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如何让普通人理解物理学中「场」的本质?

2017-05-09 09:56阅读:

如何让普通人理解物理学中「场」的本质?




百度作业】:
场是一种特殊物质,看不见摸不着,但它确实存在.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.场的物理性质可以用一些定义在全空间的量描述〔例如电磁场的性质可以用电场强度和磁场强度或用一个三维矢量势A(X,t)和一个标量势嗘(X,t)描述〕.这些场量是空间坐标和时间的函数,它们随时间的变化描述场的运动.空间不同点的场量可以看作是互相独立的动力学变量,因此场是具有连续无穷维自由度的系统.
场的一个重要属性是它占有一个空间,它的物理状态可用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.

https://www.zybang.com/question/9adb4c1a19c90a1549606886bd05b4e7.html


【知乎问答
>

以前说到“引力场”,只知道大质量物体之间有引力相互作用,但是“场”是什么,完全没有概念。后来看一些科普的视频,又说引力场是一种时空塌陷(视频举的例子是在薄膜上放金属球,我知道这是给小白们看的形象化解释),然后我就更加糊涂了,场究竟是一种什么样的存在。
百度了一下“引力场”,发现是一个神棍似的解释(暗能量是什么东东?),不知道他们从哪里复制来的;维基百科上也只给了一个方程(好吧,看到方程,我没办法像魏成那样直接在大脑中产生图像)。
又百度了一下“磁场”,他们说磁场是一种物质。(!?)维基百科只解释了磁场是如何产生的。
那“场”究竟是什么?说是物质应该是不对的吧,如果是物质,它是由什么构成的?如果不是物质,但它又是真实存在的。
还有一点,好像经典力学里对引力场的解释和相对论对引力场解释差别很大,前者把引力场描述成磁力线那样的东西,而后者描述成时空塌陷(时空弯曲),所以我在想,“场”这个概念是不是因为现在人类科学还很落后,并没有搞清楚这一现象的本质,所以暂时借用一下“场”这个概念来描述和解释这个现象,但场并不是这些相互作用的本质?
我只是个小白,如果问了可笑的啥问题,请各位专业人士多多见谅。
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请允许我修改一下我问题的关注点(不知道在知乎是否允许这样做?)
我尽量用我贫乏的语言描述清楚:
比如说,引力场。太阳与地球之间有引力,这种力是如何在两个物体间发生作用的?
现在的说法是因为有引力场作为媒介(?),现在还有假说存在“引力子”。
现在还发现,光辐射能产生“光压”,能使物体受到一定压力。那么是不是可以假设(请允许我胡说一下),太阳具有“光场”,所有受到太阳辐射的物体都能受到“光压力”。而这种力的产生,是由于光子的辐射。
那么引力的产生是否可以用同样的方式去理解,他是因为有质量的物体辐射“引力子”?



北冥有鱼北京大学理论物理博士在读


我的导师是一位粒子物理的理论学家,他指导我的时候经常对我说,思考物理问题的时候,头脑中一定要有一个物理图像。
这句话我一直不理解。一方面是因为我日常工作做的是复杂的数学推导和计算,我觉得只要我计算是正确的我的结果就是可信的,另一方面我认为微观尺度下的物理规律和生活的物理规律不相同,用头脑中生活经验产生的图像是不准确的。这两方面原因让我不理解思考问题时为什么一定要有一个物理图像。
后来我读到A. Zee写的《Quantum field theory in a nutshell》中,其中有这么一句话:「一位菲尔兹得主告诉我,顶级的数学家们会秘密地像物理学家一样思考,等他们得到证明的一个大框架之后,他们再用epsilon和delta的语言把证明过程包装起来。」
从这句话里,我才体会到物理图像的重要性。物理图像并不一定是完全准确的,它可能是粗糙、简陋的,但是它却把问题的核心展示出来;它帮助我思考,让我忽略其他不重要的细节。当核心问题被解决之后,再把整个理论用严谨的数学给展示出来。
