深度长文:到底什么是“场”?场是一种物质吗?(建议收藏)

初中和高中物理课上,我们都学到过“场”的概念。对于多数人来讲,并没有明白场到底是一种什么东西,只是借助了“场”这个概念诠释很多物理现象。

那么问题来了,场到底是什么东西?它是一种物质吗?

图片

秉承着尽量以通俗的语言来诠释科学,我只能这样讲:

在物理学上,场是客观存在的物理实体,这种定义下场就是物质,客观存在的就是物质,但是不是我们平时看得见摸得着的物质。

在数学上,场就是一个函数,这个函数的定义域是空间,值域不确定,看情况而定。也就是说,“场”是用在物理学上的数学工具,场的本质是对空间中的每个点赋予某个量,这种量可以是标量,向量或者张量。

举个例子,电场就是一个向量场,空间中的每个点都有一个向量,表征单位点电荷受到的力。同样的还有引力场,也是向量场,给空间中的每个点赋一个向量,表征单位质量的子弹在该点受到的力。

图片

看到这里,或许你还是无法具体理解场的概念,这是没有办法的事情,因为场本身就是抽象的概念,从数学上来讲就是没有含义的数学高数。场并不像我们能直观看到感受到的东西,比如一个苹果,放在桌子上,我当然能直观地告诉你:看,这就是苹果。

但无论如何都无法用这种方法来解释“场”这种东西,我不能指着一样东西,告诉你:看,这就是场。这是不存在的。

而且,上面对于“场”的解释,是需要有一定物理基础的,否则对场的概念产生误解,会误认为“场就是毫无意义的数学函数”。其实不是这样的,因为在物理学上,场作为物理实体早就被验证过了。

我想说的是,如果你想对场的概念有更深入的了解,仅凭面向大众的科普是不够的,必须学习相关的物理和数学知识,没有其他任何办法。

但我还是想用我的方式尽可能通俗地诠释场的概念,以上只是对场简单的定义,下面来具体展开一下,尽可能的用举例和打比方来诠释,这样更容易理解。

先拿力场来举例说明。力场描述的是空间每个点上粒子的受力,这就是数学工具。受力是客观存在的,这就是物理现实。而我们把产生力的物理对象就称之为“场”,这种场是客观存在的,当然也是某种物质。

图片

到这里,或许你还会认为场就是假想的概念,认为“场不存在”。这样说吧,如果你认为数学,函数等广泛被我们使用的数学工具是假想的,不存在的,那么场的确也是假想的不存在的。

但事实上呢?温度,密度,速度等所有的这些物理量,都是客观存在的,所以场也是存在的,只是不是能用手摸到的实体物质而已。

看到这里,你可能有些着急了:不要老是说那些物理学上的术语,我就想知道一点:场是不是像原子电子那样客观存在,是不是能通过显微镜等仪器“看见”?

简单回答:不能。通过显微镜你不但看不到场,你认为真的能看见电子吗?

我可以肯定地告诉你:没有谁真正看到过电子,也没有人知道电子到底是什么!在科学家眼里,电子光子等所谓的微观粒子只是特定的物理图像罢了。

图片

看到这里,可能有人要骂街了,不要着急骂街。听我继续说。

人类目前总结出来的所有科学理论从来不是用来描述“世界本质”的所有的科学理论都在描述关系!也就是说,“电子存不存在”这个问题根本就不是一个科学问题。科学家们能确定的是有这么一坨拥有稳定性质的东西:

能和电磁场发生相互作用(有电荷),它能静止(有质量),它能和磁场耦合(有自旋),它能参与贝塔衰变(有弱荷)等等,然后科学家们把具有这一系列性质的东西称为“电子”。

图片

这也是为什么我们没有真正看到电子,但仍坚信电子这种东西的存在。就像我们从来没有看到过空气,但仍坚信空气一定存在一样!

