场概念的建立和发展

1、 “ 场” 概念的建立和发展 于国安 刘福平 原所佳 ( 曲阜师范大学物理系 ,273165, 山东省曲阜市 ; 胜利油田职工大学计算机系 ,257004, 山东省东营市 ; 山东农业大学基础部 ,271018, 山东省泰安市 摘 要 阐明了场概念的建立及人们对场概念认识的逐步深化 .关键词 场 力线 阿 玻效应分类号 O441场概念是近代物理学中最重要的概念之一 . , 随着 .1 “ 力线” 和 “ 场” 2000、 磁石之间具有相互作用 . 对于这种现象 , 历代的 . 有的认为是超距的瞬时作用 , 有的则认为是供助于中介空 间的近距离作用 . 由于人们看到的只是物体之间的排斥和吸引 ,

2、 至于带电体和磁石周围究竟是 什么 , 既看不见 , 也摸不着 , 只能是一种推测 .在很长一段时间里 , 电磁相互作用的超距观点在物理学中占统治地位 , 不少学者都用超距 的瞬时作用描述电磁现象 . 然而法拉第却与众不同 , 他不仅是超距作用的判逆者 , 而且在实验 和理性思维相结合的基础上提出了 “ 力线” 和 “ 场” 的思想 . 1821年法拉第关于载流导线绕磁极 转动的研究 , 使他认识到 :磁力是圆形力 , 圆形力是简单的 , 且能用于电磁现象的解释 . 他还认 为载流导线周围必定存在着某种 “ 张力” 状态 , 这种张力是可以通过媒介传递的近距作用 , 这里 已初步包含了 “ 力

3、线” 和 “ 场” 概念的胚种 . 电磁感应现象的发现 , 使 “ 力线” 概念成了法拉第思想 的核心 . 1831年 11月 24日 , 法拉第在向英国皇家学会宣读电磁感应的论文中首次使用 “磁力 线” 这个词 . 他称磁力线是这样一些曲线 , “ 它们能用铁屑描绘出来 , 或者对于它们来说 , 一根小 磁针将构成一条切线 . ” 以后他在实验中经常地 、 大量地用铁屑显示磁力线 , 并把它作为思考问 题的工具 .随着实验的进展 , 法拉第对磁力线的概念和认识也逐步深入 . 1832年 3月 26日 , 他在日 记中写到 , 与磁力线类似 , 在带电体之间有 “电力线” . 1837年 ,

4、他在研究介质如何影响电力时 发现 , 用一块绝缘材料隔开的两个导体板组成的电容器 , 比由真空隔开的电容器能够容纳更多 的电荷量 , 而板间所夹的物质不同 , 电容器容纳的电量也不同 . 为了解释这种现象 , 他假设介质第 22卷 第 1期 1996年 1月 曲 阜 师 范 大 学 学 报 Journal of Qufu Normal University Vol. 22 No. 1Jan. 1996收稿日期 :1995 05 27 中的分子产生了某种极化状态 , 两金属板上的电荷是借助于板间电介质内相互邻近的极化分 子的作用逐点传递过去的 , 他把介质分子的这种极化状态推广到真空中的以太粒子

5、的形变上 , 这种形变是沿着曲线传播的 , 由此明确地引入了 “电力线” 的概念 . 上述工作使法拉第坚信 , 电 和磁的作用不是没有中介地从一个物体传到另一个物体 . 他设想 , 在磁体 、 载流导体 、 带电体的 周围空间存在着某种由磁和电产生的像以太那样的连续介质 , 起着传递磁力和电力的媒介作 用 , 这实际上是 “ 场” 概念的萌芽 . 1845年他第一次使用了 “ 磁场” 这个词 , 两年后他又单独使用 “ 场” 这个词 , 这是物理学中第一次提出的作为近距作用的 “ 场” 的概念 .法拉第不仅提出了场的物理概念 , 而且还深刻地提出了电磁作用传播的思想 , 指出电磁作 用的传播是

