如何讓普通人理解物理學中「場」的本質?

以前說到「引力場」,只知道大質量物體之間有引力相互作用,但是「場」是什麼,完全沒有概念。後來看一些科普的視頻,又說引力場是一種時空塌陷(視頻舉的例子是在薄膜上放金屬球,我知道這是給小白們看的形象化解釋),然後我就更加糊塗了,場究竟是一種什麼樣的存在。

百度了一下「引力場」,發現是一個神棍似的解釋(暗能量是什麼東東?),不知道他們從哪裡複製來的;維基百科上也只給了一個方程(好吧,看到方程,我沒辦法像魏成那樣直接在大腦中產生圖像)。

又百度了一下「磁場」,他們說磁場是一種物質。(!?)維基百科只解釋了磁場是如何產生的。

那「場」究竟是什麼?說是物質應該是不對的吧,如果是物質,它是由什麼構成的?如果不是物質,但它又是真實存在的。

還有一點,好像經典力學裡對引力場的解釋和相對論對引力場解釋差別很大,前者把引力場描述成磁力線那樣的東西,而後者描述成時空塌陷(時空彎曲),所以我在想,「場」這個概念是不是因為現在人類科學還很落後,並沒有搞清楚這一現象的本質,所以暫時借用一下「場」這個概念來描述和解釋這個現象,但場並不是這些相互作用的本質?

我只是個小白,如果問了可笑的啥問題,請各位專業人士多多見諒。

======================================================================

請允許我修改一下我問題的關注點(不知道在知乎是否允許這樣做?)

我盡量用我貧乏的語言描述清楚:

比如說,引力場。太陽與地球之間有引力,這種力是如何在兩個物體間發生作用的?

現在的說法是因為有引力場作為媒介(?),現在還有假說存在「引力子」。

現在還發現,光輻射能產生「光壓」,能使物體受到一定壓力。那麼是不是可以假設(請允許我胡說一下),太陽具有「光場」,所有受到太陽輻射的物體都能受到「光壓力」。而這種力的產生,是由於光子的輻射。

那麼引力的產生是否可以用同樣的方式去理解,他是因為有質量的物體輻射「引力子」?


其他幾個答案都不算錯,但並未為題主解惑。題主大可不必糾結於"本質"。這是哲學用語,而物理講求如何更好地描述我們所能觀測的各種現象。描述的方法越來越數學化,而讓普通人理解,法拉第的直覺解釋就非常好。法拉第本人雖然數學不夠好,但他的物理直覺足以讓他位列第一流的理論物理學家。

大家中學都學過電場線(field lines, 又稱電力線lines of force):最開始只是假想的線,用以描述一個(小的)虛擬電荷的受力方向。但當我們把空間都充滿很多這種線,它們又可以表達電荷所受力的大小:電場線密的地方力就大,電場線稀疏的地方力就小--當然,前提是我們把線畫得儘可能"均勻"。法拉第給出了這樣幾條法則:

1 電場線從正電荷散發出去,彙集於負電荷;電荷越大,其所「發出」或「收到」的電場線越多;

2 每根線都有張力(使其儘可能縮短);

3 同時,電場線與電場線之間互相排斥(更不可相交)。

在二維世界裡,這些線遵循這樣的法則就會呈現類似這個樣子:

這些線和線之間的排斥使得上邊和右邊的電荷相斥,而線自身的張力又使他們與第三個電荷相吸。【如果你有耐心數一下線的個數,會發現左邊兩個電荷各有24根線,而右邊的電荷有48根。】

可以認為,這些線就像是賦予了「生命」一樣,是實實在在的存在。場的概念解決了牛頓以來的一個困惑,即所謂action at a distance:一個物體,隔著這麼遠,怎麼施力於另一個物體? 這當然有點哲學的意味,物理可以不解釋的;但場論給出了很完美的解釋,電荷(或質量)周圍的空間充滿了這種電場線(或引力場線)。它們作為傳遞物質間作用的媒介,不妨也算作一種"無形的"物質。

後來麥克斯韋給出了數學上更為精準的描述,而且推導出電荷移動所引起的電場改變並不是瞬時的,而是以一個固定速度向外擴散(這個很好玩:Radiating Charge 演示)。這個大家都耳熟能詳:麥克斯韋推算出的速度恰好與當時所推測的光速接近,從而大膽斷言光是一種電磁波。沒有人會質疑光存不存在,所以電場也是真實存在的。

