物理學(xué)中的“場”是啥？電場、磁場、引力場，“場”有質(zhì)量嗎？

虛空之漂者 2022-04-23

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很多同學(xué)學(xué)物理的時候，尤其怕“場”，總感覺這玩意“虛無縹緲”特別難。那“場”究竟是什么？我們所學(xué)的電場、磁場、引力場有何區(qū)別？場有質(zhì)量嗎？

想要回答這些問題，其實只需要翻開大學(xué)物理，上面對于“場”有一個非常明確的定義：現(xiàn)代科學(xué)和實踐證明，場是物質(zhì)存在的一種形式，它與實物一樣具有能量、質(zhì)量和動量。

所以我們根據(jù)這個概念可以直接得到結(jié)論，“場”就是物質(zhì)的一種，它具有質(zhì)量。但這僅僅是概念，那科學(xué)家們是如何理解并且總結(jié)出這個概念的呢？

首先第一個問題，我們?yōu)槭裁磿J(rèn)為“場”就是物質(zhì)的一種展現(xiàn)形式呢？在我們學(xué)電場的第一課，首先出場的人物就是法拉第，他是第一個提出“場”這個概念的科學(xué)家。隨后電磁理論的王者麥克斯韋也沿用了這個概念。

當(dāng)然，19世紀(jì)的“場”和現(xiàn)在的“場”有很大的區(qū)別，那時候的科學(xué)家并不認(rèn)為“場”是物質(zhì)存在的一種表現(xiàn)形式。那時候的“場”僅僅是為了方便計算研究而提出的一種虛擬概念，或者說就是一種方便人們理解電與磁的物理圖像，本質(zhì)上就是一種物理工具。那為什么科學(xué)家們會喜歡引入工具呢？因為工具可以幫助我們更好地理解“客觀存在”。

其實從科學(xué)的發(fā)展我們就能發(fā)現(xiàn)端倪。從最早古希臘學(xué)者認(rèn)為我們的世界是從原子構(gòu)成開始，到如今科學(xué)家們研究量子力學(xué)和相對論相結(jié)合，科學(xué)家們都在尋找一個東西，它就是“客觀存在”。

其實我們對“客觀存在”這個詞并不陌生，物理學(xué)史上玻爾和愛因斯坦關(guān)于量子力學(xué)的世紀(jì)之爭，爭的就是這個“客觀存在”。那么“場”呢？其實它最初就是為了解釋電與磁的這兩種客觀存在。

其實關(guān)于“場”的研究，牛頓就曾為此感到困惑，作為萬有引力公式的提出者，第一個懷疑這個公式的就是牛頓本人，既然已經(jīng)在數(shù)學(xué)上證明了，為何還會懷疑呢？就是因為這個奇怪的“場”。牛頓當(dāng)時給劍橋大學(xué)三一學(xué)院院長寫了一封信，信中他自己也無法理解這種鬼魅的“超距作用”。

牛頓的信件譯文

牛頓的疑問還沒解開，電磁力來了，而且也超距了?？纯慈f有引力公式和電磁力公式，我們絲毫不懷疑他們兩個是雙胞胎兄弟。

“場”的應(yīng)運(yùn)而生，就是科學(xué)家們想不清楚了，需要一個工具來描述這種“超距作用”。有了場，科學(xué)家們就能合理地解釋所有的問題，在數(shù)學(xué)上也能自洽，可謂皆大歡喜?？墒菃栴}是解決了，新的問題又誕生了，因為“超距作用”依舊存在。之前我們說過，“超距作用”是被四維時空給解決掉的?？梢哉f，“場”的誕生很單純，它就是兩個電荷或者兩個質(zhì)量之間的溝通交流的工具。

隨著科學(xué)的進(jìn)步，科學(xué)家們也不斷在更新“場”的物理定義。我們知道，現(xiàn)代物理學(xué)大廈的兩個擎天之柱是廣義相對論和量子力學(xué)，他們分別對宏觀和微觀世界進(jìn)行了描述。

但是宏觀和微觀卻很容易出現(xiàn)不一致，舉個例子，對于“波”我們并不陌生，比如水波，聲波等，波可以傳遞能量這是顯而易見的，中學(xué)物理我們都學(xué)過，那波可以傳遞物質(zhì)嗎，很明顯不可以。

但是當(dāng)我們回到微觀角度去看到波傳遞能量這一客觀事實，就會發(fā)現(xiàn)不一樣的地方。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能公式E=mc^2，質(zhì)量和能量本質(zhì)上就是一回事啊，難道出現(xiàn)矛盾了嗎？

當(dāng)然沒有矛盾，這時候波粒二象性就來了。當(dāng)我們對電磁波進(jìn)行分解，當(dāng)分解到最小單位后，我們會發(fā)現(xiàn)所謂的電磁波就是一個個光量子，也就是光子，這時候波就不是一個擾動了，它成了基本粒子，是物質(zhì)的一員。

所以，當(dāng)我們用最前沿的科學(xué)理論去理解”場“的概念時，就會發(fā)現(xiàn)一些不一樣的地方。舉個例子，假如我們在電磁場或者引力場中發(fā)現(xiàn)了一個能量波動，這就意味著一個個基本粒子的出現(xiàn)和湮滅。這時候我們回到大學(xué)物理的定義，定義里的前提是“現(xiàn)代科學(xué)和實踐證明”。