力场

物理学术语

力场是一种矢量场，其中与每一点相关的矢量均可用一个力来度量。力场看不见，摸不着，但它是物理学中一个很重要的基本观念，常见的力场有引力场、磁力场（简称磁场）、电力场（简称电场）等。其中磁场、电场和引力场被称为“物理中的三大场”。

词义

lìchǎng

[field of force] 一种矢量场,其中与每一点相关的矢量均可用一个力来量度

电场，磁场，引力场

物理中的三大场

力场看不见摸不着

磁体在磁场中受力

物体在引力场中受力

电荷在电场中受力

根源

物理中有一个很重要的基本观念：宇宙间有某种对称性是某些现象所具有的，因此产生现象的各种力场，也就必须负起维持对称性之责。我们先看一些例子。在量子场论里我们用「电子场」描述自由电子，把这个场（场固然是算符，但同时也是时空的函数。）乘上一个「纯相」的因数（也就是绝对值为1的复数，例如(1+i)/ √ 2 ，这时，我们说：「我们对电子场做了一个全局性的相转换。」所谓全局性，是指电子场在每一个时空的点上都乘上了同一个因数，各点的遭遇是一律平等的。所谓相转换，是指某个复数量的相被改变了。物理学家相信：描述自由电子的正确理论，在此转换之下应该是不变的，也就是说，它具有全局性的相对称。更进一步，假定我们对电子场做一个「逐点性」的相转换，也就是把电子场乘上一个exp〔if(x ,y,z,t)〕的因数，此处的f(x,y,z,t)为某实函数。因为每一点上所乘的因数值各不相同，故称为逐点性。原来描述自由电子的理论，在这个新的转换之下再也不能保持原形了，也就是失去了对称性。然而这时如把理论修改扩张，引入了电磁场，则有办法得到一个新理论使他又恢复具有对称性。事实上，这个新理论便是前述的量子电动力学，它正好描述电子的电磁交互作用。由此物理学家得到一个观念，即力场的出现是由某种逐点性对称的要求所产生的。当我们要求电子场的理论具有逐点性的相对称时，便出现了电磁场。　让我们再看看核力。核子物理把质子与中子视为同一粒子（叫做核成子）的两个状态，可以说核成子带有箭头（叫做同位旋），当箭头指上时核成子以质子的状态出现，当箭头指下时则以中子的状态出现。实验显示核力的本质与同位旋箭头的方向完全无关。实验显示核力的本质与同位旋箭头的方向完全无关。今考虑对「核成子场」做一个逐点性的同位旋转换，亦即在每一个时空的点上分别把核成子的同位旋箭头转到不同的方向。如果我们要求描述核成子的理论在此种逐点性转换之下保持不变，则自然而然地会在理论中出现「核力场」，例如派介子场等等

那么重力又是怎么来的？我们都很熟悉狭义相对论所说的：一切物理定律的形式在彭卡瑞转换（Poincare transformation）之下不变。这个转换是指全局性的，以公式来讲，亦即在时空X α的转换式X α → X' α = ^ αβ X β +a α当中，系数^ α β与a α仅为常数而已。如果更进一步要求：物理定律的形式在「逐点性的彭卡瑞转换」（亦即一般性坐标转换）之下保持不变，则理论中自然就出现重力场了

词源

力场的概念出自19世纪伟大的英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）的研究。

典故

法拉第出生于工人家庭（父亲是一名铁匠），在19世纪初长期靠当装订工人学徒勉强维持生计。年轻的法拉第为两种新力量的神秘性质被揭开而带来的巨大突破而着迷。这两种新力量是：电和磁。法拉第贪婪地尽一切所能来学习与这些问题相关的知识，并参加了伦敦皇家学院汉弗莱·戴维（Humphrey Davy）教授的讲座。

一天，戴维教授因眼睛在一次化学事故中严重受伤，于是他雇用法拉第当了他的秘书。法拉第渐渐取得了皇家学院科学家们的信任，并且被允许独立操作重要的实验，尽管他常常受到冷落。年复一年，戴维教授越来越嫉妒他年轻的助手所表现出的杰出能力。法拉第已经成为了实验圈子里冉冉上升的新星，最终使戴维教授的名声黯然失色。1829年，戴维去世后，法拉第得以自由地作出一系列惊人的突破，导致了发电机的产生。发电机能够为整个城市提供能源，并改变了世界文明的进程。