如果這還不足以說服你"場"是個實實在在存在的東西,可以考慮把電磁理論與經典牛頓力學結合來看。麥克斯韋之前我們就知道,靜止電荷產生的庫侖力是符合牛頓第三定律的,也就應該符合動量守恆。但一但動起來,電荷也會產生磁場,而磁場對運動電荷的力不符合牛頓第三定律(不作用在同一直線上),動量也就不守恆了。如果說場是電磁作用的媒介,會不會有的動量跑到場里了呢?確實是這樣,通過麥克斯韋方程,我們可以推導出一種「動量守恆」定律:即空間中的每一點都有個"動量密度",積分之後得到的是場所帶的動量,再加上電荷本身的動量(質量乘以速度)的總和是守恆的。同樣可以通過麥克斯韋方程推出一個能量守恆定律。場既有動量又有能量,還能說它不是一種物質嗎?它唯一欠缺的是質量。

【插一句,這麼說的話我們就可以理解為什麼19世紀末的物理學家都堅信空間中充斥著某種名之"以太"的物質(ether,古希臘的第五種元素,所以也稱quintessense),而場的動量能量自然就是這種物質的動量和能量。麥克斯韋的原著就有很多描述微觀運作的"模型"。其實以太也不應該算錯誤的概念,是一個模型而已;只是不能解釋其他現象而被摒棄。】

後來的發展遠出乎於所有人的意料:與其說場是一種物質,不如說物質是一種場,而且是(激化了的)量子場。甚至沒有質量這個缺憾也不成立了:近幾十年我們得到的物理最基本的理論"標準模型"中,所有基本粒子的場本身是沒有質量的,它們的質量是與Higgs場作用的一種"假象"。這些不是漢語或任何語言所能輕易表述的,需要大量的數學。Frank Wilczek的通俗讀物《The Lightness of Being》或許可以作為參考。

至於經典電磁學是麥克斯韋的場方程(或者更現代的微分形式)還是法拉第的表述更"本質"?只能說麥克斯韋的更便於計算,更便於量子化。費曼有句話說:

... every theoretical physicist who is any good knows six or seven different theoretical representations for exactly the same physics.

從這個問題可以看到,哲學所提出的問題(什麼是"本質"?),源於且受限於表述這個問題所使用的語言。當物理研究一步一步深入,會覺得以前的問題是無法給出答案的,而是應該問更好的問題(哲學史和科學史上的例子不勝枚舉)。

補充:我對這段科學史其實並不了解,有的地方可能"想當然"了。麥克斯韋的一篇短文http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b8/On_Physical_Lines_of_Force.pdf很好的闡述了lines of force的"真實性",可以一讀。楊振寧最近在美國的Physics Today雜誌上寫了篇小文,The conceptual origins of Maxwell』s equations and gauge theory,可作參考。


我的導師是一位粒子物理的理論學家,他指導我的時候經常對我說,思考物理問題的時候,頭腦中一定要有一個物理圖像。

這句話我一直不理解。一方面是因為我日常工作做的是複雜的數學推導和計算,我覺得只要我計算是正確的我的結果就是可信的,另一方面我認為微觀尺度下的物理規律和生活的物理規律不相同,用頭腦中生活經驗產生的圖像是不準確的。這兩方面原因讓我不理解思考問題時為什麼一定要有一個物理圖像。

後來我讀到A. Zee寫的《Quantum field theory in a nutshell》中,其中有這麼一句話:「一位菲爾茲得主告訴我,頂級的數學家們會秘密地像物理學家一樣思考,等他們得到證明的一個大框架之後,他們再用epsilon和delta的語言把證明過程包裝起來。」

從這句話里,我才體會到物理圖像的重要性。物理圖像並不一定是完全準確的,它可能是粗糙、簡陋的,但是它卻把問題的核心展示出來;它幫助我思考,讓我忽略其他不重要的細節。當核心問題被解決之後,再把整個理論用嚴謹的數學給展示出來。

很多美妙的物理理論的產生都是這個過程。「場」的概念的提出就是物理學家的一個物理圖像

法拉第是第一個在物理中使用「場」的概念的物理學家。他在他的電磁感應的論文中使用「磁力線」表示磁場的作用,用「電力線」表示靜電場的相互作用。

後來麥克斯韋沿用了場的概念,把之前實驗物理學家發現的電磁規律用數學規律描述了出來,這些方程組就是著名的「麥克斯韋方程組」。

麥克斯韋在論文《A Treatise on Electricity and Magnetism》中說,(磁)力所作用的空間就被看做是磁場,我們可以使用研究普通磁體周圍的磁力線的方法,來測量空間中每一點處的力的強度。