很多美妙的物理理论的产生都是这个过程。「场」的概念的提出就是物理学家的一个物理图像
法拉第是第一个在物理中使用「场」的概念的物理学家。他在他的电磁感应的论文中使用「磁力线」表示磁场的作用,用「电力线」表示静电场的相互作用。
后来麦克斯韦沿用了场的概念,把之前实验物理学家发现的电磁规律用数学规律描述了出来,这些方程组就是著名的「麦克斯韦方程组」。
麦克斯韦在论文《A Treatise on Electricity and Magnetism》中说,(磁)力所作用的空间就被看做是磁场,我们可以使用研究普通磁体周围的磁力线的方法,来测量空间中每一点处的力的强度。
在此之后,场的概念就被大家广泛使用,比如引力场,温度场。发展到现代物理学之后,所有的物质都是场,基本粒子(如电子、光子)只不过是场的激发而已。
我上面写的内容,都是希望告诉你,物理图像对我们研究物理非常重要
再举一个例子。
任何一个学过广义相对论的同学都知道,广义相对论的计算相当复杂。但是爱因斯坦提出广义相对论却是基于一个非常简单的想法:引力可以局域地等效为物体处在非惯性参考系中。于是引力就在广义相对论中不存在了
利用这个物理图像,基于他的狭义相对论的时空理理论,爱因斯坦又发展出了广义相对论。
还可以再说一点的是,我们有时说光是一种粒子,有时说光是一种波,这也是一种物理图像而已。世界上,没有谁知道光子是什么,电子是什么。它们在物理学家脑中,只是特定的物理图像。
我们选择某种物理图像,是因为它展示了我们要研究问题的核心,它帮助我们忽略了无关的细节,让我们更加深入地去理解自然规律。
但是要记住,思考完物理图像之后,接下来是严谨的数学推导实验验证
少了后面两步,你做的就不是物理。
发布于 2016-07-24
刘杳
其他几个答案都不算错,但并未为题主解惑。题主大可不必纠结于"本质"。这是哲学用语,而物理讲求如何更好地描述我们所能观测的各种现象。描述的方法越来越数学化,而让普通人理解,法拉第的直觉解释就非常好。法拉第本人虽然数学不够好,但他的物理直觉足以让他位列第一流的理论物理学家。
大家中学都学过电场线(field lines, 又称电力线lines of force),最开始只是假想的线,用以描述一个小的虚拟电荷的受力方向。但当我们把空间里都画上很多这种线,它们又可以表达电荷所受力的大小:电场线密的地方力就大,电场线稀疏的地方力就小--当然,前提是我们把线画得尽可能"均匀"。法拉第给出了这样几条法则:
1 电场线从正电荷散发出去,汇集于负电荷;电荷越大,其所发出或收到的电场线越多;
2 每根线都有张力(使其尽可能缩短);
3 同时,电场线与电场线之间互相排斥(更不可相交)。
在二维世界里,这些线遵循这样的法则就会呈现类似这个样子:
如何让普通人理解物理学中「场」的本质? 这些线和线之间的排斥使得上边和右边的电荷相斥,而线自身的张力又使他们与第三个电荷相吸。
可以认为,这些线就像是赋予了生命一样,是实实在在的存在。场的概念解决了牛顿以来的一个困惑,即所谓action at a distance:一个物体,隔着这么远,怎么施力于另一个物体? 这当然有点哲学的意味,物理可以不解释的;但场论给出了很完美的解释,电荷(或质量)先在其周围的空间产生电场(或引力场),扩散开去,再由这个场来作用于另一个电荷(或质量)。电场作为传递物质间作用的媒介,不妨也算作一种"无形的"物质。
后来麦克斯韦给出了数学上更为精准的描述,而且推导出电荷移动所引起的电场改变并不是瞬时的,而是以一个固定速度向外扩散。这个大家都耳熟能详:麦克斯韦推算出的速度恰好与当时所测的光速接近,从而大胆断言光是一种电磁波。
如果这还不足以说服你"场"是个实实在在存在的东西,可以考虑把电磁理论与经典牛顿力学结合来看。麦克斯韦之前我们就知道,静止电荷产生的库仑力是符合牛顿第三定律的,也就应该符合动量守恒。但一但动起来,电荷也会产生磁场,而磁场对运动电荷的力不符合牛顿第三定律(不作用在同一直线上),动量也就不守恒了。如果说场是电磁作用的媒介,会不会有的动量跑到场里了呢?确实是这样,通过麦克斯韦方程,我们可以推导出一种“动量守恒”定律:即空间中的每一点都有个"动量密度",积分之后得到的是场所带的动量,再加上电荷本身的动量(质量乘以速度)的总和是守恒的。同样可以通过麦克斯韦方程推出一个能量守恒定律。场既有动量又有能量,还能说它不是一种物质吗?它唯一欠缺的是质量。
