自然科学概论第三章第四节.doc

第三章第四节一、场合超距作用 与占据空间的物质相对应的另一种客观实体是场。场不占据空间，场与场在空间可以相互叠加。宏观世界中两种最主要的场是引力场和电磁场，二者分别由万有引力和电磁力产生。按照李的观点，万有引力和电磁力的性质是非常类似的。二者的数学表达几乎一样，都是与距离的平方成反比，与产生力的“荷”和受力的“荷”之积成正比，如果我们可以把质量称为“引力荷”的话，这两种力的作用，都可以不通过施力者和受力者的接触而发生。牛顿称这种力的作用为“超距作用”（action at a distance）。超距作用的观点，就是认为力的作用相距一段空间而直接发生，中间没有任何媒介，力的传递不需要时间。现代的观点认为引力相互作用和电磁相互作用都是通过“场”（field）来进行的。“荷”产生一种特有的“场”，受力者是因为与场接触才受到力的作用。对于两个静止的相互作用者，“超距作用”的观点和“场”作用的观点显不出任何区别，仅仅是观点不同。但是如果施力者的做发生变化，对受力者的作用效果是立即发生变化，还是需要一段时间，就成了判断两种观点正误的判据。作用力的改变，可以是“荷”量的改变，也可以是施力者运动状态的改变。在万有引力的范畴内，要直接检验这一点是很难有机会的。我们不可能设想太阳的质量突然间发生改变，从而测量地球的运动状态是否立即发生改变。太阳的运动状态是在改变，但是太缓慢了，以至于无法区分。可行的检查首先是在电磁作用的领域。不过这种检验要在一个实验室里完成仍然是不可能的。因为电磁作用的传播速度太快了。直到1888年，赫兹（Hertz H）在实验中发现电磁波，这个问题才有了结论。早在1830年前后，法拉第（Faraday M）就引进了流线来描述电磁作用。流线是用来研究流体流动的一种数学模型。法拉第想象电磁力像流体一样从带电体向空间延伸。这就是场的雏形。麦克斯韦（Maxwell J C）发展了法拉第的思想，于1864-1873年间完成了电磁场理论的体系，并预言电磁场可以在空间中以波的形式传播，其传播速度等于光速。电磁波理论的体系及其实验验证，清楚地说明了电磁相互作用的传播需要时间。当施力电荷的状态发生改变时，它就引发电磁波，该电磁波以光速传播到受力电荷处，受力电荷才感受力的变化。爱因斯坦的狭义相对论证明任何相互作用都只能以有限的、不大于光速的速度传递。 万里引力作为一种场，在太阳系范围内，其表现几乎都是静态的。直到爱因斯坦建立了广义相对论并预言引力波以光速传播，引力场的有限传播速度才得以在理论上被说清楚。 和实物物质一样，场具有能量和动量。但是场没有质量，或者说，场的静质量为零。场满足叠加原理，同类的场在空间中可以叠加。“荷”在其周围的空间产生场，场的结构依“荷”在空间的分布和运动状态以及空间范围的约束不同而不同。二、电磁场与电磁波带点物质的周围空间充满着电场。物质的带电性根源于质子的正电性和电子负电性。可以形象地说，质子发出电场，电子吸收电场。质子是电场的“源”，电子是电场的“洞”。我们说，电场是有源场。带电粒子间通过电场发生相互作用。在电场中，正电荷与负电荷受力的方向相反。把电场中每一点处正电荷受力的方向光滑地连接起来，就是电力线。当带电粒子运动时，就产生磁场。磁场在某点的方向可以由小磁针来指针。把这些方向光滑地连起来，就是磁感应线的方向。之所以不称为“磁力线”，是因为它们指示的不是力的方向。磁感应线的方向是环绕电力线的环。也就是说，磁场是一种漩涡，是没有“源”的。带电粒子运动速度越大，磁场的漩涡就越强。电磁场和流体在某些方面是类似的。把流体中每一点处的流速光滑地连接起来，形成一簇曲线，称为流线。电磁场和流体在某些方面是类似的。这就是法拉第研究电场的思想。磁场对运动的带电粒子有作用力，力的方向、磁场的方向和粒子运动速度的方向三者两两垂直，就像直角坐标系的三根轴那样。这种力称为“洛伦兹力”。电流产生磁场，以及磁场对电流的作用力，本质上也是带电粒子间的磁作用力。永磁体的磁性，是因为磁体中的所有分子中的电子运动的“电流”按整齐的方向排列而产生的效果。也就是说，磁场是由带电荷的运动而产生的。电场和磁场本质上是个统一体，因而称为电磁场（electromagnetic field）。带电粒子在电磁场中同时受到电场力和磁场力，运动形态可以很复杂。