电磁世界图景

物理学世界图景的种类

物理学世界图景的一种。用电磁理论统一地解释一切自然现象的理论体系。它是在电磁现象与传统的力学世界图景发生冲突的情况下，作为后者的替代者而产生的。

科学观点

按照英国科学家M.法拉第和J.C.麦克斯韦的电磁理论，连续的电磁场是比间断的微粒更为基本的物理实在；不存在虚空，相互作用是通过接触作用由场中的一点传到邻近的点，以有限速度连续地传播开的。这不但突破了力学世界图景，而且开始暴露出以牛顿力学为基础的机械以太观念的局限性。德国科学家 W.E.韦伯于19世纪70年代制定了第一个电的自然图景。在他看来，物理世界的唯一结构要素是正电粒子和负电粒子，实物的化学组成、热和携电以太都是电作用现象。1881年，英国科学家 J.J.汤姆逊在研究带电体的运动时，发现带电球除了具有普通的机械质量（惯性质量）外，还具有一种由于它所带的电荷同电磁场相互作用所产生的、阻碍球体加速运动的电磁质量。不久以后又产生了把带电体的全部质量解释为电磁质量的假说。1894年，德国的E.维歇特提出了一个电磁自然图景的方案，认为电磁以太是唯一的实在。他把电粒子看作是以太的激发，认为实物完全由带电粒子组成。后来，英国的J.拉摩和荷兰的H.A.洛伦兹进一步发展了电磁世界图景。但是，作为电磁世界图景基础的以太概念，始终是这个图景中的一个薄弱环节，许多人包括拉摩和洛伦兹在内，仍然企图给以太以机械论的解释。20世纪以来，随着物理学革命和机械论的崩溃,经典的电磁世界图景也开始暴露出局限性,发生了向相对论-量子论世界图景的转变。1905年,A.爱因斯坦狭义相对论的确立,否弃了机械以太,电磁场终于被确认为一种非机械的独立的物理实在,但是,在实物如何由电粒子组成、电粒子如何由电磁场产生以及引力和电磁力的关系等问题上，仍然有许多疑难没有解决。尤其是电磁世界图景在解释绝对黑体辐射问题上遇到了“紫外灾难”，在解释原子稳定性问题，即绕原子核旋转的电子何以不会因辐射电磁波而很快掉到原子核里去的问题时，发生了严重的理论困难。量子力学的建立一举克服了这些“灾难”和困难，电磁世界图景不得不让位于相对论-量子论的世界图景。

前景

相对论和量子理论虽然能够统一地解释宏观与微观、高速与低速的现象,但这两大理论仍然很难统一起来,它们也还无法彻底阐明电现象的本质，电磁场作为一种独立的物理实在仍然存在许多不解之谜。

物质观

经典力学和电动力学的物质观

古希腊哲学家德谟克利特认为世界的始基是原子，一切由原子组成，原子是不可分割的物质。牛顿从原子论的物质观出发，引进了度量物质的质量概念，建立了物体运动的三定律。欧拉、柏努利、拉格朗日、拉普拉斯等从牛顿的物质观和力学原理出发，建立了一系列新的物理学理论来解释自然现象，取得了很大的成功。这些理论为自然界描绘了一幅机械的世界图景：整个世界（包括人在内）被理解为大量不可分粒子的总和，这些粒子在绝对空间和时间中作机械的位移，由物体之间通过真空瞬时传递的引力（牛顿的远作用原理）相互联系着。但是，机械图景在解释光和电磁现象方面遇到了困难，用不得已而引进的连续介质“以太”来解释光的传播现象，却与当时的光学实验的事实相矛盾（光振动是横向而不是纵向的，且振动的传播速度很大，而以太并不阻碍其运动）。在长期思考电磁现象本质的过程中，法拉第产生了必须用连续的物质观来代替粒子性的物质观的思想，引进了电场和磁场的概念来描述电荷、电流中的力。他把带电粒子看作是在该处场强为无限大的一个点，认为场是根本的物理客体，而粒子不是。法拉第关于场的物理特性的直觉最后在麦克斯韦的光电磁理论中实现了。该理论认为，作为基本物质出现的不是在虚空中移动的不可分原子的总和，而是带有点状力心（电荷）的统一的绝对连续的无限的场，光是振动的电磁场在空中的传播。

相对论和量子力学的物质观

尽管19世纪物理学有了很大发展，但还必须克服两个“二元论”才有可能发展现代的物质概念。第一个是质量与能量的二元论，即把质量和能量看作是两截然不同的量。爱因斯坦的相对论克服了这个二元论，指出质量和能量是可以相互转换的，质量只是一种束缚能量的形式。第二个二元论是场和粒子的二元论，即通常所谓的波粒二重性。由经典场论（即电动力学）和量子理论融合而成的“量子电动力学”，成功地描述了亚原子粒子间所有的电磁相互作用。“量子电动力学显著的新特点是两个概念的结合，即是电磁场概念和作为电磁波的粒子形式的光子概念的结合。既然光子也是电磁波，既然这些波就是变化着的场，那么光子也就是电磁场的表现形式。因而，‘量子场’也就是量子或者说粒子形式的场。……经典力学中质密粒子和周围空间的对立在‘量子场论’中被完全消除了。量子场被看作是基本的物理实体一个在空中无所不在的连续的媒介。粒子仅仅是场的局部的凝结，是聚散着的能量的集合体，因而粒子失去了独自的特征而消溶在作为其基础的场中。”

量子场论物质观的特点表现在，即使粒子在其中不存在的时候场也存在，场的这种状态叫做非激发态（“零”激发态），它被不完全确切地称之为真空。物理真空并不是什么也没有的一种状态，而是蕴含着粒子世界的所有形体。真空绝不是物理实在的最“贫穷户”，在一定意义上是最“富有”的户，这是以真空具有高度混沌和不确定性的一类“潜存在”为条件的；潜在（虚）意义上的真空包含有一切可能的粒子和状态，它们在合适的条件下可以从真空中产生出来。真空确实是“有生的空”，是在无休止地产生和湮没（粒子）的节奏中脉动的“空”；真空的动力学性质的发现被许多物理学家看作是现代理物学最重要的发现之一。

统一场

场是物质客体的基本实在，这是量子场论的基本原理。到目前为止，物质间的相互联系与作用可用四种基本场来描述：引力场、电磁场、强力场和弱力场；因而大自然中相应存在四种基本力：引力、电磁力、强力和弱力。喜欢追求大自然和谐统一的物理学家早就有一个夙愿，最好有朝一日能把支配大自然的几种基本力都统一起来。19世纪中叶，法拉第、麦克斯韦完成了电力、磁力和光的统一，在物理学的统一道路上迈出了重要的一步；1967年，温泊格、萨拉姆、格拉索完成了弱力和电磁力的统一，他们所使用的规范场的概念还产生了解释强力作用的量子色动力学理论。现在不少物理学家正努力把弱—电磁力与强力统一起来，以便最后实现爱因斯坦统一自然界所有基本力的大统一梦想。

量子场论

①、基本的物理实体是量子场一个在空间中无所不在的连续的媒介，粒子仅仅是场的局部的凝结，是聚散着的能量的集合体。

②、真空是量子场的非激发态（“零”激发态），蕴含着粒子世界的所有形体，在适当条件下，虚粒子可以变成实粒子。

③、各种不同的场有可能统一成一个唯一的、基本的场，它将符合所有物理现象。

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