法拉第最伟大发现的关键是他提出的“力场”。如果有人将铁屑洒在一块磁铁上，他会发现铁屑将呈现一种充满整个空间的蜘蛛网状。这就是法拉第的力线，以图形的形式描绘出了电和磁的力场在空间如何散布。举例来说，如果有人绘出整个地球的磁场，他会发现力线从N极地区伸出，然后在S极地区落回到地球上。同样的，如果有人画出雷阵雨中一枚避雷针的电场线，他会发现力线集中在避雷针的尖端。在法拉第看来，“空的空间”其实根本不是空的，而是充斥着能使遥远的物体移动的力线（由于法拉第早年穷困，未能接受足够的数学教育，因此他的笔记本中密密麻麻的不是等式，而是这些力线的手绘图表。具有讽刺意味的是，数学训练的不足使他创造了如今任何物理课本中都可以看到的、美丽的力线图表。从科学上来说，物理图像通常比用来对其进行描述的数学语言更为重要）。

历史学家推测过法拉第是如何发现力场的，它是所有科学中最重要的概念之一。事实上，全部的现代物理学都是用法拉第的力场语言写就的。在1831年，他作出了关于力场的关键性突破，永远改变了人类文明。一天，他正将一块孩子的磁铁移过一个金属线圈时，注意到他甚至没有碰到电线就得以在金属线里制造了一股电流。这意味着磁铁不可见的场可以推动电线中的电子穿越“空的空间”，产生电流。

法拉第的力场曾经被视为毫无用处，是无所事事的随意涂鸦，但它是真实的、物质的力量，可以移动物体并产生能源。今天，你阅读这一页所依赖的光线或许就是由法拉第关于电磁学的发现而点亮的。一块转动的磁铁会制造力场，推动一根电线中的电子，使它们以电流的形式移动，其后，这股电线中的电力可以点亮一盏灯泡。与此同样的原理被用于生产给全世界城市提供能量的电力。比如，水流过一个大坝，在一个涡轮机中产生巨大的磁力进行转动，这个涡轮机随后再推动电线中的电子，形成一股电流，通过高压电线输送到用户。

法拉第的力场在一个半世纪里成为物理学家的灵感之源。这些力场给了爱因斯坦极大的启示，他用力场的语言来描述和表达他的引力理论。同样的，加来道雄也被法拉第的成果所启迪。多年前，加来道雄成功地运用法拉第的力场表现了弦理论（theory of strings），从而建立了弦场论（string field theory）。在物理学界，如果有人说“他思考起来像一根力线”，那便意味着一种高度的赞美。

宇宙空间的三大力场

宇宙空间的三大力场——引力与电场力以及电磁力

浩瀚的宇宙空间，体现了引力场的无所不在。然而，我们大家可都知道什么是电场力？也就是由正负电荷形成的强力场。用塑料与毛皮摩擦后，在塑料表面上会产生正电荷，它可以吸附其它体积轻小的物体。这说明了塑料通过摩擦后携带有大量的正电荷，而对于其它的物体相对来说都携带有负电荷，当携带有正负电荷的物体相遇一段时间后电场力会随着能量的不断释放而逐渐消失，也就是正负电荷的中和作用。但在此期间也会产生电磁力，只不过人们没有注意到罢了。在携带有两种正负电荷的物体在相遇时，其周围就会产生电磁力。这同等于夏季携带有正负电荷的两种云层，在两种不同电荷云层靠近时，则会产生强大的电场放电而击穿空气导通并形成瞬间的雷鸣电闪的能量释放现象，同时也伴随着强大的电磁脉冲转换过程，电磁脉冲又会在金属导体上产生电子流。纵观宇宙空间，它充满了物质天体，同时也体现了宇宙星系间的磁力场。我们知道物质原子的内部运动，原子核与外层的电子形成电场力空间，原子核携带正电，外围电子携带负电，正负电荷间形成电场力。另外，在我们的物质空间中也存在由物质离子形成的正负离子电力场，而宇宙空间也呈现为物质分子间的电场力和电磁力的不同转换形态。宇宙中恒星的核聚变、核裂变，不都是以光辐射的形式出现的吗？我们知道光也是一种电磁波，这也证明了物质粒子间的不同运动形式都可产生以射线形式的能量释放。