【插一句,这么说的话我们就可以理解为什么19世纪末的物理学家都坚信空间中充斥着某种名之"以太"的物质(ether,古希腊的第五种元素,所以也称quintessense),而场的动量能量自然就是这种物质的动量和能量。麦克斯韦的原著就有很多描述微观运作的"模型"。其实以太也不应该算错误的概念,是一个模型而已;只是不能解释其他现象而被摒弃。】
后来的发展远出乎于所有人的意料:与其说场是一种物质,不如说物质是一种场,而且是(激化了的)量子场。甚至没有质量这个缺憾也不成立了:近几十年我们得到的物理最基本的理论"标准模型"中,所有基本粒子的场本身是没有质量的,它们的质量是与Higgs场作用的一种"假象"。这些不是汉语或任何语言所能轻易表述的,需要大量的数学。Frank Wilczek的通俗读物《The Lightness of Being》或许可以作为参考。
至于经典电磁学是麦克斯韦的场方程(或者更现代的微分形式)还是法拉第的表述更"本质"?只能说麦克斯韦的更便于计算,更便于量子化。费曼有句话说:
... every theoretical physicist who is any good knows six or seven different theoretical representations for exactly the same physics.

从这个问题可以看到,哲学所提出的问题(什么是"本质"?),源于且受限于表述这个问题所使用的语言。当物理研究一步一步深入,会觉得以前的问题是无法给出答案的,而是应该问更好的问题(哲学史和科学史上的例子不胜枚举)。
补充:我对这段科学史其实并不了解,有的地方可能"想当然"了。麦克斯韦的一篇短文http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b8/On_Physical_Lines_of_Force.pdf很好的阐述了lines of force的"真实性",可以一读。杨振宁最近在美国的Physics Today杂志上写了篇小文,The conceptual origins of Maxwell’s equations and gauge theory,可作参考。
编辑于 2017-04-25
著微
「场」这个概念可以从日常经验获得,本身并不抽象。
顾名思义,「场」是一种在空间和(或)时间上弥散的物理量。场对立的概念是局域化的物理对象,如点粒子等。这里所谓物理量比较宽泛,可以是基本的物质场,比如电磁场;也可以是某种属性,比如温度、密度、流速等。
用数学语言表达出来,场即是定义在空间和(或)时间上的函数。

我想题主困惑的应该是作为「相互作用的媒介」的场,该如何理解。
牛顿万有引力定律说两个相隔一定距离的物体,之间会有吸引力;库仑定律说两个点电荷会有库仑力。但问题在于,这种牛顿引力和库仑力似乎是「凭空」且「瞬间」产生的。仔细想想,这种隔山打牛似的「超距」作用,完全不可思议:
  • 其无法解释「力」是如何凭空产生的——两个物体中间既然相隔真空,为何会发生相互作用?
  • 瞬间的超距作用违背因果律——一个物体对另一个物体的影响,竟然比光速还快?而违背因果律的后果就是,大师还没发力,牛就被打了?
于是一个更为自然且合理的理解就是:不存在超距作用,任何的相互作用都是「局域」的
即,两个物体(对象)若想发生相互作用,必须同时同地。而两个空间相隔距离(或者时间有先后)的物体(对象)想要发生作用,必须通过某个媒介传递——而其传递速度也不可超过光速。
形象点说,凭空发力、隔山打牛是不可能的。想打牛,只有扔板砖、石头或者铅球砸它。这里板砖、石头或者铅球就是所谓的「相互作用的媒介」。
接下来的问题就是,这种相互作用的媒介为何要是某个「场」,某种「弥散」的东西,而不是比如——像铅球那样——点粒子?
