物理基本概念
——場與實(shí)物比較研究

唐玲琪 涂 泓

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 234000)

1 實(shí)物與場的歷史發(fā)展歷程

1.1 關(guān)于實(shí)物

實(shí)物通常是定域在空間的確定區(qū)域內(nèi)，實(shí)物是物質(zhì)的基本形態(tài)，在這里實(shí)物是指靜止質(zhì)量不等于零的物質(zhì)．也就是說，物質(zhì)世界是由大量不可分割的實(shí)物粒子所組成，這些粒子具有廣延性，不可入性和不變質(zhì)量．生活中，小到分子、原子以及更小的組成顆粒，大到星球、星系、各種宇宙星體，都是實(shí)物．關(guān)于目前實(shí)物基本存在的形態(tài)如表1所示．

表1 實(shí)物存在的形態(tài)

1.2 關(guān)于場

通常把某個物理量在空間的一個區(qū)域內(nèi)的分布稱為場，場是物質(zhì)存在的另一種形式．這種形式主要特征在于場是彌散于空間的，空間充滿著各種不同的場，它們互相滲透和相互作用著．例如，在高壓線附近存在著強(qiáng)大的電場，在我們周圍的空間中傳播著各種形式的電磁波．

1.2.1 場概念的萌芽

從古希臘起，哲學(xué)家就對場進(jìn)行了探討．亞里士多德指出所謂的“虛空”根本就不存在，空間是物體存在和運(yùn)動的場所．17世紀(jì)笛卡爾[1]追隨亞里士多德，主張真空不空，充滿了各種以太旋渦產(chǎn)生作用，沒有瞬時穿越虛空的超距作用．但是笛卡爾的以太物理學(xué)在定量描述方面存在困難，而且在經(jīng)驗(yàn)事實(shí)受到反駁，在與牛頓力學(xué)的競爭中很快衰弱．從18世紀(jì)起，牛頓的超距作用觀點(diǎn)占統(tǒng)治地位將近一個半世紀(jì)．他認(rèn)為物體間的作用力不借助媒介，都是一種超距作用，這種傳遞不需要時間，而是一種直接、瞬息的相互作用．即物體A直接作用在物體B上，這種方式具體表現(xiàn)為AB.

1.2.2 場概念的誕生

19世紀(jì)30年代，法拉第發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁棒插入導(dǎo)線圈時，導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流．從而提出另一種觀點(diǎn)，認(rèn)為電流周圍存在著由它所產(chǎn)生的“電應(yīng)力狀態(tài)”[2]．物體A對物體B的作用力，就是通過物體A的場對物體B的作用；物體B對物體A的作用力，就是通過物體B的場對物體A的作用．這種方式表現(xiàn)為

A媒介B

為此法拉第引進(jìn)了磁場線的概念，認(rèn)為電流產(chǎn)生圍繞著導(dǎo)線的磁場線，電荷向各個方向產(chǎn)生電場線，進(jìn)一步建立起以介質(zhì)中粒子的互鄰作用為基礎(chǔ)的靜電感應(yīng)理論，明確提出近距作用觀點(diǎn)，并提出場的概念．他認(rèn)為：電的相互作用是通過以太而傳遞的過程，并假定在電和磁體的周圍存在著“場”．

1.2.3 場概念的發(fā)展

1856年，在法拉第的基礎(chǔ)上，麥克斯韋總結(jié)了電磁現(xiàn)象的規(guī)律，先后發(fā)表了《論法拉第線》《論物理力線》《電磁場的動力學(xué)理論》這3篇重要論文，并引進(jìn)位移電流的概念．這個概念的核心思想是：變化著的電場能產(chǎn)生磁場．并且認(rèn)識到物體之間相互作用的場相互獨(dú)立的，即這種作用的表現(xiàn)形式如圖1所示.

圖1 物體間場的相互作用表現(xiàn)形式

1865年，在此基礎(chǔ)上他提出了一組偏微分方程來表達(dá)電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律[3].