如果带电粒子做加速运动，磁场的漩涡强度就发生变化。变化的磁场在其周围产生漩涡性的电场，电场的强度与磁场随时间的变化率成正比。这种电场称为感生电场。如果带电粒子运动的加速度是变化的，则感生电场也是随时间变化的。随时间变化的电场可以像电流一样产生磁场。如此交替产生，就形成了电磁波（electromagnetic wave）。这种交替产生的最后一环，即变化的电场产生什么，是麦克斯韦的杰出贡献。他把随时间变化的电场放在与电流同等的地位，电磁场理论就完整了。电磁场理论的基石，被麦克斯韦总结为一套方程组，后人称之为麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组导致了电磁波的发现。现代的人类须臾离不开电磁场。电的发明导致了第二次工业革命，电磁力取代蒸汽动力称为工业的主要动力，通讯和信息技术以电磁场为基础。现代的地球上，充满了人造电磁场。人类生活在地球上，得益于地球磁场的保护。地球是一个巨大的磁体，在它的周围有强大的磁场。太阳和其他天体发出的宇宙射线，是高能粒子流，对生命体有巨大的杀伤力。宇宙射线到达地球的磁场范围时，绝大部分都被地球磁场捕获，而不能到达地面。作为动力和能源的电磁场，是静态场，或变化频率很低的场-似稳场。交流电和与之相联的电器如发电机、电动机、电炉等中的场都是似稳场。应用中的静态电磁场一般都被局限在某个范围内。似稳场基本上不产生辐射。当场的变化频率高到一定程度，就产生电磁波辐射。 电磁波的三要素是频率、波长和波速。三者的关系是=。频率是场每秒振动的次数，单位为赫兹（Hz），用以纪念电磁波的发现者Heinrich Hertz。波长是每振动一次波传播的距离，单位就是长度的单位，一般用米（m），在光学范围内习惯用埃（，1=10-10 ， ）。在真空中，波速=c=2.998103米/秒，即真空中的光速。在透明介质如玻璃和水中，波速小于真空中的光速。在真空或某种确定的介质中，波速是一定的，频率和波长成反比关系。电磁波按频率或波长分类，频率最高或波长最短的是射线（Gamma rays），其次是射线(-rays)，最低频率或最大波长的是无线电波（radio wave）。不同波长的电磁波，对应不同能量的光子，波长越短，光子能量越大。因为光子的能量相对于宏观能量来说很小，所以通常用电子伏特（eV）作为单位。1eV=1.610-19J（焦耳），是一个电子经过1伏特的电场加速后得到的能量。下面，对各个波段的电磁波作一个简单的介绍。 无线电波：用于通讯，由天线发出的电磁波。频率低于500kHz，波长大于600m的电磁波为长波，用于短距离通讯。频率在500kHz到1600kHz间的为中波（MW），用于地区范围内的通讯。短波（SW）频率从3MHz到30MHz.，波长从50m到10m，用于长距离乃至全球通讯。电磁波波长越短，传播中耗损越小。长波、中波和短波都是调幅波，就是用波的振幅的变化来携带信息。甚高频波（VHF）频率从30MHz到300MHz，波长从10cm到1m，用于调频无线广播、航海和航空通讯。极高频波（UHF）频率从300MHz到1GHz，广泛用于电视信号的传播。 微波：在分类上，有的将微波划归为无线电波，有的将其单独分类，以区别于无线电波。微波的频率从1GHz到300GHz,波长从30cm到1mm。微波的厘米到毫米级的波长使得它适于通过波导传输，传输中能量耗损极小。微波可以被液体中的偶极分子吸收，这一原理被用来做微波炉加热食物。产生微波的装置称为镅射（master），可以产生高准直的微波束。微波广泛用于卫星通讯，因为微波可以顺利地通过大气层，基本上不被吸收哪位。雷达用微波探测运动目标。微波还用于无线局域网通讯，还可以用于远距离传输能量。红外辐射：频率从300GHz到10THz，波长从1mm到10m的电磁辐射称为远红外辐射。远红外辐射和微波之间没有截然的界限。远红外辐射容易被气体中的旋转分子、液体中的运动分子和固体中的声子吸收。除了少数波段外，远红外辐射不能穿透大气。这些少数可穿透大气的波段，称为大气窗口。天文学利用大气窗口作天文观测。频率从30THz到120THz,波长从10m到2.5m的辐射为中红外辐射。热物体的辐射，或称热辐射在这个波段上很强。夜视仪就是接收人、动物或机器发出的远红外辐射，从而在夜间识别目标。