分量。更进一步地,在每一范畴(标量、矢量、张量)之中,场还可以分为“经典场”和“量子场”两种,依据场的值是数字或量子算符而定。但两者之间,其实没有明确的界限。这一点在本书中多次有提及。

例如,温度场或者势能场。地球上的每个点都有各自的温度或势能,它们只有大小没有方向。如果物理量是矢量,则对应的是矢量场,例如,引力场、静电场、磁场以及流速场等。



以引力场为例,地球上的每个点都受到引力的作用,方向指向地心,它们既有大小又有方向。张量场的例子包括连续介质力学中的应力场和形变场,或者广义相对论中的应力能张量场。

在粒子物理学中,自旋为s的粒子由2s维旋量场描述,其中s是一个整数或半整数。例如,费米子是由旋量场描述。

场被认为是延伸至整个空间的,具有广域性。但实际上,每一个已知的场在够远的距离下,都会缩减至无法量测的程度。上面引力场就是案例,渐进自由也是。

定义场是一个“空间里的数”,这不应该减损场在物理上所有的真实性。“场占有空间。场含有能量、动量。场的存在排除了真正的真空。”

真空中没有物质,但并不是没有场的。场形成了一个“空间的状态”

各位这一点非常非常重要。宇宙中充实着各种场,就证明了真空不空。当然真空不空的证明,还有很多,前面的章节也有详解,在此不再重复。



以电磁学为例来讲: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,并给予其动量之后才移动。所以场的存在解决了关于第二个电荷移动前,动量存在在哪里的问题。

因为依据动量守恒定律,动量必存在于某处。物理学家认为动量应该存在于场之中。如此的认定让物理学家们相信电磁场是真实的存在,使得场的概念成为整个现代物理的范式。

在物理学中,场是指每个点都受到力的作用的一种空间区域。现代物理学中场的概念最早由法拉第提出的,爱因斯坦对此大加赞赏。

在地球周围的引力场中,物体会受到引力的作用而落到地上。在带电体周围的电场中,带电粒子会受到库仑力的作用而被吸引或排斥。在磁铁周围的磁场中,回形针,铁屑会受到磁力而被拽向磁铁。

场的强度,或者说某一特定区域的力的大小,可以用场线来表示。场线越靠近,在这一区域的作用力就越强。但场线是我们为了形象好理解而用的工具。



场指物体在空间中的分布情况。场是用空间位置函数来表征的。在物理学中,经常要研究某种物理量在空间的分布和变化规律。如果物理量是标量,那么空间每一点都对应着该物理量的一个确定数值,则称此空间为标量场。如电势场、温度场等。


如果物理量是矢量,那么空间每一点都存在着它的大小和方向,则称此空间为矢量场。如电场、速度场等。

场是一种特殊物质,看不见摸不着,但它确实存在。比如引力场、磁场等等。爱因斯坦在狭义相对论中否定以太的存在,但广义相对论的建立体现了爱因斯坦思想的明显改变。他指出:广义相对论“是一种场论”,“如果用常数代替那些描述广义相对论以太的函数,同时不考虑任何决定以太的原因,那么广义相对论以太就可以在想象中变为洛仑兹以太。”爱因斯坦甚至试图把各种场统一起来,形成一种完美无瑕的理论。场是物质存在的一种基本形式。这种形式的主要特征在于场是弥散于全空间的。

场的一个重要属性是它占有空间,是物质存在的表现形式,它把物理状态作为空间和时间的函数来描述。而且,在此空间区域中,除了有限个点或某些表面外,场函数是处处连续的。若物理状态与时间无关,则为静态场,反之,则为动态场或时变场。




物质存在的基本形态之一。例如,天地之间的相互吸引是借助于物质之间的引力场,光线和无线电的传播要借助于电磁场。场存在于相互作用的物质之间的空间。

对场的认识和场概念的确立,反映了人类对物质世界认识和利用能力的提高,是对物质观的丰富和更新。比如对带电体之间相互作用的认识,长期以来一直认为是一种超距作用,即一个带电体对另一个带电体的作用是直接给予的,不需要中间物质传递,也不需要时间。



到19世纪初,科学家发现了带电体周围的空间具有特殊性,形成了电场概念,明确了一个带电体对另一个带电体的作用是通过电场进行的。以后的进一步研究,发现电场也是有能量、动量、质量和速度的,并逐步形成了电磁场理论。电磁场的研究和电磁波的利用把人类带进了信息时代,而对引力场的研究则为人类遨游太空提供了理论基础。

现在物理是经典物理,还是量子物理,有很多场论理论。给大家说几个。电磁场,静电场,静磁场,引力场,杨——米尔斯场,希格斯场等等。

其中我在《变化》讨论过引力与电磁场的关系,上一章还讨论了引力场和希格斯场之间的关系,感兴趣的可以去看一下。

摘自独立学者,诗人,作家,国学起名师灵遁者量子力学书籍《见微知著》
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