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        物理基本概念
        ——場(chǎng)與實(shí)物比較研究

        2021-05-14 09:03:14唐玲琪
        物理通報(bào) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:電磁場(chǎng)實(shí)物光子

        唐玲琪 涂 泓

        (上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 234000)

        1 實(shí)物與場(chǎng)的歷史發(fā)展歷程

        1.1 關(guān)于實(shí)物

        實(shí)物通常是定域在空間的確定區(qū)域內(nèi),實(shí)物是物質(zhì)的基本形態(tài),在這里實(shí)物是指靜止質(zhì)量不等于零的物質(zhì).也就是說,物質(zhì)世界是由大量不可分割的實(shí)物粒子所組成,這些粒子具有廣延性,不可入性和不變質(zhì)量.生活中,小到分子、原子以及更小的組成顆粒,大到星球、星系、各種宇宙星體,都是實(shí)物.關(guān)于目前實(shí)物基本存在的形態(tài)如表1所示.

        表1 實(shí)物存在的形態(tài)

        1.2 關(guān)于場(chǎng)

        通常把某個(gè)物理量在空間的一個(gè)區(qū)域內(nèi)的分布稱為場(chǎng),場(chǎng)是物質(zhì)存在的另一種形式.這種形式主要特征在于場(chǎng)是彌散于空間的,空間充滿著各種不同的場(chǎng),它們互相滲透和相互作用著.例如,在高壓線附近存在著強(qiáng)大的電場(chǎng),在我們周圍的空間中傳播著各種形式的電磁波.

        1.2.1 場(chǎng)概念的萌芽

        從古希臘起,哲學(xué)家就對(duì)場(chǎng)進(jìn)行了探討.亞里士多德指出所謂的“虛空”根本就不存在,空間是物體存在和運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)所.17世紀(jì)笛卡爾[1]追隨亞里士多德,主張真空不空,充滿了各種以太旋渦產(chǎn)生作用,沒有瞬時(shí)穿越虛空的超距作用.但是笛卡爾的以太物理學(xué)在定量描述方面存在困難,而且在經(jīng)驗(yàn)事實(shí)受到反駁,在與牛頓力學(xué)的競爭中很快衰弱.從18世紀(jì)起,牛頓的超距作用觀點(diǎn)占統(tǒng)治地位將近一個(gè)半世紀(jì).他認(rèn)為物體間的作用力不借助媒介,都是一種超距作用,這種傳遞不需要時(shí)間,而是一種直接、瞬息的相互作用.即物體A直接作用在物體B上,這種方式具體表現(xiàn)為AB.

        1.2.2 場(chǎng)概念的誕生

        19世紀(jì)30年代,法拉第發(fā)現(xiàn),當(dāng)磁棒插入導(dǎo)線圈時(shí),導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流.從而提出另一種觀點(diǎn),認(rèn)為電流周圍存在著由它所產(chǎn)生的“電應(yīng)力狀態(tài)”[2].物體A對(duì)物體B的作用力,就是通過物體A的場(chǎng)對(duì)物體B的作用;物體B對(duì)物體A的作用力,就是通過物體B的場(chǎng)對(duì)物體A的作用.這種方式表現(xiàn)為

        A媒介B

        為此法拉第引進(jìn)了磁場(chǎng)線的概念,認(rèn)為電流產(chǎn)生圍繞著導(dǎo)線的磁場(chǎng)線,電荷向各個(gè)方向產(chǎn)生電場(chǎng)線,進(jìn)一步建立起以介質(zhì)中粒子的互鄰作用為基礎(chǔ)的靜電感應(yīng)理論,明確提出近距作用觀點(diǎn),并提出場(chǎng)的概念.他認(rèn)為:電的相互作用是通過以太而傳遞的過程,并假定在電和磁體的周圍存在著“場(chǎng)”.

        1.2.3 場(chǎng)概念的發(fā)展

        1856年,在法拉第的基礎(chǔ)上,麥克斯韋總結(jié)了電磁現(xiàn)象的規(guī)律,先后發(fā)表了《論法拉第線》《論物理力線》《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》這3篇重要論文,并引進(jìn)位移電流的概念.這個(gè)概念的核心思想是:變化著的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng).并且認(rèn)識(shí)到物體之間相互作用的場(chǎng)相互獨(dú)立的,即這種作用的表現(xiàn)形式如圖1所示.

        圖1 物體間場(chǎng)的相互作用表現(xiàn)形式

        1865年,在此基礎(chǔ)上他提出了一組偏微分方程來表達(dá)電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律[3].