電場高斯定律

∮BD·dS=q0

磁場高斯定律

∮BB·dS=0

電磁感應(yīng)定律

安培環(huán)路定律

這套方程稱為麥克斯韋方程組，它在電磁學(xué)中的地位相當(dāng)于力學(xué)體系中牛頓運(yùn)動定律．麥克斯韋的電磁理論預(yù)言了電磁波的存在，并算出了其傳播速度等于光速，這一預(yù)言的正確性后來為赫茲的圓弧形導(dǎo)線的放電實(shí)驗(yàn)和近代無線電的廣泛實(shí)踐所證實(shí)．于是人們認(rèn)識到麥克斯韋的電磁理論能正確地反映了電磁現(xiàn)象的規(guī)律，并肯定了光也是一種電磁波．

1887年，邁克爾孫和莫雷利用干涉實(shí)驗(yàn)否定了以太的存在．1905年，愛因斯坦創(chuàng)立了相對論，加深人們對物質(zhì)運(yùn)動的認(rèn)識和了解，并向統(tǒng)一場論的方向努力．場的發(fā)展歷程如圖2所示．

圖2 場的發(fā)展歷程

2 場與實(shí)物的辯證統(tǒng)一

2.1 場和實(shí)物都是物質(zhì) 不依賴于人們的意識而存在著

場和實(shí)物一樣，有各種不同的形式，電場、磁場、核力場等．我們雖不能直接感受到場的存在，但可由場的作用而顯現(xiàn)它的存在，如靜電場，可用檢驗(yàn)電荷受力顯示它的存在，所以各種場都是客觀存在的物質(zhì)．

2.2 場和實(shí)物一樣 具有物質(zhì)的一切屬性

(1)場和粒子都具有動量，并遵守動量守恒定律．麥克斯韋根據(jù)電磁理論指出，當(dāng)平行光垂直照射物體時，單位體積的電磁波動量[4]為

1901年，俄國物理學(xué)家彼得·尼古拉耶維奇·列別捷夫設(shè)計(jì)了一個實(shí)驗(yàn)，首次發(fā)現(xiàn)了光壓，并測量了數(shù)據(jù)，取得的數(shù)據(jù)與理論一致．與此同時，美國物理學(xué)家尼科爾斯和哈爾也分別用精密實(shí)驗(yàn)測定了光的壓力．光具有物質(zhì)性，所以到達(dá)物體上，會對此物體產(chǎn)生一定的壓力，而大量的光子長時間作用就會形成一個穩(wěn)定的壓力，宏觀作用即有動量．如彗星在我國民間有個形象的稱號叫做“掃把星”，如圖3所示哈雷彗星．彗星的尾巴背著太陽就是太陽的光壓造成的，彗星尾有大量的塵埃組成，大量的光子長時間對塵埃微粒作用就會產(chǎn)生一個穩(wěn)定的壓力．當(dāng)彗星靠近太陽的時候，這些塵埃微粒所受太陽的光壓比太陽的引力大，所以它被太陽的輻射壓推向遠(yuǎn)離太陽的方向而形成很長的彗尾．我們所看到的“掃把星”的“掃把”就是這樣形成的．

圖3 哈雷彗星

(2)場和粒子都具有能量，并遵守能量守恒定律．太陽光照在人們身上，把溫暖傳遞給人們，這說明光具有能量．場和粒子都具有能量,電磁場和電荷能量就在場和電荷之間轉(zhuǎn)移．如接收電磁波的過程中，電磁場作用于接收天線的自由電荷上，引起天線的電流，電磁波的一部分能量轉(zhuǎn)移為接收系統(tǒng)上的電磁能量，且在轉(zhuǎn)換過程中總能量是守恒的．

(3)同時場和粒子都具有波粒二象性．場是一種具有連續(xù)分布的物種形態(tài)，即具有連續(xù)性--波動性．電磁場的基本粒子叫光子，光子的波動性由它產(chǎn)生的干涉、衍射等現(xiàn)象表現(xiàn)出來．另一方面，場又具有微粒的特性，即不連續(xù)性--粒子性．光的粒子性已被光電效應(yīng)等許多實(shí)驗(yàn)所證實(shí)．