这个问题靠逻辑推理无法回答,而只能靠实验验证。而根据目前的理解,构成物质世界的基本材料,以及这些基本材料之间的相互作用媒介,都是场。
  • 构成物质世界的基本材料,是所谓费米子场,可以认为是物质「实体」,「场量子」即是通常所说的基本粒子,电子、质子、夸克等;
  • 基本相互作用媒介,是所谓玻色子场,「场量子」即是光子(电磁场)、引力子(引力场)等等。
即,大师现在不是扔铅球打牛,而是身体周围聚集一股真气,大师运气双手抱球,汇集真气发射冲击波打牛。这里所谓「冲击波」即是「场量子」的比喻。
于是,两个电荷(比如电子)之间库仑力的产生过程就是:两个电荷中间存在电磁场,一个电荷发射电磁场的量子——即光子,然后光子传播到另一个电荷处,与其发生作用。实际上,光子从一个电荷传播到另一个电荷那里的「概率」,就是库仑的平方反比律。
具体到引力场。
引力场之所以可以视为时空的弯曲,是因为在广义相对论(或者说所有度规引力理论)框架下,所谓的引力场——一个二阶张量场——即时空几何的「度规」场。而非平庸的度规即对应非平坦的时空曲率,即所谓时空弯曲。
实际上,引力可以是时空几何,也可以不是,比如像电磁场那样,纯粹是一个和时空几何无直接关系的某种场。而这,也不是逻辑的结果。之所以是前者,也是实验证实如此。
(谢邀。)
编辑于 2013-05-12
何史提
场(field)是一个数学空间函数(function of space),这个场可以是标量(scalar,如电势能(electric potential)),也可以是向量(vector,如磁化量(magnetization)),亦可以是张量(tensor,如液晶体(liquid crystals)中的Q张量),又或是Grassmann number(这在费米系统十分常见)。
由于它是空间的函数,所以场可以是任何东西,上一段已经列举了不少例子;而且空间不一定是实空间(real space),也可以是傅立叶空间(Fourier space)。由此可见,场是一种十分广泛的东西,不同的系统有不同的场,而且不限于物理系统(如统计学中便有马尔可夫随机场(Markov Random Field),在机器学习中近来很火)。题主问场的本质是什麽,我只能说它是空间的函数,无法再更具体了。但在不同的问题,这个场必定是具题的东西,可以量度或以此产生可量度的其他的场。
在古典物理中,常见的场有引力势(gravitational potential)、电势(electric potential)和向量势(vector potential),这些场可由系统的情况求出,然后我们值此可写出其Lagrangian或Hamiltonian,用Euler-Lagrange equation求出系统的运动方程(equations of motion)。
到了量子物理,情况便有少许不同。我们可能需要古典物理中的Lagrangian或Hamiltonian,或完全需要新的Hamiltonian(就像统计物理中常用的Ginzburg-Landau Hamiltonian),把这个系统写成一个Lagrangian或Hamiltonian,而它们是一个场的泛函(functional)。它的平均场论(mean-field theory)可直接从Euler-Lagrange equation求出。求出后,用微扰(perturbation)方法求出其波动(fluctuation)的特性(如系统有自发对称残缺(spontaneous symmetry breaking),其Goldstone modes便可在这时求出)。这时我们会发现有些项发散(diverging),我们便可用counter-term消去发散项,这一步便是重整化(renormalization)。如果系统有自相似性(self-similarity),我们可用重整化群(renormalization group)看看这场论有一些项是不是不重要的。
编辑于 2014-05-16
匿名用户
「场」是用于物理的数学工具,其本质是对空间中的每个点赋予一个量,可以是标量、向量或者张量。
从数学的角度理解,场是一个函数,定义域是空间,值域看情况。
比如温度场是一个标量场,空间中每一点都对应一个标量,表征该点的温度。类似还有势场,密度场。
比如电场是一个向量场,空间中每一点有一个向量表征单位点电荷受到的力。类似还有磁场,流速场。
经典力学中的引力场是向量场,给空间中每一点赋一个向量,表征单位质量的质点在该点受到的力。
广义相对论中的引力场是张量场,爱因斯坦场方程中涉及曲率张量、应力-能量张量、度规张量等。
其中曲率张量场给时空中每一点赋予该点的曲率张量,表征时空在该点的弯曲。
另外,数学工具「场」描述的物理对象有时也叫「场」,比如电磁场,这个对象有人认为是一种「物质」。我认为「物质」没有明确定义,所以对此不做评价。

编辑于 2013-05-11
Ivony
非专业,简单说说。
提问者的问题在于科普书看太多,太杂。
其实很多问题根本没有什么本质。
我们不过在追寻更简洁有力的理论模型,就物理学这个科学研究而言,从对现象的归纳总结入手,我们不可能得到万物的本质到底是什么的答案。有些时候,我们甚至会得到多个看起来同样简洁的理论模型,我们无法到底哪个是本质。例如矩阵力学和波动力学。
