物理基本概念
——場與實物比較研究

唐玲琪 涂 泓

(上海師范大學數理學院 上海 234000)

1 實物與場的歷史發(fā)展歷程

1.1 關于實物

實物通常是定域在空間的確定區(qū)域內，實物是物質的基本形態(tài)，在這里實物是指靜止質量不等于零的物質．也就是說，物質世界是由大量不可分割的實物粒子所組成，這些粒子具有廣延性，不可入性和不變質量．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，都是實物．關于目前實物基本存在的形態(tài)如表1所示．

表1 實物存在的形態(tài)

1.2 關于場

通常把某個物理量在空間的一個區(qū)域內的分布稱為場，場是物質存在的另一種形式．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，哲學家就對場進行了探討．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動的場所．17世紀笛卡爾[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在定量描述方面存在困難，而且在經驗事實受到反駁，在與牛頓力學的競爭中很快衰弱．從18世紀起，牛頓的超距作用觀點占統(tǒng)治地位將近一個半世紀．他認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，這種方式具體表現為AB.

1.2.2 場概念的誕生

19世紀30年代，法拉第發(fā)現，當磁棒插入導線圈時，導線圈中就產生電流．從而提出另一種觀點，認為電流周圍存在著由它所產生的“電應力狀態(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．這種方式表現為

A媒介B

為此法拉第引進了磁場線的概念，認為電流產生圍繞著導線的磁場線，電荷向各個方向產生電場線，進一步建立起以介質中粒子的互鄰作用為基礎的靜電感應理論，明確提出近距作用觀點，并提出場的概念．他認為：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，在法拉第的基礎上，麥克斯韋總結了電磁現象的規(guī)律，先后發(fā)表了《論法拉第線》《論物理力線》《電磁場的動力學理論》這3篇重要論文，并引進位移電流的概念．這個概念的核心思想是：變化著的電場能產生磁場．并且認識到物體之間相互作用的場相互獨立的，即這種作用的表現形式如圖1所示.

圖1 物體間場的相互作用表現形式

1865年，在此基礎上他提出了一組偏微分方程來表達電磁現象的基本規(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，它在電磁學中的地位相當于力學體系中牛頓運動定律．麥克斯韋的電磁理論預言了電磁波的存在，并算出了其傳播速度等于光速，這一預言的正確性后來為赫茲的圓弧形導線的放電實驗和近代無線電的廣泛實踐所證實．于是人們認識到麥克斯韋的電磁理論能正確地反映了電磁現象的規(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驗否定了以太的存在．1905年，愛因斯坦創(chuàng)立了相對論，加深人們對物質運動的認識和了解，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 場與實物的辯證統(tǒng)一

2.1 場和實物都是物質 不依賴于人們的意識而存在著

場和實物一樣，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它的存在，如靜電場，可用檢驗電荷受力顯示它的存在，所以各種場都是客觀存在的物質．

2.2 場和實物一樣 具有物質的一切屬性

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

1901年，俄國物理學家彼得·尼古拉耶維奇·列別捷夫設計了一個實驗，首次發(fā)現了光壓，并測量了數據，取得的數據與理論一致．與此同時，美國物理學家尼科爾斯和哈爾也分別用精密實驗測定了光的壓力．光具有物質性，所以到達物體上，會對此物體產生一定的壓力，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生一個穩(wěn)定的壓力．當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移為接收系統(tǒng)上的電磁能量，且在轉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生的干涉、衍射等現象表現出來．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等許多實驗所證實．

2.3 場和實物粒子的相互作用

現代實驗研究已表明，場和實物彼此是密切地相互關聯著的，例如，1932年發(fā)現：電子和正電子結合后能轉變?yōu)榫薮竽芰康墓庾樱娮印⒄娮印跋А保^不是“物質的消滅”或“質量轉變?yōu)槟芰俊保娮优间螠绲耐瑫r產生了γ射線的形式的電磁波．如

e++e-→γ+γ′

上式為實物粒子轉變?yōu)閳龅膶嵗?/p>

反之當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，這時電磁場又能轉變?yōu)閷嵨锪Ｗ?電子、正電子對)．

γ+Ze→e++e-+Ze

上式為場產生實物粒子的實例．場和實物的辯證統(tǒng)一如表2所示．

表2 場和實物的辯證統(tǒng)一

3 場和實物的特殊性

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

3.1 場和實物的存在形式不同

一切實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物所占據．與此相反，場是一種彌漫在空間的特殊物質，遵從疊加性．同一空間內可存在許多不同的場，彼此保持獨立，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，實物和場還可以相互滲透，兩者也可占有同一空間，這時對實物存在作用，而實物也影響場．

3.2 場和實物的質量與運動速度關系不同

洛倫茲把收縮假設用于電子，得到其關系式為

但是光子沒有靜止質量，光子的質量和速度分別為

m0=0v=c

則電磁場的質量根據質能方程為

因此，電磁場的質量和實物的質量是不同的．真空中的電磁場始終以光速傳播，因此物體始終無法達到光速．由于低速時遵循牛頓力學定律，所有物體都可以在力的作用下進行加速運動．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．當實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，并轉化成為實物．

3.3 實物具有比場大得多的質量密度和能量密度

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

4 結論

綜上所述，場和實物作為物質的兩種存在形式，相輔相成，與我們的生活息息相關．因此學習電磁學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的一般屬性，同時也要清楚認識到它所具有的特殊性，才能形成正確的科學意識去解決相關問題．