2.3 場和實(shí)物粒子的相互作用

現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)研究已表明，場和實(shí)物彼此是密切地相互關(guān)聯(lián)著的，例如，1932年發(fā)現(xiàn)：電子和正電子結(jié)合后能轉(zhuǎn)變?yōu)榫薮竽芰康墓庾樱娮?、正電子“消失”，絕不是“物質(zhì)的消滅”或“質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰俊?，電子偶湮滅的同時產(chǎn)生了γ射線的形式的電磁波．如

e++e-→γ+γ′

上式為實(shí)物粒子轉(zhuǎn)變?yōu)閳龅膶?shí)例．

反之當(dāng)一個高能光子與一個帶電荷量為Ze的重原子核作用時，光子消失，電子和正電子成對出現(xiàn)，這時電磁場又能轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物粒子(電子、正電子對)．

γ+Ze→e++e-+Ze

上式為場產(chǎn)生實(shí)物粒子的實(shí)例．場和實(shí)物的辯證統(tǒng)一如表2所示．

表2 場和實(shí)物的辯證統(tǒng)一

3 場和實(shí)物的特殊性

自然界中的物質(zhì)存在形態(tài)多種多樣， 場和實(shí)物作為物質(zhì)的兩種基本形態(tài)，既有許多的相似點(diǎn)，同時也有它自己本身的特殊性．

3.1 場和實(shí)物的存在形式不同

一切實(shí)物都是由原子分子組成的，占有一定的空間，但是同一個空間不能同時為其他實(shí)物所占據(jù)．與此相反，場是一種彌漫在空間的特殊物質(zhì)，遵從疊加性．同一空間內(nèi)可存在許多不同的場，彼此保持獨(dú)立，互不影響．例如同一空間可以存在許多不同源的無線電波和光波．不同場不僅可占有同一空間，實(shí)物和場還可以相互滲透，兩者也可占有同一空間，這時對實(shí)物存在作用，而實(shí)物也影響場．

3.2 場和實(shí)物的質(zhì)量與運(yùn)動速度關(guān)系不同

洛倫茲把收縮假設(shè)用于電子，得到其關(guān)系式為

但是光子沒有靜止質(zhì)量，光子的質(zhì)量和速度分別為

m0=0v=c

則電磁場的質(zhì)量根據(jù)質(zhì)能方程為

因此，電磁場的質(zhì)量和實(shí)物的質(zhì)量是不同的．真空中的電磁場始終以光速傳播，因此物體始終無法達(dá)到光速．由于低速時遵循牛頓力學(xué)定律，所有物體都可以在力的作用下進(jìn)行加速運(yùn)動．但是對于電磁場，不存在加速度．在真空中，光子只能以光速移動，否則根本不存在．當(dāng)實(shí)物粒子遇到無彈性的障礙物時，它只會失去其動能和動量，并將其傳遞給障礙物；而電磁場碰到吸收的障礙物時，就會停止存在，并轉(zhuǎn)化成為實(shí)物．

3.3 實(shí)物具有比場大得多的質(zhì)量密度和能量密度

由于光速等于c=3×108m/s，所以場的質(zhì)量密度極其微小，只有在核反應(yīng)時才能衡量場的質(zhì)量大?。畧龅馁|(zhì)量雖然小，但我們卻容易發(fā)現(xiàn)場的能量，其原因就在于能量是質(zhì)量的c2倍．當(dāng)用實(shí)物和電磁場運(yùn)輸同樣的功率時，通過電磁場進(jìn)行能量傳遞的特征是質(zhì)量幾乎等于零，速度非常大，這正是現(xiàn)代生活中電磁場容易被利用的原因．

4 結(jié)論

綜上所述，場和實(shí)物作為物質(zhì)的兩種存在形式，相輔相成，與我們的生活息息相關(guān)．因此學(xué)習(xí)電磁學(xué)知識離不開對物理基本概念的理解，不僅需要掌握好場所具有的物質(zhì)的一般屬性，同時也要清楚認(rèn)識到它所具有的特殊性，才能形成正確的科學(xué)意識去解決相關(guān)問題．