最开始发明场这个概念是作为超距作用力的媒介,后来发现各种基本力都是超距作用,场本身没有实体就退化为描述作用力的一种方式。再回来引力场被广相干掉,用更简洁的等效原理描述。
所以,就像我问你,1的本质是什么?1没啥本质,他就是表示第一个正整数。
场的本质是什么?场就是某个有特定特性(质量、电荷)的物质在空间各位置会受到何种方向何种大小的力的描述的集合。
编辑于 2016-07-24
赵益达
场是物理量在空间上的分布。它本质上是一种数学抽象
按照物理量是否是矢量,可把场分为矢量场和标量场。
拿你的房间来说,如果你开着空调,房间内每一点都有一个温度,用函数可表示成 T(x,y,z),当然很难写出具体的解析式,这就是一个标量场。如果你开着风扇,那么房间内每一点都有一个风速,速度有方向也有大小,可以用 \vec{v} (x,y,z)表示,这就是一个矢量场。当然不用空调和风扇房间内照样有这两种场,只不过温度风速就基本不变化了,变成每一点几乎都相等的场了。按照场是否随时间变化可分为稳恒场非稳恒场
编辑于 2016-07-24
马晨
写自己的体会,不对的话请轻喷……
(今天最后一个长答案了……再不干活就要挨骂了……)
我们描述日常物体,实际上是经过很多简化的。一个钢球,那么多分子,我们却用三维的位置——三个自由度描述它。这就意味着,我们需要在详细研究的时候,还原被我们简化的自由度。
比如,研究小球转动,我们需要还原转动自由度;研究热运动,我们需要还原温度,体积这些自由度。抛开分子不谈,如果我们把钢球看成是连续的质量分布(随空间延展的质量,并非集中在一点的质量),到最后就免不了把他看成是“场”——无穷多个自由度,用空间位置标记。
什么意思呢?比如温度这样一个物理量,当我们看成场时,其实就是每一个空间位置都有一个温度,每一个温度都是可变的,都是一个自由度。空间是连续的,我们就有了无穷多个自由度。
但是,并不是这些自由度的任意一种取值都是可能的,我们由最小XX原理来描述他们真实的情况,这就是场论:描述场应该是什么样的理论。这理论一般是若干方程构成的,用来解出场随空间的分布。
以上这种理解,比较适用于连续介质,比如流体场等等;电磁场概念的出现,正如上面几位所说,是出于要解释为什么相距很远的物体可以有相互作用这件事情。但是,这种理解我个人认为无助于理解为什么场可以看成一种物质。如果我们把场看成许多自由度的话,就可以理解了:场也就是理想中无穷细分的普通物质。这样,对于为什么作为经典理论的拉格朗日力学,可以用来处理场论,也就容易理解了。
另外:说场是物质,是因为他可以具有物质的基本属性:能量,动量,角动量等等。以电磁场为例,我们就可以定义能量密度,动量密度和角动量密度;这使得在相互作用中,可以利用守恒量来处理问题:物质和电场的作用,可以看做物质和电磁场交换能量、动量等等。在这种意义上,称场为物质。
关于场粒子,具体机制在课本上,还没看……不便细说。不过,由场传递的相互作用,都可以看成是场粒子的吸收和发射,这个是可以肯定的。所以,把场看成是一堆场粒子,不严谨的意义上,也可以说对。
发布于 2014-09-01
杜帅
同样身为小白,也想说两句。
题主这个问题让我突然发现自己根本不知道「场」到底是什么。
回顾高中学的物理学知识,又上网搜了一下维基百科之类的内容,说一下自己的理解。我觉得「场」貌似有两种理解。
第一种,「场」是(某种物理量的)空间分布状态,也就是
@陳浩
说的一种以空间为自变量的函数。不过维基百科里的说法是「A field is a physical quantity that has a value for each point in spaceand time」,这句话的表语中心语竟然是物理量(physical quantity),也就是说,场是按照某种状态分布的物理量,也就是函数的值。不管是函数,还是函数的值,这都是一种偏数学化的理解。在这种理解基础上,根据其数学性质的不同,可以分为标量场(温度)、矢量场(引力)、张量场(应力)等类型,并且还有分析场的梯度、旋度、散度等等的学科,叫「场论」。
第二种,就是把「场」当成是一种实实在在的东西。就如维基百科里「Defining the field as 'numbers in space' shouldn't detract from the idea that it has physicalreality. “It occupies space. It contains energy. Its presence eliminates a true vacuum.”The field creates a 'condition in space' such that when we put a particle in it, the particle 'feels' a force.」的说法,「场」占据着空间,含有能量,而且还对其内部的粒子产生作用,就好像人在水中受到水的作用一样,这时候场就和水一样成了一种物质。本来是地球对人产生引力,这样一来变成了地球产生引力场,引力场在对人起作用。
至于「场」的最本质的最标准的定义,希望有大神能给出来。上边我说的两种理解,我感觉还是有明显区别的,应该有一种更好的解释,不应该产生这种分歧。
发布于 2013-05-11
匿名用户
Q: 如何调和牛顿引力中「引力场」和爱因斯坦广义相对论中的时空弯曲?