在此之後,場的概念就被大家廣泛使用,比如引力場,溫度場。發展到現代物理學之後,所有的物質都是場,基本粒子(如電子、光子)只不過是場的激發而已。

我上面寫的內容,都是希望告訴你,物理圖像對我們研究物理非常重要

再舉一個例子。

任何一個學過廣義相對論的同學都知道,廣義相對論的計算相當複雜。但是愛因斯坦提出廣義相對論卻是基於一個非常簡單的想法:引力可以局域地等效為物體處在非慣性參考系中。於是引力就在廣義相對論中不存在了

利用這個物理圖像,基於他的狹義相對論的時空理理論,愛因斯坦又發展出了廣義相對論。

還可以再說一點的是,我們有時說光是一種粒子,有時說光是一種波,這也是一種物理圖像而已。世界上,沒有誰知道光子是什麼,電子是什麼。它們在物理學家腦中,只是特定的物理圖像。

我們選擇某種物理圖像,是因為它展示了我們要研究問題的核心,它幫助我們忽略了無關的細節,讓我們更加深入地去理解自然規律。

但是要記住,思考完物理圖像之後,接下來是嚴謹的數學推導實驗驗證

少了後面兩步,你做的就不是物理。


「場」這個概念可以從日常經驗獲得,本身並不抽象。

顧名思義,「場」是一種在空間和(或)時間上彌散的物理量。場對立的概念是局域化的物理對象,如點粒子等。這裡所謂物理量比較寬泛,可以是基本的物質場,比如電磁場;也可以是某種屬性,比如溫度、密度、流速等。

用數學語言表達出來,場即是定義在空間和(或)時間上的函數。

我想題主困惑的應該是作為「相互作用的媒介」的場,該如何理解。

牛頓萬有引力定律說兩個相隔一定距離的物體,之間會有吸引力;庫侖定律說兩個點電荷會有庫侖力。但問題在於,這種牛頓引力和庫侖力似乎是「憑空」且「瞬間」產生的。仔細想想,這種隔山打牛似的「超距」作用,完全不可思議:

  • 其無法解釋「力」是如何憑空產生的——兩個物體中間既然相隔真空,為何會發生相互作用?
  • 瞬間的超距作用違背因果律——一個物體對另一個物體的影響,竟然比光速還快?而違背因果律的後果就是,大師還沒發力,牛就被打了?

於是一個更為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,兩個物體(對象)若想發生相互作用,必須同時同地。而兩個空間相隔距離(或者時間有先後)的物體(對象)想要發生作用,必須通過某個媒介傳遞——而其傳遞速度也不可超過光速。

形象點說,憑空發力、隔山打牛是不可能的。想打牛,只有扔板磚、石頭或者鉛球砸它。這裡板磚、石頭或者鉛球就是所謂的「相互作用的媒介」。

接下來的問題就是,這種相互作用的媒介為何要是某個「場」,某種「彌散」的東西,而不是比如——像鉛球那樣——點粒子?

這個問題靠邏輯推理無法回答,而只能靠實驗驗證。而根據目前的理解,構成物質世界的基本材料,以及這些基本材料之間的相互作用媒介,都是場。

  • 構成物質世界的基本材料,是所謂費米子場,可以認為是物質「實體」,「場量子」即是通常所說的基本粒子,電子、質子、夸克等;

  • 基本相互作用媒介,是所謂玻色子場,「場量子」即是光子(電磁場)、引力子(引力場)等等。

即,大師現在不是扔鉛球打牛,而是身體周圍聚集一股真氣,大師運氣雙手抱球,彙集真氣發射衝擊波打牛。這裡所謂「衝擊波」即是「場量子」的比喻。

於是,兩個電荷(比如電子)之間庫侖力的產生過程就是:兩個電荷中間存在電磁場,一個電荷發射電磁場的量子——即光子,然後光子傳播到另一個電荷處,與其發生作用。實際上,光子從一個電荷傳播到另一個電荷那裡的「概率」,就是庫侖的平方反比律。