如果你认为不能直接看到就是不存在,那么电子等绝大多数微观粒子都不存在,而且按照这个逻辑,除了可见光光子,什么都不存在。我们虽然看不到电子,但可以看到电子产生的效果。

图片

也可以这么理解场,“场”就是物理学家提出的一种物理图像,这个物理图像对于科学家研究物理很重要,科学家们选择某种物理图像,就是因为它展示了科学家们要研究的问题核心,能帮助科学家们忽略很多无关的细节,让他们可以更深入地研究理解自然规律。

但这里有一个重要前提:思考完物理图像之后,接下来更重要的是严谨的数学推导和实验验证,没有这两步,所做的一切都不是物理。

而现代物理学发展到今天,越来越倾向于这样的概念:与其说场是一种物质,不如说物质是一种场,而且是激化了的量子场,所有的物质都是场,基本粒子(如电子、光子)只不过是场的激发而已。

而我相信大部分人的困惑的地方在于,微观粒子相互作用时的媒介的场,到底该如何理解。

举个例子,最常见的引力,引力到底是如何产生的?牛顿对引力的解释是,引力是一种超距作用力,也就是说,引力是瞬时完成的,瞬时传递的,不需要任何时间。

图片

但问题就在于引力到底是如何传递的?如果两个物体之间是真空状态,引力到底是如何穿过真空进行传递的?而且超光速传递也违背了因果律,就相当于我打你一耳光,我还没开始打呢,你就感觉到疼了。

对此,更合理的解释就是:引力并不是超距作用,并且任何力的作用都不是超距的,都是局域的。

也就是说,两个物体要想发生作用,必须通过某种媒介来传递,而且传递速度不能超过光速。

打个比方,所谓的“凭空发力”“隔山打牛”等其实是不可能的,想要击中一头牛,必须用某种东西,石头也好,板砖也罢,反正必须有东西,而石头板砖等这些东西就是传递力的媒介。

但是媒介为什么一定要是“场”这种弥散抽象的东西,而不是像石头那样的具体粒子呢?

这个问题其实完全无法用逻辑推理来回答,科学家们只能通过实验来验证,验证的结果就是场,而不是具体的粒子。

科学家们发现,构成我们可见物质世界的基本材料,以及这些材料之间的相互作用媒介,都是场。

这些基本材料,其实就是费米子场,费米子场有很多种,比如说电子场,电磁场,中子场,中微子场等,费米子场可以认为就是物质。费米子场的激发就会形成相应的基本粒子,比如说电子场受到激发就会形成电子。

而基本材料之间的相互作用是通过玻色子场传递的,而光子,胶子和引力子等都是相应玻色子场的激发形成的。

图片

说白了,费米子场这些基本材料就相当于一块块砖头,而玻色子场相当于黏土,砖头通过黏土组合在一起,就形成了形形色色的物质。

举个形象的例子,场就相当于一片平静的汪洋大海,而基本粒子就相当于大海突然受到“激发”变得汹涌澎湃起来之后溅起的小水珠!

图片

按照科学界对场的定义,场这种东西充斥在宇宙空间的每个角落,文章一开始也说了,场的本质是对空间中的每个点赋予某个量,也就是物理量,包含很多种,可以是基本的物质场,比如说电磁场,电子场,中微子场等,也可以是某种属性,比如说密度,温度等等。

科学家们甚至认为宇宙诞生之前就是这种场的状态,也可以形象理解为“混沌”状态。也就是说,在宇宙诞生之前,所有的物理量其实都已经存在了,而场一旦受到激发,就会形成各种基本粒子,然后不同的粒子之间通过相互作用形成丰富多彩的物质世界。当然,宇宙的诞生显然不会如此简单,这里只是形象的描述,更方便我们理解。

总结

图片

场这种看起来“说不清道不明”的东西,其实可以看作一种“现象”,而现象和物质本质上是没有办法区分的,因为这已经不是科学问题了,而是哲学问题。