A: 现代意义(广义相对论之后)的「引力场」就是时空本身(术语是「度规」),牛顿引力表现为当有单一引力源存在的时候,「引力场」(时空)会变化为一种(弯曲)状态,这种状态下其它物质在其中的运动会受到变形而倾向于接近引力源。这种状态在弱引力近似下符合牛顿万有引力的描述,或者说牛顿的「引力场」是现代意义的「引力场」在弱引力近似下唯一「显著」的一个效应。

Q: 怎样理解「引力子」?
A: 这是比广义相对论更进一步的理解,即在「试图量子化引力」的过程中,引入的对「引力场的激发」的一种描述,类似于把「电磁场的激发」描述为「光子」,或者不妨理解为类似于敲击琴弦产生的在弦上传播的「波」的东西。因为处于对「试图量子化引力」的尝试中,这个概念可以称为一种假说,不管是出于难度还是确定性的考虑,普通人都不必太过在意。
Q: 「场」是什么?
A: 正确的理解是,「场」是一种「量」在时空中的「分布」。在时空中分布的意思是这个量在一定的时间、空间范围内存在,并且每一位置每一时刻它的「值」可以不同(其实就是时空中的一种函数)。这个「量」的形式非常任意,可以是一个数(温度场、密度场),可以是一个矢量(电场、风速场),可以是张量(物体内部的应力分布、「度规」),甚至可以是读者们完全不懂的类型如旋量(描述包括自旋自由度在内的电子状态的量)或量子算符。
重要的是,问「场的本质是什么」是毫无意义的。它是一种物理存在,也是一种数学定义。我们在描述物理存在的时候必定用到数学语言,而「场」仅仅是数学语言中的一个词。而「本质」这个词却在数学语言的辞典中找不到。
Q: 「场」和「力」「相互作用」是什么关系?
A: 分两个阶段。最初,「场」概念的提出是用来解释远程力的。这是建立在非常朴素的思想「相互作用一定需要一定程度的接触才行」,而从「力线」的概念中衍生出来的。当时认为,电荷或电流产生电磁场,电磁场对在其中电荷或电流产生力。到这里为止,「场」其实还没有被当做「物质」来看待。直到发现电流元之间的磁力并不满足牛顿第三定律,才引入了「场的动量」的概念,并逐渐接受「场」作为某种「特殊物质」的设定。
第二个阶段即量子场论,该理论中不仅场是一种物质,所有物质都是一种「场」,而粒子则是场的一种激发,就像在平静的池塘中投一粒石子,激起的水波。粒子的运动就是波的传播,而粒子之间的「相互作用」则是场的相互作用在其激发之间的体现。就好像平静的水面上并没有风,但如果水上卷起了浪花,就会带动风;同样如果刮来一阵风,就会卷起浪花。空气和水就是两种不同的场,而风和浪花则是对应的粒子。在这个图景下,「力」的概念已经被消解,电磁力的作用被分解为「源发出电磁场」「电磁场传播」和「电磁场作用于电荷」三部分,其中第一和第三部分涉及到带电物质的场与电磁场的相互作用,而第二部分则是电磁场依照自身的运动方程进行传播。
发布于 2015-07-10
三角龙等233人
牛顿物理没有场的明确定义,场是物质,满足客观存在,广义相对论的引力场是时空不均匀的体现,电磁场没有类似解释,数学上的场你可以理解为定义在空间上的一个函数…,
发布于 2016-07-24
nan hu
场是一个物理量的空间分布的统一描述。比如一个屋子里有个大磁铁,它的磁场,原生态的意思就是拿个小磁针到屋子各个部分放,然后把屋子里面所有部位小磁针的指向都记录下来,这样形成了一个函数。其实你也可以说,这个大磁铁对小磁针的力是这样作用的:在A点向东,在B点向东偏南30度,在C点向北。。。。这样说起来有点麻烦,所以就干脆画了个图或者给出一个函数,说这个就是你要的答案。
