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场 (物理)

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两个有相同电量的粒子所形成的电场强度,越亮的区域表示强度越强。
两个有相同电量的粒子所形成的电场强度,越亮的区域表示强度越强。
相反电性的两个粒子
相反电性的两个粒子

物理里,(英语:Field)是一个以时空为变数的物理量空间中弥漫着的基本相互作用命名为“场”。[1]场可以分为标量场向量场张量场等,依据场在时空中每一点的值是标量向量还是张量而定。例如,经典重力场是一个向量场:标示引力场在时空中每一个的值需要三个量,此即为引力场在每一点的引力场向量分量。更进一步地,在每一范畴标量向量张量)之中,场还可以分为“经典场”和“量子场”两种,依据场的值是数字量子算符而定。

场被认为是延伸至整个空间的,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。例如,在牛顿万有引力定律里,重力场的强度是和距离平方成反比的,因此地球引力场会随着距离很快地变得不可测得(在宇宙的尺度之下)。

定义场是一个“空间里的”,这不应该减损场在物理上所有的真实性(如定义质量”为上的数字)。“场占有空间。场含有能量动量。场的存在排除了真正的真空。”[2]真空中没有物质,但并不是没有场的。场形成了一个“空间状态[3]

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。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

历史

艾萨克·牛顿在他的万有引力定律简单地把引力定义为由于质量引起的,施加于一对物体的力。当涉及到多个物体互相影响的系统,比如太阳系,原先的定义就不方便并且有局限性了。在18世纪,一个新的概念提出来用来简化这些一对对的引力。这就是引力场,在这个场的空间上的任何一单位质量都会受到那个点所有的引力。这个理论并不是对物理规律的颠覆,而是简化了运算。你计算一个点上的总重力不管是考虑一对对重力,并把它们加起来还是首先把整个引力场计算出来,再算出哪一点上受到的力都是等价的。

经典场

经典场论仍然适用于非量子尺度的空间,依旧在科学研究中处于主流。材料的弹性流体力学以及麦克斯韦方程都是与此理论相关的例子。最简单的场是力场。历史上,场之一概念第一次被认可是法拉第力线描述电场.随后重力场的概念也用相似的方式提出。

牛顿重力场

在牛顿体系中,质量是重力场的起源
在牛顿体系中,质量是重力场的起源

用来描述两个有质量的物体的吸引力的经典场论源于牛顿万有引力定律。

电磁场

迈克尔·法拉第在他研究磁学时最先意识到场作为一个物理量的重要性。他发现电场磁场并非唯一能支配粒子运动的力场,但它们也具有独立的物理实在性,因为它们可以携带能量

这些想法最终使詹姆斯·克拉克·麦克斯韦通过电磁场的方程组建立了物理学中第一个统一的场论。这一方程组的现代形式被称为麦克斯韦方程组

静电场

一个带电荷q的检验粒子在静电场中会受到一个大小只与q有关的力F的作用。我们可以这样描述电场E:F=qE。通过这一关系和库仑定律,我们可以得到,点电荷周围的电场为:

静电场是保守场,因此可以用一个标量势函数V(r)来描述:

静磁场

电动力学

广义相对论所描述的引力场

量子场

场论

对称性

时空对称

相关领域

参见

参考文献

  1. ^ John Gribbin. Q is for Quantum: Particle Physics from A to Z. London: Weidenfeld & Nicolson. 1998: 138. ISBN 0297817523. 
  2. ^ John Archibald Wheeler. Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics.. London: Norton. 1998: 163. 
  3. ^ Richard P. Feynman. Feynman's Lectures on Physics, Volume 1.. Caltech. 1963: 2-4. ,因此当我们在场内放入一个粒子,这个粒子会感觉到力。
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