6、需要时间的 , 这与瞬时的超距作用观点是根本对立的 .2 “ 场” 概念的演化和发展随着科学的发展和人们认识水平的提高 , 人们对 “ 场” . 场的概念 最早是由法拉第提出的 , , 性的概念 , 管子组成的 , , 传递电磁相互作用 . 基础上 , , 建立了由二十个分 量方程组成的电磁方程组 , 并采用拉格朗日和哈密顿的数学方法 , 从这个方程组推导出 E 和 B 的波动方程 , 预言了电磁波的存在 .在这组方程中 , 麦克斯韦引进了一个电磁场能量方程 . 他指出 , 在超距作用理论中 , 能量只 能存在于带电体 、 电路和磁体中 , 而根据新的理论 , 能量则存在于电磁场和这些物体中

7、, 这样 , 能量就被定域于整个电磁场空间 , 从而深刻地显示了电磁场的物质实在性 .但是 , 由于时代和科学水平的局限 , 麦克斯韦对场的认识只是所谓电磁以太模型 . 到了二 十世纪初 , 随着科学的发展 , 对场的认识进一步深化 . 1900年左右俄国科学家列别捷夫首先从 实验上观察到了光压这一现象 , 间接证明了电磁场具有动量 . 狭义相对论的创立 , 使人们开始 抛弃场的电磁以太模型 , 认识到场和实物物质一样是物质存在的一种形式 , 它不仅具有能量 , 而且具有动量和质量 , 把场看成了一种特殊的物质 . 量子理论的提出和发展 , 又使人们进一步 认识到场不仅具有波动性 , 而且具有

8、粒子性 . 为了更好地认清这种二象性 , 在量子电动力学中 将电磁场量子化 , 并用波函数来描述电磁场的量子状态 . 根据电磁场的量子理论 , 组成电磁场 的基本粒子是光子 , 在一定的条件下 , 光子和正 、 负电子对可以互相转化 , 从理论上说明了场和 实物物质的相互转化和统一 , 大大丰富了场的物质性的内涵 . 3 电磁场的描述由于物理学前沿的发展深刻地影响着人们对电磁学基本概念的理解和对基本理论的再认59第 1期 于国安等 :“ 场” 概念的建立和发展 识 , 人们对描述电磁场的物理量 E 和 B 的认识也是逐步深化的 . 在经典电磁理论中 , 真空中的 场方程可以写成关于 E 和 B

9、 的微分方程 , 运动电荷在电磁场中所受的电磁力可写成F =e (E +v ×B .亦可用 E 和 B 来描述 , 即 E 和 B 是描述电磁现象的两个基本物理量 , 用它可以完全描述电磁现 象的规律 , 只是由于计算的方便 , 引入了两个辅助量 和 A . 然而在微观领域中 , 情况就完全不同了 , 不能把 F =e (E +v ×B 看作电磁力的唯一形式 . 1960年阿哈朗诺夫和玻姆通过实 验揭示出 E =0, B =0的区域 , 电磁场对电子仍有作用 , 这说明电磁场完全可以用 E 、 B 描述的 说法是有问题的 . 在阿哈朗诺夫 玻姆效应中 , 在 E =0, B

10、 =0的区域内 , 矢势 A 并不等于零 . 对于磁屏蔽区外的任一回路 L , LA d l =S B d S =m 0因而在电子经过的区域 , A 0(但 B = ×A =0 , A . 实验和理 论都表明 , 用 E 和 B 不能完全描述电磁场 , e A d l . 由此 可见 , 在量子现象中 , A , . 说明随着物理学的发展 , . 参考文献1 申先甲主编 , 物理学史教程 1长沙 :湖南教育出版社 ,19872 蔡圣善主编 1全国第四届电动力学研讨会论文选集 1北京 :高等教育出版社 ,19931164167THE FOUN DING AN D DEVE L EPME

11、NT OF FIE LD CONCEPTIONY u Guoan L i u Fupi ng Y uan S huojia ( Department of Physics , Qufu Normal University ,273165,Qufu , Shandong ; University for Workers and Staff Menbers of the Sheng Li Petroleun Field ,257004,Dongying , Shandong ; Shandong Agriculture University , 271018, Taian , Shandong Abstract The fou