牛顿的万有引力相间的证明了宇宙空间的力场作用，通过分析，宇宙空间充满了天体物质电场力转换过程中的电磁力。宇宙物质射线主要是以不同波长的电磁辐射进行能量的传递和转换，对于人类来说，首先电场和磁场的转换成因我们是知道的。那么引力场是如何形成的，恐怕我们了解的还不够。假设：物质间的引力来源于原子与原子间的电力键，那么电力健的周围就会形成电磁力的转换。我们客观的来说，宇宙空间充满了物质电场力与电场力作用下的电磁力。不然的话，宇宙空间的电磁力又来源于哪里呢？

地球的行星磁场、太阳恒星磁场、银河系磁场、天体磁场、宇宙空间磁场、浩瀚的太空磁场等等。人们会问，这些磁场的出处究竟来源于什么地方呢？没有电场力的作用，磁力场又如何存在呢？电磁力充满了宇宙空间，相对而说也就是电场力的作用。电场力建立在电子的运动基础之上，物质粒子的运动，构成了物体的宏观运动，运动产生了电场力，电场力形成了电磁力的转换，这就是物质世界的运动规则。只要宇宙空间存在电磁力，也就存在电场力，那么引力究竟是什么呢？我们可以说是物质分子间的电场力。

假如说物质分子间的引力属于电场力，那么浩瀚的宇宙空间电场力究竟又是一种什么状态呢？我们人类为什么感觉不到只身处于电场中的那种感受呢？宇宙空间星系中的电磁力应该来源于星系内部电场的转换，这是毋庸置疑的。银河系有银河系的电磁力，也就是说银河系的电磁力来源于恒星系电磁力的总和。太阳系的电磁力来源于太阳物质粒子间的聚合反应生成的电场力，因为太阳是恒星。对于宇宙中的行星磁场来说，应该是由行星内核的物质粒子间的热运动产生的电场力转换而成的。一般来讲，不论是恒星还是行星，其电磁力都来源于星系内核的物质粒子运动产生的电场力转换而成的。

由此说来，物质之间的引力既不是电场力也不是电磁力。微观理论学说的引力场是建立在物质分子间的电场力作用，而宏观理论就不能够证明物质间的引力场来源于电场力的强力场作用。恒星与恒星、恒星与行星、星系之间、宇宙太空的总体引力场应当是空间天体之间的高速运动形成的牵引力，这句话的含义是；宇宙空间充满了可见物质和暗物质，两种物质间仍然存在分子间的电场力。在宇宙大爆炸的初始期，被抛向四周的物质颗粒有大有小，并在宇宙大爆炸初期，物质受到了原本动力的作用，其较大的高密度物质天体在做高速自旋运动，而那些低密度较小的物质天体会被高密度旋转天体牵引，从而形成了宇宙星系中的不同结构状态。在数百亿光年的宇宙演变史中，在原本动力的作用下，星系内核的高速度旋转动力会随着时间的推移而逐渐的变慢，使宇宙空间不断地膨胀。这里有一个问题，星系内核的自旋速度不会越来越快的，如果继续加速运转的话，那么维持天体运转的动力源又来自于何方呢？物质能量的转换应当遵循着守恒定律的准规则，支持天体的永动能量究竟是什么物质提供的？然而这些都是未知数。牵引力来源于物质体系中心的旋转运动，宇宙间充满了所有不同能量级的物质体系，如果物质空间存在空隙，也就不会构成引力作用。我们可以这样说：“浩瀚的宇宙空间充满了物质，它包括可见物质和不可见物质也就是暗物质。而空间中的物质漩涡，也就是不同大小的星系群。其实，宇宙就像海洋一样，不同的环流水系构成了庞大的海洋水域。如果在海洋中心设立高速度的旋转区域，你就会看到海洋的整体波动，其四周的水域会向海洋中心聚集，这也是我们平时看到的实际情况。

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