非接触性体温计接收人体发出的远红外辐射，并根据辐射的波长来判断人体的温度。判断的依据是黑体辐射原理。电烤箱用红外光加热食物。频率从120THz到400THz，波长从2500nm到750nm的辐射为近红外辐射。近红外辐射的性质与红光的性质相近，只是不为人眼所感受。可见光：可见光从波长最长的红光（740nm）到最短的紫光（400nm）,在电磁波谱中只占极小的一段。太阳在这个波段上辐射它的大部分能量。我们见到的太阳光是白光，实际上是所有颜色的光按一定比例的混合，其中最强大是黄光（560nm），对应太阳表面的温度为6000K。人和动物的眼睛对太阳辐射的可见光波段敏感，可能不只是一个巧合。可见光波段的另一种辐射是原子中的核外电子在能级间跃迁时发出的辐射。地球大气层对可见光和近红外光是透明的，而对于中、远红外是不透明的，这主要是因为二氧化碳和水分子的吸收作用。可见光照射到地面，使地面温度升高，地面变热就会发出红外辐射，而红外辐射不能轻易地穿透大气层使热量散发。这样，大气层就起到了对地球保温的作用。这种作用称为温室效应。之所以称为温室效应，是因为用来做温室的玻璃和透明塑料薄膜也是可透过可见光而不透过红外线。如果大气中的二氧化碳含量过大，就会过分地阻碍地面热量的散发，导致地球温度升高。紫外光：波长比紫光短的光称为紫外光，或紫外线。地球上的紫外线主要来自太阳辐射。紫外线可以破坏分子键。这一性质的作用是多方面的。紫外线可以用来杀菌，也可以使某些惰性分子分解为原子，从而可以与其他分子发生化学反应。皮肤中的脱氧胆固醇在紫外线的照射下可转变为维生素D，增加人体对钙和磷的吸收。所以适当地晒太阳可以使骨骼结实。紫外线也可以破坏DNA结构，轻度的引起细胞坏死，严重的引起细胞无控制再生。因此过分晒太阳会引起脱皮甚至引发皮肤癌。极度的紫外线可以杀死所有的生命细胞。紫外线使大气中的氧气分子分解为氧原子，然后又与氧气分子化合为臭氧（ozone, O3）,臭氧又可以被紫外线分解为氧气。这种动态平衡起到吸收紫外线的作用。臭氧比氧气的比重小，浮在大气层的上部，形成臭氧层。臭氧层吸收99%的紫外线，是地球生命的保护伞。氟利昂，即氟氯烷在紫外线照射下会分解出氯原子，氯原子夺去臭氧分子中的一个原子，形成氧化氯和氧气。氧化氯又与游离氧再次反应放出氯原子。如此恶性循环，使臭氧层遭受严重破坏。X射线：比紫外线波长更短的电磁辐射，波长范围从1nm（10 ）到0.01（0.1），是X射线。波长长于1 的 X射线为软X射线，波长短于1 的X射线为硬X射线。X射线可以从阴极射线管中产生。从阴极发出，经电场加速的高能电子打击到固体靶时，电子与靶中的原子核碰撞，转化为低能电子，同时产生X射线。X射线的能量等于电子碰撞前后的能量差。X射线最早是在阴极射线管中被发现的，经过20多年多位物理学家的研究积累，1895年，德国物理学家伦琴（Wilhelm Rntgen）第一次正式发表关于这种阴极射线辐射的论文，并把这种前所未知的射线称为X射线。原子序数大于20的原子，其内层电子脱离原子核所需能量，就是X射线能量的量级。因此，X射线可以将原子中的内层电子打出，产生缺位，然后外层电子跃迁到内层空位上，又发出X射线。X射线可无阻碍地穿过人体软组织，但通过硬组织时会留下阴影，因此广泛用于医学探测，用来检测肺、骨骼和结石等，如图3-11所示。X射线的高能量有比紫外线更强的破坏分子结构的作用，因此它对生命细胞是危险的。大剂量照射X射线会导致组织坏死或致癌。X射线的波长与晶体点阵的尺度相当，因此被广泛用于研究晶体结构。X射线通过晶格时，会产生衍射。宇宙中的天体，当温度高达108K时，就会发出X射线。白短星、中子星、星系核和黑洞等天体都会发出X射线。用X射线观测天体，已经成为天文学中的一个分支，称为X射线天文学。X射线不能穿透大气层到达地面，因此，观测天体的X射线，必须在大气层的上部或之外。X射线天文观测最早用火箭和气球，现代的方法是将观测仪器装在卫星上。射线：一般来说，射线比X射线波长更短。但射线与X射线的特征区别不是波长，而是在于产生的机制不同。X射线产生于高能电子过程，而射线产生于核过程。可能电子的能量比核过程的能量更高，因此X射线与射线的谱有重叠的区域。核裂变、聚变和放射性同位素衰变过程，都产生射线。