具體到引力場。

引力場之所以可以視為時空的彎曲,是因為在廣義相對論(或者說所有度規引力理論)框架下,所謂的引力場——一個二階張量場——即時空幾何的「度規」場。而非平庸的度規即對應非平坦的時空曲率,即所謂時空彎曲。

實際上,引力可以是時空幾何,也可以不是,比如像電磁場那樣,純粹是一個和時空幾何無直接關係的某種場。而這,也不是邏輯的結果。之所以是前者,也是實驗證實如此。

(謝邀。)


場(field)是一個數學空間函數(function of space),這個場可以是標量(scalar,如電勢能(electric potential)),也可以是向量(vector,如磁化量(magnetization)),亦可以是張量(tensor,如液晶體(liquid crystals)中的Q張量),又或是Grassmann number(這在費米系統十分常見)。

由於它是空間的函數,所以場可以是任何東西,上一段已經列舉了不少例子;而且空間不一定是實空間(real space),也可以是傅立葉空間(Fourier space)。由此可見,場是一種十分廣泛的東西,不同的系統有不同的場,而且不限於物理系統(如統計學中便有馬爾可夫隨機場(Markov Random Field),在機器學習中近來很火)。題主問場的本質是什麽,我只能說它是空間的函數,無法再更具體了。但在不同的問題,這個場必定是具題的東西,可以量度或以此產生可量度的其他的場。

在古典物理中,常見的場有引力勢(gravitational potential)、電勢(electric potential)和向量勢(vector potential),這些場可由系統的情況求出,然後我們值此可寫出其Lagrangian或Hamiltonian,用Euler-Lagrange equation求出系統的運動方程(equations of motion)。

到了量子物理,情況便有少許不同。我們可能需要古典物理中的Lagrangian或Hamiltonian,或完全需要新的Hamiltonian(就像統計物理中常用的Ginzburg-Landau Hamiltonian),把這個系統寫成一個Lagrangian或Hamiltonian,而它們是一個場的泛函(functional)。它的平均場論(mean-field theory)可直接從Euler-Lagrange equation求出。求出後,用微擾(perturbation)方法求出其波動(fluctuation)的特性(如系統有自發對稱殘缺(spontaneous symmetry breaking),其Goldstone modes便可在這時求出)。這時我們會發現有些項發散(diverging),我們便可用counter-term消去發散項,這一步便是重整化(renormalization)。如果系統有自相似性(self-similarity),我們可用重整化群(renormalization group)看看這場論有一些項是不是不重要的。


場是物理量在空間上的分布。它本質上是一種數學抽象

按照物理量是否是矢量,可把場分為矢量場和標量場。

拿你的房間來說,如果你開著空調,房間內每一點都有一個溫度,用函數可表示成T(x,y,z),當然很難寫出具體的解析式,這就是一個標量場。如果你開著風扇,那麼房間內每一點都有一個風速,速度有方向也有大小,可以用vec{v} (x,y,z)表示,這就是一個矢量場。當然不用空調和風扇房間內照樣有這兩種場,只不過溫度風速就基本不變化 了,變成每一點幾乎都相等的場了。按照場是否隨時間變化可分為穩恆場非穩恆場


「場」是用於物理的數學工具,其本質是對空間中的每個點賦予一個量,可以是標量、向量或者張量。

從數學的角度理解,場是一個函數,定義域是空間,值域看情況。

比如溫度場是一個標量場,空間中每一點都對應一個標量,表徵該點的溫度。類似還有勢場,密度場。

比如電場是一個向量場,空間中每一點有一個向量表徵單位點電荷受到的力。類似還有磁場,流速場。

經典力學中的引力場是向量場,給空間中每一點賦一個向量,表徵單位質量的質點在該點受到的力。

廣義相對論中的引力場是張量場,愛因斯坦場方程中涉及曲率張量、應力-能量張量、度規張量等。

其中曲率張量場給時空中每一點賦予該點的曲率張量,表徵時空在該點的彎曲。

另外,數學工具「場」描述的物理對象有時也叫「場」,比如電磁場,這個對象有人認為是一種「物質」。我認為「物質」沒有明確定義,所以對此不做評價。


寫自己的體會,不對的話請輕噴……

(今天最後一個長答案了……再不幹活就要挨罵了……)

我們描述日常物體,實際上是經過很多簡化的。一個鋼球,那麼多分子,我們卻用三維的位置——三個自由度描述它。這就意味著,我們需要在詳細研究的時候,還原被我們簡化的自由度。

