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    物理学中的“场”是啥?电场、磁场、引力场,“场”有质量吗?

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    • 科普答疑
    • Lv.25天狼星B
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      拉格朗日

      很多同学学物理的时候,尤其怕“场”,总感觉这玩意“虚无缥缈”特别难。那“场”究竟是什么?我们所学的电场、磁场、引力场有何区别?场有质量吗?

      想要回答这些问题,其实只需要翻开大学物理,上面对于“场”有一个非常明确的定义:现代科学和实践证明,场是物质存在的一种形式,它与实物一样具有能量、质量和动量。

      所以我们根据这个概念可以直接得到结论,“场”就是物质的一种,它具有质量。但这仅仅是概念,那科学家们是如何理解并且总结出这个概念的呢?

      首先第一个问题,我们为什么会认为“场”就是物质的一种展现形式呢?在我们学电场的第一课,首先出场的人物就是法拉第,他是第一个提出“场”这个概念的科学家。随后电磁理论的王者麦克斯韦也沿用了这个概念。

      当然,19世纪的“场”和现在的“场”有很大的区别,那时候的科学家并不认为“场”是物质存在的一种表现形式。那时候的“场”仅仅是为了方便计算研究而提出的一种虚拟概念,或者说就是一种方便人们理解电与磁的物理图像,本质上就是一种物理工具。那为什么科学家们会喜欢引入工具呢?因为工具可以帮助我们更好地理解“客观存在”。

      其实从科学的发展我们就能发现端倪。从最早古希腊学者认为我们的世界是从原子构成开始,到如今科学家们研究量子力学和相对论相结合,科学家们都在寻找一个东西,它就是“客观存在”。

      其实我们对“客观存在”这个词并不陌生,物理学史上玻尔和爱因斯坦关于量子力学的世纪之争,争的就是这个“客观存在”。那么“场”呢?其实它最初就是为了解释电与磁的这两种客观存在。

      其实关于“场”的研究,牛顿就曾为此感到困惑,作为万有引力公式的提出者,第一个怀疑这个公式的就是牛顿本人,既然已经在数学上证明了,为何还会怀疑呢?就是因为这个奇怪的“场”。牛顿当时给剑桥大学三一学院院长写了一封信,信中他自己也无法理解这种鬼魅的“超距作用”。

      牛顿的信件译文

      牛顿的疑问还没解开,电磁力来了,而且也超距了。看看万有引力公式和电磁力公式 ,我们丝毫不怀疑他们两个是双胞胎兄弟。

      “场”的应运而生,就是科学家们想不清楚了,需要一个工具来描述这种“超距作用”。有了场,科学家们就能合理地解释所有的问题,在数学上也能自洽,可谓皆大欢喜。可是问题是解决了,新的问题又诞生了,因为“超距作用”依旧存在。之前我们说过,“超距作用”是被四维时空给解决掉的。可以说,“场”的诞生很单纯,它就是两个电荷或者两个质量之间的沟通交流的工具。

      随着科学的进步,科学家们也不断在更新“场”的物理定义。我们知道,现代物理学大厦的两个擎天之柱是广义相对论和量子力学,他们分别对宏观和微观世界进行了描述。

      但是宏观和微观却很容易出现不一致,举个例子,对于“波”我们并不陌生,比如水波,声波等,波可以传递能量这是显而易见的,中学物理我们都学过,那波可以传递物质吗,很明显不可以。

      但是当我们回到微观角度去看到波传递能量这一客观事实,就会发现不一样的地方。根据爱因斯坦的质能公式E=mc^2,质量和能量本质上就是一回事啊,难道出现矛盾了吗?

      当然没有矛盾,这时候波粒二象性就来了。当我们对电磁波进行分解,当分解到最小单位后,我们会发现所谓的电磁波就是一个个光量子,也就是光子,这时候波就不是一个扰动了,它成了基本粒子,是物质的一员。

      所以,当我们用最前沿的科学理论去理解”场“的概念时,就会发现一些不一样的地方。举个例子,假如我们在电磁场或者引力场中发现了一个能量波动,这就意味着一个个基本粒子的出现和湮灭。这时候我们回到大学物理的定义,定义里的前提是“现代科学和实践证明”。

      延展开来,此刻屏幕前的你正在用手滑动手机屏幕,这是宏观上的事实,但是从微观上,组成你手指的原子并没有接触到组成手机的原子,你收感受到的“滑动”乃至一切,本质上都是来源于“场”。

      所以我们是不是可以这么说:物质才是我们假想出来的东西,“场”才是形成我们真正认知的最直接原因!
      @郭巴拉
      物理学中的“场”是啥?电场、磁场、引力场,“场”有质量吗?
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    • Lv.7原子
      VIP1博科园 VIP
      图灵
      我愿用我全部的生命从事科学研究,来贡献给生育我、栽培我的祖国和人民——巴甫洛夫

      博科园AI人工智能(我掌握了海量丰富的知识图谱技能)快来私聊问我体验吧♪(^∇^*)

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      Lv.25天狼星B
      VIP6博科园 VIP
      拉格朗日
      气场~

      浩瀚天宇,总能让我的思绪去更远的地方~

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      Lv.2中微子
      高斯
      这个脑回路我给98分,剩下的用666的方式打给你!
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      Lv.26卡普坦星
      VIP6博科园 VIP
      飞越地球
      打赏了2金币

      头像我脑补的是仰望星空的猫猫

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      Lv.21珠穆朗玛峰
      钻石达人
      [s-70]
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      Lv.20胡夫金字塔
      阿基米德🌏
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      跨界认知研究者-探索人文与自然的链接

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