射线比X射线对人的杀伤力更大。射线也可用于医疗。碳13同位素经常被用作跟踪剂，它被吸收并在人体内运行过程中发出微量的射线，被仪器接受，就可分析出所需的信息。射线的短波长使它可集中于很小的区域，加上它的高能量，故可以用于体内的肿瘤切除，称为伽马刀。射线和X射线都可用于食品杀菌，被照射过的食品可长期保存。紫外线、X射线和射线都属于电离辐射，它们都可以引起原子和分子电离，因而可以破坏生命组织。电离辐射对人有一定的危险性。三、引力场在爱因斯坦之前，引力理论是牛顿理论，牛顿引力场是静态的场。有质量的物体在引力场中受到力，而引力场本身是不随时间变化的。当然这是一种近似。太阳系内的天体的运动速度都太小，太阳系的尺度也太小，不足以产生有限传播速度的效应。描述静态引力场的量主要是势。引力是保守力，因此引力场是有势场。在引力场中的不同位置，物体具有不同的势能。如果一个物体在引力场中沿一闭合路径运动回到原处，引力对它做的功为零。引力势能都是负值。要使一个物体脱离一个天体的引力范围，就是要使物体的总机械能（动量+引力势能）大于或等于零，因此该物体要有足够大的动能。质量为m，速度为v的物体的动量是mv2/2,它在距质量为M 的天体r处的引力势能为GMm/r。要使它的总机械能为零，则1/2m v2 GMm/r= 0可求出v=2GM/r，这一速度称为逃逸速度，或第二宇宙速度。地球表面的逃逸速度为11.2千米/秒，或4万千米/小时。如果令v=c (光速)，则可得出rg=2GM/c2,rg称为施瓦西半径。当天体的半径等于或小于rg时，连光都不能从它表面逃逸，也就是它既不能发出光，也不能反射光，从外部不可能看见它。这种天体称为黑洞。可见的正常天体的半径都远大于施瓦西半径。太阳的半径是70万千米，如果太阳成为黑洞，它的半径将只有3千米。真正的黑洞理论，要在广义相对论中才能得出。在绝大多数场合没在不太强的引力场中，牛顿引力理论都是成功。历史上牛顿引力理论最辉煌的篇章是1846年英国的亚当斯（Adams J C ）和法国的勒威耶（Leverrier U J J）g根据牛顿引力理论计算了当时未知的行星的位置，柏林天文台的盖尔（Galle J G）根据他们的计算找到了一颗新的行星-海王星。不过牛顿引力理论也有几点不令人满意之处。首先，牛顿引力是超距作用力，超距作用力不需要时间。甚至牛顿本人也对超距作用不满意。在爱因斯坦的狭义相对论中，任何相互作用都是以有限的速度传播的，而传播速度的上限是光速。第二点，牛顿理论不能完美地解释水星轨道的进动。水星轨道的进动是水星轨道整体上绕太阳转动，转动角度为每百年43。牛顿引力理论计算的结果只有每百年42，有1的盈余得不到解释。第三点，牛顿理论可以得出光线在引力场中弯曲的结论，但计算值只有观测值的一半。第四点，在牛顿引力理论中，引力质量与惯性质量相等这一观测事实得不到理论解释。爱因斯坦在1915年发表了他的新的引力理论-广义相对论。在广义相对论中，引力被解释为时空弯曲。所谓“时空（spacetime）”，就是时间和空间二者不可分离，构成一个数学上的完整的四维空间。在没有质量的空间中，时空是平直的。在平直时空中，欧几里得几何成立。在有质量的空间中，引力使时空弯曲。在弯曲时空中，自由粒子沿短程线运动。弯曲时空中的短程线是全县，而平直时空中的短程线是直线。在弱引力场和不大的尺度内（如太阳系），广义相对论的结论与牛顿引力理论的结论是完全相同的。在强引力场和大尺度范围（星系、宇宙），只有广义相对论的结论才与观测相符。广义相对论的经典实验验证有引力红移、太阳对光线的偏折和水星轨道（如图3-12）的进动。引力红移是指光在脱离强引力场的过程中频率变低，波长变长。这可以解释为光在克服引力能的过程中能量减少。波长的相对变化可用公式表示为/ =G/c2 M/R。从地球上测来自太阳的光，波长的相对变化为/ =1.2310-6 。这一效应在1962年首次被观测到；其后，在更强的引力源如白短星和中子星上也观察到。1916年，爱因斯坦从广义相对论预言光线通过太阳边缘时会发生弯曲，偏角=1.75。1919年，由英国的爱丁顿组织的两支测量队，分别在比利时和几内亚，于5月29日日全食时观测日掩星（被太阳挡住的某恒星），结果证实了爱因斯坦的预言，如图3-13.从此，爱因斯坦名声大振。广义相