比如,研究小球轉動,我們需要還原轉動自由度;研究熱運動,我們需要還原溫度,體積這些自由度。拋開分子不談,如果我們把鋼球看成是連續的質量分布(隨空間延展的質量,並非集中在一點的質量),到最後就免不了把他看成是「場」——無窮多個自由度,用空間位置標記。

什麼意思呢?比如溫度這樣一個物理量,當我們看成場時,其實就是每一個空間位置都有一個溫度,每一個溫度都是可變的,都是一個自由度。空間是連續的,我們就有了無窮多個自由度。

但是,並不是這些自由度的任意一種取值都是可能的,我們由最小XX原理來描述他們真實的情況,這就是場論:描述場應該是什麼樣的理論。這理論一般是若干方程構成的,用來解出場隨空間的分布。

以上這種理解,比較適用於連續介質,比如流體場等等;電磁場概念的出現,正如上面幾位所說,是出於要解釋為什麼相距很遠的物體可以有相互作用這件事情。但是,這種理解我個人認為無助於理解為什麼場可以看成一種物質。如果我們把場看成許多自由度的話,就可以理解了:場也就是理想中無窮細分的普通物質。這樣,對於為什麼作為經典理論的拉格朗日力學,可以用來處理場論,也就容易理解了。

另外:說場是物質,是因為他可以具有物質的基本屬性:能量,動量,角動量等等。以電磁場為例,我們就可以定義能量密度,動量密度和角動量密度;這使得在相互作用中,可以利用守恆量來處理問題:物質和電場的作用,可以看做物質和電磁場交換能量、動量等等。在這種意義上,稱場為物質。

關於場粒子,具體機制在課本上,還沒看……不便細說。不過,由場傳遞的相互作用,都可以看成是場粒子的吸收和發射,這個是可以肯定的。所以,把場看成是一堆場粒子,不嚴謹的意義上,也可以說對。


非專業,簡單說說。

提問者的問題在於科普書看太多,太雜。

其實很多問題根本沒有什麼本質。

我們不過在追尋更簡潔有力的理論模型,就物理學這個科學研究而言,從對現象的歸納總結入手,我們不可能得到萬物的本質到底是什麼的答案。有些時候,我們甚至會得到多個看起來同樣簡潔的理論模型,我們無法到底哪個是本質。例如矩陣力學和波動力學。

最開始發明場這個概念是作為超距作用力的媒介,後來發現各種基本力都是超距作用,場本身沒有實體就退化為描述作用力的一種方式。再回來引力場被廣相干掉,用更簡潔的等效原理描述。

所以,就像我問你,1的本質是什麼?1沒啥本質,他就是表示第一個正整數。

場的本質是什麼?場就是某個有特定特性(質量、電荷)的物質在空間各位置會受到何種方向何種大小的力的描述的集合。


場是一個物理量的空間分布的統一描述。比如一個屋子裡有個大磁鐵,它的磁場,原生態的意思就是拿個小磁針到屋子各個部分放,然後把屋子裡面所有部位小磁針的指向都記錄下來,這樣形成了一個函數。其實你也可以說,這個大磁鐵對小磁針的力是這樣作用的:在A點向東,在B點向東偏南30度,在C點向北。。。。這樣說起來有點麻煩,所以就乾脆畫了個圖或者給出一個函數,說這個就是你要的答案。

所以說,場的概念只是為了描述方便,同時進一步使得計算方便而已。太陽與地球之間有引力,這種力是如何在兩個物體間發生作用的?這個作用是實驗觀測的結果,和場不場的沒關係。而如何描述這種作用可以有很多語言的,你可以描述太陽看到了地球,於是他們惺惺相惜。。。。;也可以描述為:太陽在那裡已經有了作用,產生了一些小東西,而地球又恰好去了那裡(因為沒有地球確實就不會有相互作用嘛,廢話,一個巴掌拍不響!);更加流行的時髦用語可能是太陽的引力場作用於空間,使得空間扭曲,而地球恰好處於那個空間中。。。這些描述都是可以的,因為他們不違背實驗結果。但是值得注意的是,這些描述本身沒有過錯,但是不一定會形成完整的物理理論。而且,一種理論要使用相應的一種描述,不能混用,很多時候物理理論的爭論不清恰恰出現在語言描述上。比如用行星軌道那套語言就根本沒辦法描述原子內部的真實行為(我這裡用到的「真實」這個詞是定義在理論和實驗結果相符這個層面上)。很多時候,我們用場的語言描述更加方便,而且更加方便直接地描述了太陽這個物體獨立於地球的本身的性質,其實最重要的原因是為了方便計算而已。