所以说,场的概念只是为了描述方便,同时进一步使得计算方便而已。太阳与地球之间有引力,这种力是如何在两个物体间发生作用的?这个作用是实验观测的结果,和场不场的没关系。而如何描述这种作用可以有很多语言的,你可以描述太阳看到了地球,于是他们惺惺相惜。。。。;也可以描述为:太阳在那里已经有了作用,产生了一些小东西,而地球又恰好去了那里(因为没有地球确实就不会有相互作用嘛,废话,一个巴掌拍不响!);更加流行的时髦用语可能是太阳的引力场作用于空间,使得空间扭曲,而地球恰好处于那个空间中。。。这些描述都是可以的,因为他们不违背实验结果。但是值得注意的是,这些描述本身没有过错,但是不一定会形成完整的物理理论。而且,一种理论要使用相应的一种描述,不能混用,很多时候物理理论的争论不清恰恰出现在语言描述上。比如用行星轨道那套语言就根本没办法描述原子内部的真实行为(我这里用到的“真实”这个词是定义在理论和实验结果相符这个层面上)。很多时候,我们用场的语言描述更加方便,而且更加方便直接地描述了太阳这个物体独立于地球的本身的性质,其实最重要的原因是为了方便计算而已。

编辑于 2015-01-13
野生年华
——举个例子,引力场,我只能粗浅地说明一下子我的理解。
虽然我是物理的爱好者,但是,这只能算是比较业余的回答。
如果有别人看到,希望能够不吝指正。
就我的理解而言,引力是不存在的。
也就是说——引力不是一种所谓的力,它的本质是惯性。
在一个“平直的空间”当中,两点之间最短为一条直线,根据牛顿定律,一个匀速运动的物体,会始终保持直线运动的状态,
换言之,物体从一个地方到另外一个地方,会自然而然地以最短的路径移动。
想象一下子,你推动一个物体,产生力F,它的方向为A1,那么,在“平直的空间”当中,它必然沿着最短的路径,直线移动,那么,在没有其他外力的作用下,它就会保持匀速直线运动状态。
问题是,在真实的宇宙当中,两点之间最短的不是“直线”。
欧式几何是平直的空间,也就是我们人类想象当中的世界。
它有五个公设。
一、由任意一点到任意一点可作直线。
二:一条有限直线可以继续延长。
三: 以任意点为心及任意的距离可以画圆。
四:凡直角都相等。
五:同一平面内一条直线和另外两条直线相交,若在某一侧的两个内角的和小于两直角,则这两直线经无限延长后在这一侧相交。
第五条是平行线定理——问题是,它是无法被证明的。
假设:我们将第五条定理写成:
过直线外一点,有两条甚至无数条直线可以和这条直线平行。
或者:过直线外一点,没有任何直线可以和这条直线平行。
都可以推导出一个非常严谨的数学体系。
这其实是类似于球面几何,因为在三维的层面上,纸张被弯曲了,所以,在二维的角度看来,没有任何办法可以证明,存在仅存在两条平行线。随着纸张的弯曲,可以出现无数条平行线,或者根本不存在平行线。
而从三维的角度来看,既然是一个球面,所谓的直线,本质上就是曲线。二维的纸张生物,是没有办法察觉到这一点的。
换句话来说,欧氏几何学,并不是对真实世界非常非常客观的反映。
它假设的,是一个平直的空间。
回到现实世界,你推动一个物体,产生力F,它的方向为A1,在真实的世界里面,它会受到所谓的“引力'的影响,作”抛物线“运动。
参考平直的空间的情况。
这种”抛物线“运动,本质上是因为空间当中最短的两点不再是直线,而是类似于抛物线这样的曲线。那么,既然物体要做所谓的“匀速直线运动”(我认为,用最短路径运动可以更加贴切地描绘这类运动的本质),它就会沿着路径最短的方向移动。
当你觉得:我擦,这东西会掉在地上,它呈曲线运动,这可不行,我要让它走直线!