        電場(chǎng)高斯定律

        ∮BD·dS=q0

        磁場(chǎng)高斯定律

        ∮BB·dS=0

        電磁感應(yīng)定律

        安培環(huán)路定律

        這套方程稱為麥克斯韋方程組,它在電磁學(xué)中的地位相當(dāng)于力學(xué)體系中牛頓運(yùn)動(dòng)定律.麥克斯韋的電磁理論預(yù)言了電磁波的存在,并算出了其傳播速度等于光速,這一預(yù)言的正確性后來為赫茲的圓弧形導(dǎo)線的放電實(shí)驗(yàn)和近代無線電的廣泛實(shí)踐所證實(shí).于是人們認(rèn)識(shí)到麥克斯韋的電磁理論能正確地反映了電磁現(xiàn)象的規(guī)律,并肯定了光也是一種電磁波.

        1887年,邁克爾孫和莫雷利用干涉實(shí)驗(yàn)否定了以太的存在.1905年,愛因斯坦創(chuàng)立了相對(duì)論,加深人們對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)和了解,并向統(tǒng)一場(chǎng)論的方向努力.場(chǎng)的發(fā)展歷程如圖2所示.

        圖2 場(chǎng)的發(fā)展歷程

        2 場(chǎng)與實(shí)物的辯證統(tǒng)一

        2.1 場(chǎng)和實(shí)物都是物質(zhì) 不依賴于人們的意識(shí)而存在著

        場(chǎng)和實(shí)物一樣,有各種不同的形式,電場(chǎng)、磁場(chǎng)、核力場(chǎng)等.我們雖不能直接感受到場(chǎng)的存在,但可由場(chǎng)的作用而顯現(xiàn)它的存在,如靜電場(chǎng),可用檢驗(yàn)電荷受力顯示它的存在,所以各種場(chǎng)都是客觀存在的物質(zhì).

        2.2 場(chǎng)和實(shí)物一樣 具有物質(zhì)的一切屬性

        (1)場(chǎng)和粒子都具有動(dòng)量,并遵守動(dòng)量守恒定律.麥克斯韋根據(jù)電磁理論指出,當(dāng)平行光垂直照射物體時(shí),單位體積的電磁波動(dòng)量[4]為

        1901年,俄國物理學(xué)家彼得·尼古拉耶維奇·列別捷夫設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn),首次發(fā)現(xiàn)了光壓,并測(cè)量了數(shù)據(jù),取得的數(shù)據(jù)與理論一致.與此同時(shí),美國物理學(xué)家尼科爾斯和哈爾也分別用精密實(shí)驗(yàn)測(cè)定了光的壓力.光具有物質(zhì)性,所以到達(dá)物體上,會(huì)對(duì)此物體產(chǎn)生一定的壓力,而大量的光子長時(shí)間作用就會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的壓力,宏觀作用即有動(dòng)量.如彗星在我國民間有個(gè)形象的稱號(hào)叫做“掃把星”,如圖3所示哈雷彗星.彗星的尾巴背著太陽就是太陽的光壓造成的,彗星尾有大量的塵埃組成,大量的光子長時(shí)間對(duì)塵埃微粒作用就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的壓力.當(dāng)彗星靠近太陽的時(shí)候,這些塵埃微粒所受太陽的光壓比太陽的引力大,所以它被太陽的輻射壓推向遠(yuǎn)離太陽的方向而形成很長的彗尾.我們所看到的“掃把星”的“掃把”就是這樣形成的.

        圖3 哈雷彗星

        (2)場(chǎng)和粒子都具有能量,并遵守能量守恒定律.太陽光照在人們身上,把溫暖傳遞給人們,這說明光具有能量.場(chǎng)和粒子都具有能量,電磁場(chǎng)和電荷能量就在場(chǎng)和電荷之間轉(zhuǎn)移.如接收電磁波的過程中,電磁場(chǎng)作用于接收天線的自由電荷上,引起天線的電流,電磁波的一部分能量轉(zhuǎn)移為接收系統(tǒng)上的電磁能量,且在轉(zhuǎn)換過程中總能量是守恒的.

        (3)同時(shí)場(chǎng)和粒子都具有波粒二象性.場(chǎng)是一種具有連續(xù)分布的物種形態(tài),即具有連續(xù)性--波動(dòng)性.電磁場(chǎng)的基本粒子叫光子,光子的波動(dòng)性由它產(chǎn)生的干涉、衍射等現(xiàn)象表現(xiàn)出來.另一方面,場(chǎng)又具有微粒的特性,即不連續(xù)性--粒子性.光的粒子性已被光電效應(yīng)等許多實(shí)驗(yàn)所證實(shí).