針對提問,重點解釋一下引力場和重力場。首先解釋一下場與物理場:

如果區域V中的每個點a對應一個作用或效應F,則在這個區域中存在一個場F。一般,區域V中的不同點a對應不同的F值,即這個場值是電位的函數。觀測到一個場值的a點,即場值被確定的點,稱為場的觀測點,即F=F(a),當場值F(a)描述空間域(或時間域)的一個物理現象時,場F(a)是一個物理場。物理場包括標量場T(a)及矢量場M(a)。如果M(a)a點處的一個力,則稱為力場。力場的例子就有重力場,電磁場及電場等。

物理場是空間中各點存在的一種物理作用、現象或效應,分布於引起它的場源體的周圍,與場源體共存。物理場所在的空間稱為「場域」。物理場不能脫離空間而存在;而空間則是物理場存在的場所。

物理場是客觀存在的某種物質客體,是物質的一種形態。物理場具有實物的共同特性。例如:物理場具有各種不同的形式,如引力場、電磁場等;物理場具有質量,能量和動量;物理場能由一種形態轉化為另一種形態。當然,物理場與實物之間也具有差異,例如一切實物所佔有的空間,不能同時又是另一實物所佔有的空間。與此相反,同一空間內可以同時存在許多不同的物理場,而為發現其相互影響。

有了上面的理論基礎,下面說說引力場和重力場:

引力場:空間中存在的一種引力作用或效應。當物體存在時,其周圍空間中就有與他共存的引力場,兩者緊密聯繫,不可分離,誰也不能單獨存在。引力場是空間分布決定於物體的質量分布;一定的質量分布對應於一定的引力場分布。引力場還可以定量的描述為:任意一點P處的單位質量受到的質量m_{1} 的力,定義為質量m_{1} 的引力場。

重力場:地球的重力場是地球周圍空間中任何一點存在的一種重力作用或重力效應,或為地球表面或其附近一點處單位質量所受到的重力,數值上等於重力加速度。重力場是空間中的一種力或力場,分布於地球表面或其臨近的空間;空間中任一質量都受到重力的作用。重力場是引力場和慣性離心力場的合成場。重力場不是重力或其效應存在的區域或空間。重力場的測量應當是重力場所在的空間區域或場域中,而不是在重力場中進行。

------------------------------------------------累死我了~~~~~就目前我學到的關於場的知識還有關於電磁場,地震波場,地電場,要打字起來實在太多了,但是本質就是前兩段話,希望能科普,謝謝!如果lz還要探究往下其物質本質,抱歉,學的沒那麼深了,哈哈哈---------------------------------------------


同樣身為小白,也想說兩句。

題主這個問題讓我突然發現自己根本不知道「場」到底是什麼。

回顧高中學的物理學知識,又上網搜了一下維基百科之類的內容,說一下自己的理解。我覺得「場」貌似有兩種理解。

第一種,「場」是(某種物理量的)空間分布狀態,也就是@陳浩說的一種以空間為自變數的函數。不過維基百科裡的說法是「A field is a physical quantity that has a value for each point in space and time」,這句話的表語中心語竟然是物理量(physical quantity),也就是說,場是按照某種狀態分布的物理量,也就是函數的值。不管是函數,還是函數的值,這都是一種偏數學化的理解。在這種理解基礎上,根據其數學性質的不同,可以分為標量場(溫度)、矢量場(引力)、張量場(應力)等類型,並且還有分析場的梯度、旋度、散度等等的學科,叫「場論」。

第二種,就是把「場」當成是一種實實在在的東西。就如維基百科裡「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.」的說法,「場」佔據著空間,含有能量,而且還對其內部的粒子產生作用,就好像人在水中受到水的作用一樣,這時候場就和水一樣成了一種物質。本來是地球對人產生引力,這樣一來變成了地球產生引力場,引力場在對人起作用。

至於「場」的最本質的最標準的定義,希望有大神能給出來。上邊我說的兩種理解,我感覺還是有明顯區別的,應該有一種更好的解釋,不應該產生這種分歧。


為什麼要覺得場是物質呢?為什麼不覺得物質就是場呢,就像紙與紙上的畫一樣,我個人是反過來理解的..