那么,以人类的角度观察到的所谓直线,本质上是曲线。
那么,我们知道,要让一个物体走曲线,那就要克服惯性。因为,匀速直线运动是不需要外力作用的(在真实的空间当中,真正的匀速直线运动,其实就是自由落体。当然,我们会认为这是一个抛物线运动,或者是一个加速运动。)
而曲线运动,必然需要有一个合外力,这个合外力不能和物体的移动方向一致。
所以,在真实的空间中,要保持直线,就要提供一个额外的合外力来对抗“不存在的引力”。引力是不存在的,产生引力的,是物体自身的惯性。
=============下面一个问题,为什么会产生空间扭曲?
这其实是相对论当中的范畴。
我的粗浅理解是这样的。
在宇宙当中,我们观察到,光速是一定的。
这个光速,是在任何参照系下都保持一致,不可能存在快于光速的物体。
当然,可能很多人会有这样的疑问。
我在地球上,向着北极方向,发射一枚速度为80%光速的火箭A。
然后我在南极方向,发射一枚速度为80%光速的火箭。
问:他们之间的速度是多少?
很显然:光速在第三者的角度,似乎是可以超过这个数字的。
从地球的角度来看。
火箭A以80%的光速从北极方向远离地球。
火箭B以80%的光速从南极方向远离地球。
那么,很显而易见,它们的距离增加的速度,是1.6倍光速。(请忽略地球公转和自转的本质,理解其中内涵就够了)
问题是——简单的加减法,是地球上逗比人类的想法。
事实上,从火箭A观测火箭B,火箭B仍然不会超过光速(具体速度是多少,请物理大能指教),反过来,火箭B观测火箭A,火箭A仍然不会超过光速。
你对于这两个火箭的加减法运算,只是你自己坐在地球上算出来的,实际上根本没有意义。
其原因是:
距离永远是相对的。
时间也是相对。
当光速不变的时候,事实上,意味着路程和时间就在发生变化。
V=S/T,当S在相对性的概念当中变短,T变长的时候,两只火箭的速度就被强行拖慢了。
而能量、质量,本质上也是依赖类似于速度,体积,距离之类的换算。
很显然,你速度越快,物体获得的能量也就越大。
所以,可以这么理解,大质量的物体。
和高速往一个方向发射的物体。
本质是一致的。
因为光速不变的定理,空间会因为一个高速飞行的物体而发生歪曲,同理,一个很大质量的物体,也在歪曲它周围的空间。
这就是引力场的真相。
简单来说:
1、因为光速不变定理,速度快的物体,会产生尺慢钟缩效应,这种效应,用通俗的话来解释,就是空间和时间的扭曲。
2、速度快的物体可以被认为具备更高的能量,因为能量和质量的本质是一致的。所以,高质量的物体,它和速度极快的物体会产生一模一样的效应(即空间扭曲)
3、在被弯曲的空间当中,任何被人类认为是直线的行为,本质上其路径不是最短的,所以,需要做曲线运动。曲线运动需要一个和方向不一致的加速度,这意味着,你需要花费一个F去对抗无形的“重力”。
4、虽然重力不存在,但是,你要做曲线运动所需的力是真实不虚的。
因此,人类利用需要改变方向的力计算出一个所谓的“重力”
这个重力实际上不存在,但是,它围绕着所有大质量的物体。
假设不存在的重力存在的理论,可以解释很多问题。
事实上,人类根本无法分辨这是因为空间的歪曲,还是真的有一股力指向地球的中心。
所以,场出现了。
这就是我所理解的引力场理论——电磁场理论可能需要用量子力学解释。
但是——我没怎么看明白量子力学。
我只能猜测,其他的基本力是某个类似于引力场的机制产生的力。
它和现有的某些东西无法分辨。
所以,人类用“基本力”来解释,事实上,根本不存在所谓的电磁场,它和引力场一样是无形的。是某个机制必然产生的结果。
希望真正懂物理的人能够指正我的理论。
另外,我有些词不达意,所以,很多物理学的名词,被用来表达了和它的定义完全不相干的内容。
希望不会干扰你的阅读。
谢谢。
发布于 2015-08-26
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