方文

學(xué)習(xí)“靜電場”這一章的關(guān)鍵是要建立“場”的觀念。而“場”是非常抽象的一個概念，需要分層次來理解它。本文將從“場”的本質(zhì)特征出發(fā)，對“場”進行深入理解。

一、“場”是一種物質(zhì)

庫侖定律表明，靜電作用力可以發(fā)生在兩個有一定距離的電荷之間，其中并不需要任何由原子、分子組成的物質(zhì)作為中間媒介。那么，這種作用力是靠什么來傳遞的呢？

圍繞這個問題，歷史上有過兩種不同的觀點。一種觀點認為它們之間的作用力不需要媒質(zhì)來傳遞，可以超越距離和時間而瞬間發(fā)生作用，如圖1所示。這種觀點稱為超距作用觀點，庫侖本人也是對此深信不疑。另一種觀點認為，在空間存在一種彈性媒質(zhì)稱為“以太”，電荷之間的作用力是通過“以太”來傳遞的，如圖2所示。這種觀點稱為近距作用觀點?，F(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展證明，超距作用觀點是錯誤的，但近距作用觀點所假設(shè)的“以太”媒介實際是不存在的。

法拉第反對超距作用，他認為電磁作用需要媒介傳遞。他設(shè)想帶電體或磁體周圍有一種由電磁本身產(chǎn)生的連續(xù)介質(zhì)來傳遞電磁相互作用，他把這種介質(zhì)叫作“場”。根據(jù)這個觀點，電荷Q周圍存在電場，電荷q受到的力是Q的電場給予的，如圖3所示。

電場與分子、原子等所組成的實物一樣，也具有能量和動量，是物質(zhì)存在的一種形式。但是“場”這個物質(zhì)與實物最大的不同是，實物占有了某個空間后，另一實物將無法占據(jù)這個空間，但是多個“場”可用同時占有某個空間位置，因為“場”是可以疊加的。這表明“場”是一種特殊的物質(zhì)。 二、“場”是一種空間

“場”的本質(zhì)是一種空間，但是，這種空間是具有某種特性的點的集合。以靜電場為例，這種空間具有兩大特性，即對引入場中的帶電體有“力”和“能量”兩方面的特性。如圖4所示，在靜電場的這個空間中的A、B兩點，一帶正電的帶電體（又叫檢驗電荷）受到的力分別為F₁和F₂；同時該帶電體在兩點具有的電勢能分別為E_p1和E_p2，帶電體在這樣的一個空間里的不同位置具有不同的力學(xué)和能量的性質(zhì)。

為了更形象地描述“場”的分布情況，法拉第引入了“力線圖5所示為該靜電場空間中電場線的分布情況。電場線作為一種描述手段引入“場”中，它代表著“空間”的一種基本力的屬性，它把人們對空間的認識向前推進了一大步。原來人們只知道由有質(zhì)量的物體產(chǎn)生力。而“場”的觀點表面，場是首要的，有質(zhì)量的物體只不過是將場的作用顯示出來而已。這也說明了“場”這個空間的特性是不會因引入的帶電體而發(fā)生變化的，帶電體只是將這個“場”的特性表現(xiàn)出來的。

什么時候有力的作用，我們就需要勢能的概念。電荷之間由于相互作用而具有的能量叫電勢能?！皥觥敝械氖挛镌跊]有什么看得見的推動作用下也會開始運動，說明帶電體周圍空間存在一種奇異的魔力。電勢能是這種魔力的一種度量。例如，帶電體在靜電場中的電勢能變化越大，說明電場力做功越多。

“場”這個空間是電荷之間作用的媒介。這與質(zhì)點之間的作用過程有著很大的不同，顯示了真空不是虛空而是參與了能量過程。就我們所遇到的靜電能的表達式而言，能量都與帶電體的電量相聯(lián)系，例如電勢能表達為E_p=qψ。我們可能會認為能量是集中在電荷上的。在靜電范圍內(nèi)，由于電荷與電場總是耳關(guān)系在一起，因此電能究竟與電荷還是與電場聯(lián)系在一起，這兩種觀點無法鑒定。但是，當電場隨時間迅速變化時，電場可以脫離電荷而單獨存在，并以有限的速度在空間傳播，形成電磁波，而電磁波攜帶能量早被實踐所證實。所以，電場是電能的攜帶者，電能分布在電場這種特殊的物質(zhì)中，這也體現(xiàn)了能量是物質(zhì)固有的屬性之一，同時與“近距作用”的觀點也是一致的。

三、“場”的引入是一種觀念的轉(zhuǎn)變

在法拉第之前，科學(xué)家解釋物質(zhì)的統(tǒng)一性都是“以物論物”的方法，即通過假設(shè)一種實體（無論是有質(zhì)量還是沒有質(zhì)量）來說明某一類物質(zhì)的統(tǒng)一性。例如，為了解釋宇宙的一般現(xiàn)象，最早提出了以太；為了解釋熱現(xiàn)象，假設(shè)了熱質(zhì)。這樣做是為了統(tǒng)一解釋自然現(xiàn)象而建立的人為現(xiàn)象。法拉第對物質(zhì)統(tǒng)一性的處理方法與此截然不同，他努力將從實驗得出的知識與這類思維產(chǎn)物區(qū)分開來，發(fā)展了“以力論物”的方法。這是一種觀念的轉(zhuǎn)變，推動了人們對“物質(zhì)”和“空間”的認識，為物理學(xué)描繪了一個全新的圖景。因此，“場”的引入是一種觀念的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變了人們的世界觀和方法論，其觀念是具有革命性意義的。endprint