        2.3 場(chǎng)和實(shí)物粒子的相互作用

        現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)研究已表明,場(chǎng)和實(shí)物彼此是密切地相互關(guān)聯(lián)著的,例如,1932年發(fā)現(xiàn):電子和正電子結(jié)合后能轉(zhuǎn)變?yōu)榫薮竽芰康墓庾樱娮印⒄娮印跋А?,絕不是“物質(zhì)的消滅”或“質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰俊?,電子偶湮滅的同時(shí)產(chǎn)生了γ射線的形式的電磁波.如

        e++e-→γ+γ′

        上式為實(shí)物粒子轉(zhuǎn)變?yōu)閳?chǎng)的實(shí)例.

        反之當(dāng)一個(gè)高能光子與一個(gè)帶電荷量為Ze的重原子核作用時(shí),光子消失,電子和正電子成對(duì)出現(xiàn),這時(shí)電磁場(chǎng)又能轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物粒子(電子、正電子對(duì)).

        γ+Ze→e++e-+Ze

        上式為場(chǎng)產(chǎn)生實(shí)物粒子的實(shí)例.場(chǎng)和實(shí)物的辯證統(tǒng)一如表2所示.

        表2 場(chǎng)和實(shí)物的辯證統(tǒng)一

        3 場(chǎng)和實(shí)物的特殊性

        自然界中的物質(zhì)存在形態(tài)多種多樣, 場(chǎng)和實(shí)物作為物質(zhì)的兩種基本形態(tài),既有許多的相似點(diǎn),同時(shí)也有它自己本身的特殊性.

        3.1 場(chǎng)和實(shí)物的存在形式不同

        一切實(shí)物都是由原子分子組成的,占有一定的空間,但是同一個(gè)空間不能同時(shí)為其他實(shí)物所占據(jù).與此相反,場(chǎng)是一種彌漫在空間的特殊物質(zhì),遵從疊加性.同一空間內(nèi)可存在許多不同的場(chǎng),彼此保持獨(dú)立,互不影響.例如同一空間可以存在許多不同源的無線電波和光波.不同場(chǎng)不僅可占有同一空間,實(shí)物和場(chǎng)還可以相互滲透,兩者也可占有同一空間,這時(shí)對(duì)實(shí)物存在作用,而實(shí)物也影響場(chǎng).

        3.2 場(chǎng)和實(shí)物的質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系不同

        洛倫茲把收縮假設(shè)用于電子,得到其關(guān)系式為

        但是光子沒有靜止質(zhì)量,光子的質(zhì)量和速度分別為

        m0=0v=c

        則電磁場(chǎng)的質(zhì)量根據(jù)質(zhì)能方程為

        因此,電磁場(chǎng)的質(zhì)量和實(shí)物的質(zhì)量是不同的.真空中的電磁場(chǎng)始終以光速傳播,因此物體始終無法達(dá)到光速.由于低速時(shí)遵循牛頓力學(xué)定律,所有物體都可以在力的作用下進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng).但是對(duì)于電磁場(chǎng),不存在加速度.在真空中,光子只能以光速移動(dòng),否則根本不存在.當(dāng)實(shí)物粒子遇到無彈性的障礙物時(shí),它只會(huì)失去其動(dòng)能和動(dòng)量,并將其傳遞給障礙物;而電磁場(chǎng)碰到吸收的障礙物時(shí),就會(huì)停止存在,并轉(zhuǎn)化成為實(shí)物.

        3.3 實(shí)物具有比場(chǎng)大得多的質(zhì)量密度和能量密度

        由于光速等于c=3×108m/s,所以場(chǎng)的質(zhì)量密度極其微小,只有在核反應(yīng)時(shí)才能衡量場(chǎng)的質(zhì)量大?。畧?chǎng)的質(zhì)量雖然小,但我們卻容易發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的能量,其原因就在于能量是質(zhì)量的c2倍.當(dāng)用實(shí)物和電磁場(chǎng)運(yùn)輸同樣的功率時(shí),通過電磁場(chǎng)進(jìn)行能量傳遞的特征是質(zhì)量幾乎等于零,速度非常大,這正是現(xiàn)代生活中電磁場(chǎng)容易被利用的原因.

        4 結(jié)論

        綜上所述,場(chǎng)和實(shí)物作為物質(zhì)的兩種存在形式,相輔相成,與我們的生活息息相關(guān).因此學(xué)習(xí)電磁學(xué)知識(shí)離不開對(duì)物理基本概念的理解,不僅需要掌握好場(chǎng)所具有的物質(zhì)的一般屬性,同時(shí)也要清楚認(rèn)識(shí)到它所具有的特殊性,才能形成正確的科學(xué)意識(shí)去解決相關(guān)問題.

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