整個世界都是場,或者說field(領域),可以想像桌子上有一塊桌布(場),然後某一點有個球(物質),球扭曲了桌布,將它墊起來了,現在另一處如果又有了一個球,兩個墊起來的球形成了兩個高地,和沒有球的桌面相比多了兩塊扭曲的地方,在我的理解中這就是場中兩質點與其相應引力場的軌跡

我的理解是不是很23333


XX範圍內移動速度減少50%的buff你懂吧~


經典力學中場的概念是怎麼來的

以經典電磁場為例,真空中兩個靜止點電荷的相互作用力用庫倫定律描述(F=k(q1)(q2)/r2),如果在空間中有一個固定點電荷,放入一個點電荷,用庫倫定律計算他們之間的相互作用力,每放入一個電荷,就要計算一次,為了方便計算,定義一個叫做電場矢量的概念(E=kQ/r2),這樣只要計算出電場E,下次再放入一個電荷時直接利用電荷的電量q乘以電場E就能知道電荷所受到的力了,這樣計算方便了很多。

電場概念的引入不只是數學上的方便,電荷在電場中產生電場,電場使電荷產生加速度,這種理解上的革新也是非常深刻的,如果按照一個電荷對另一個電荷產生直接作用的觀點來看,當放入另一個電荷時,放入的檢驗電荷立刻產生了加速度,受到作用力,這也就是說源電荷在一瞬間就對另一個電荷產生了作用力,這種超距作用在經典力學中是不允許的,所以場看起來更加像是一種客觀實在而不是為了方便而引入的數學概念。

也許這種說法還不能令人完全信服。想像一個正在做加速運動的電荷,那麼它對空間中其他的電荷產生了相互作用力,有兩種觀點看待它。

第一種觀點:電荷與其他電荷之間直接產生相互作用力。

第二種觀點:電場是真實存在的。電荷產生了電場,電場又對電荷產生了作用。

下面來分別看這兩種觀點。假設這時候把電荷很快的放入一個盒子里,使它與外界隔絕開來或移到無限遠處。這時候在空間裡面再放進去一個電荷,發現電荷產生了加速運動,也就是電荷受到了某種作用力。按照第一種觀點的解釋,電荷是因為受到了另一個電荷的直接作用力,但是此時電荷已經被放在盒子里或移開了,不可能對其它電荷產生影響,所以說第一種觀點是行不通的。那麼來看第二種觀點,雖然電荷已經被移開,但是其產生的電磁場卻是真實的存在那裡的,因此另一個電荷受到了電場的作用而產生加速運動,第二種觀點很好的解釋了上述現象,這說明場是真實存在的。

場是一個抽象的概念。(可參考費恩曼物理學講義第二卷第一章場是什麼)在牛頓力學中,物理定律描述的是一個物體對另一個物體產生的直接相互作用力。而到了研究電磁學的時候,人們發現直接寫出兩個物體之間的相互作用力是非常複雜的,引入電場線等概念可以使計算變得簡單,這種方法很抽象也很新穎,後來發現這是正確的路子,場的概念逐漸被接受,麥克斯韋方程組就是用場的概念描述的,有很好的對稱性,從中還預言了電磁波的存在。光就是一種電磁波,就是在空間中振蕩的電場和磁場並以光速前進。所以說場是真實存在的。


Q: 如何調和牛頓引力中「引力場」和愛因斯坦廣義相對論中的時空彎曲?

A: 現代意義(廣義相對論之後)的「引力場」就是時空本身(術語是「度規」),牛頓引力表現為當有單一引力源存在的時候,「引力場」(時空)會變化為一種(彎曲)狀態,這種狀態下其它物質在其中的運動會受到變形而傾向於接近引力源。這種狀態在弱引力近似下符合牛頓萬有引力的描述,或者說牛頓的「引力場」是現代意義的「引力場」在弱引力近似下唯一「顯著」的一個效應。

Q: 怎樣理解「引力子」?

A: 這是比廣義相對論更進一步的理解,即在「試圖量子化引力」的過程中,引入的對「引力場的激發」的一種描述,類似於把「電磁場的激發」描述為「光子」,或者不妨理解為類似於敲擊琴弦產生的在弦上傳播的「波」的東西。因為處於對「試圖量子化引力」的嘗試中,這個概念可以稱為一種假說,不管是出於難度還是確定性的考慮,普通人都不必太過在意。

Q: 「場」是什麼?

