对“场”的几点认识

方文

学习“静电场”这一章的关键是要建立“场”的观念.而“场”是非常抽象的一个概念，需要分层次来理解它.本文将从“场”的本质特征出发，对“场”进行深入理解.

一、“场”是一种物质

库仑定律表明，静电作用力可以发生在两个有一定距离的电荷之间，其中并不需要任何由原子、分子组成的物质作为中间媒介.那么，这种作用力是靠什么来传递的呢？

围绕这个问题，历史上有过两种不同的观点.一种观点认为它们之间的作用力不需要媒质来传递，可以超越距离和时间而瞬间发生作用，如图1所示.这种观点称为超距作用观点，库仑本人也是对此深信不疑.另一种观点认为，在空间存在一种弹性媒质称为“以太”，电荷之间的作用力是通过“以太”来传递的，如图2所示.这种观点称为近距作用观点.现代物理学的发展证明，超距作用观点是错误的，但近距作用观点所假设的“以太”媒介实际是不存在的.

法拉第反对超距作用，他认为电磁作用需要媒介传递，他设想带电体或磁体周围有一种由电磁本身产生的连续介质来传递电磁相互作用，他把这种介质叫作“场”，根据这个观点，电荷Q周围存在电场，电荷q受到的力是Q的电场给予的，如图3所示.

电场与分子、原子等所组成的实物一样，也具有能量和动量，是物质存在的一种形式.但是“场”这个物质与实物最大的不同是，实物占有了某个空间后，另一实物将无法占据这个空间，但是多个“场”可用同时占有某个空间位置，因为“场”是可以叠加的.这表明“场”是一种特殊的物质.

二、“场”是一种空间

“场”的本质是一种空间，但是，这种空间是具有某种特性的点的集合.以静电场为例，这种空间具有两大特性，即对引入场中的带电体有“力”和“能量”两方面的特性.如图4所示，在静电场的这个空间中的A、B两点，一带正电的带电体（又叫检验电荷）受到的力分别为F1和F2;同时该带电体在两点具有的电势能分别为E_p1和E_p2.带电体在这样的一个空间里的不同位置具有不同的力学和能量的性质.

为了更形象地描述“场”的分布情况，法拉第引入了“力线”.图5所示为该静电场空间中电场线的分布情况.电场线作为一种描述手段引入“场”中，它代表着“空间”的一种基本力的属性，它把人们对空间的认识向前推进了一大步.原来人们只知道由有质量的物体产生力.而“场”的观点表面，场是首要的，有质量的物体只不过是将场的作用显示出来而已，这也说明了“场”这个空间的特性是不会因引入的带电体而发生变化的，带电体只是将这个“场”的特性表现出来的.

什么时候有力的作用，我们就需要势能的概念，电荷之间由于相互作用而具有的能量叫电势能.“场”中的事物在没有什么看得见的推动作用下也会开始运动，说明带电体周围空间存在一种奇异的魔力.电势能是这种魔力的一种度量.例如，带电体在静电场中的电势能变化越大，说明电场力做功越多.

“场”这个空间是电荷之间作用的媒介.这与质点之间的作用过程有着很大的不同，显示了真空不是虚空而是参与了能量过程.就我们所遇到的静电能的表达式而言，能量都与带电体的电量相联系，例如电势能表达为E_p= qφ.我们可能会认为能量是集中在电荷上的.在静电范围内，由于电荷与电场总是联系在一起，因此电能究竟与电荷还是与电场联系在一起，这两种观点无法鉴定.但是，当电场随时间迅速变化时，电场可以脱离电荷而单独存在，并以有限的速度在空间传播，形成电磁波，而电磁波携带能量早被实践所证实，所以，电场是电能的携带者，电能分布在电场这种特殊的物质中，这也体现了能量是物质固有的属性之一，同时与“近距作用”的观点也是一致的.

三、“场”的引入是一种观念的转变

在法拉第之前，科学家解释物质的统一性都是“以物論物”的方法，即通过假设一种实体（无论是有质量还是没有质量）来说明某一类物质的统一性.例如，为了解释宇宙的一般现象，最早提出了以太;为了解释热现象，假设了热质.这样做是为了统一解释自然现象而建立的人为现象.法拉第对物质统一性的处理方法与此截然不同，他努力将从实验得出的知识与这类思维产物区分开来，发展了“以力论物”的方法.这是一种观念的转变，推动了人们对“物质”和“空间”的认识，为物理学描绘了一个全新的图景.因此，“场”的引入是一种观念的转变，转变了人们的世界观和方法论，其观念是具有革命性意义的.