A: 正確的理解是,「場」是一種「量」在時空中的「分布」。在時空中分布的意思是這個量在一定的時間、空間範圍內存在,並且每一位置每一時刻它的「值」可以不同(其實就是時空中的一種函數)。這個「量」的形式非常任意,可以是一個數(溫度場、密度場),可以是一個矢量(電場、風速場),可以是張量(物體內部的應力分布、「度規」),甚至可以是讀者們完全不懂的類型如旋量(描述包括自旋自由度在內的電子狀態的量)或量子算符。

重要的是,問「場的本質是什麼」是毫無意義的。它是一種物理存在,也是一種數學定義。我們在描述物理存在的時候必定用到數學語言,而「場」僅僅是數學語言中的一個詞。而「本質」這個詞卻在數學語言的辭典中找不到。

Q: 「場」和「力」「相互作用」是什麼關係?

A: 分兩個階段。最初,「場」概念的提出是用來解釋遠程力的。這是建立在非常樸素的思想「相互作用一定需要一定程度的接觸才行」,而從「力線」的概念中衍生出來的。當時認為,電荷或電流產生電磁場,電磁場對在其中電荷或電流產生力。到這裡為止,「場」其實還沒有被當做「物質」來看待。直到發現電流元之間的磁力並不滿足牛頓第三定律,才引入了「場的動量」的概念,並逐漸接受「場」作為某種「特殊物質」的設定。

第二個階段即量子場論,該理論中不僅場是一種物質,所有物質都是一種「場」,而粒子則是場的一種激發,就像在平靜的池塘中投一粒石子,激起的水波。粒子的運動就是波的傳播,而粒子之間的「相互作用」則是場的相互作用在其激發之間的體現。就好像平靜的水面上並沒有風,但如果水上捲起了浪花,就會帶動風;同樣如果刮來一陣風,就會捲起浪花。空氣和水就是兩種不同的場,而風和浪花則是對應的粒子。在這個圖景下,「力」的概念已經被消解,電磁力的作用被分解為「源發出電磁場」「電磁場傳播」和「電磁場作用於電荷」三部分,其中第一和第三部分涉及到帶電物質的場與電磁場的相互作用,而第二部分則是電磁場依照自身的運動方程進行傳播。


牛頓物理沒有場的明確定義,場是物質,滿足客觀存在,廣義相對論的引力場是時空不均勻的體現,電磁場沒有類似解釋,數學上的場你可以理解為定義在空間上的一個函數…,


你的理解基本上是靠譜的。

但是你的問題本身有問題。

所謂」本質」這個概念太高大上了,並且也不是什麼地方都能用的。

場其實挺普遍的,比方說我們經常說」氣場」。什麼是氣場呢,就是感覺別人散發出一種東西,分布在周圍空間,你還沒接觸到人,已經感受到某種存在。

簡單說,無論什麼,只要有個空間時間分布,就是場。


場其實是時空之前的東西。


就是空間每個位置的一個狀態,這個狀態會影響其中的事和物,這個狀態可以用數學來描述。


其實場與點的關係就是函數與函數值的關係,一個函數描述了一個場,將這個場中任意一點代入函數,就得出任意一點的矢量。

其實我覺得你問錯了,磁場和引力場顯然不是同一種場(雖然有統一場理論),你其實是想知道所有命名為XX場的東西究竟為什麼要叫XX場而不叫XXY之類的,它們之間究竟有什麼共同的性質以至於都以場為命名,但實際上它們之間確實沒有什麼共同點,之所以叫場是從數學概念那邊來的。

這就像問有數學,哲學,物理學,那這個學究竟是個什麼東西?我覺得不應該這麼摳字眼,再說這些物理名詞都是打洋文翻譯過來的,中文裡都帶個場字,可洋文里恐怕未必吧。洋文里數學是math,哲學是philosophy,哪有個學字?


推薦閱讀:

盪鞦韆有可能超過軸心的高度,甚至繞上一圈么?
怎樣證明牛頓第一定律?
回形針為什麼可以飄浮在水面上?
為什麼大多數星系都是碟狀的?比如太陽系有沒有可能存在垂直於黃道面的行星?

TAG:物理學 | 理論物理 |