场(field)在数学上是指一个向量到另一个向量或数的映射。
场的概念
场指物体在空间中的分布情况。场是用空间位置函数来表征的。在物理学中,经常要研究某种物理量在空间的分布和变化规律。如果物理量是标量,那么空间每一点都对应着该物理量的一个确定数值,则称此空间为标量场。例如:电势场、温度场等。如果物理量是矢量,那么空间每一点都存在着它的大小和方向,则称此空间为矢量场。例如:电场、速度场等。
场是一种特殊物质,看不见、摸不着,但它确实存在。比如:
引力场、
磁场等。
爱因斯坦在狭义相对论中否定
以太的存在,但广义相对论的建立体现了爱因斯坦思想的明显改变。他指出:广义相对论“是一种
场论”,“如果用常数代替那些描述广义相对论以太的函数,同时不考虑任何决定以太的原因,那么广义相对论以太就可以在想象中变为洛仑兹以太。”爱因斯坦甚至试图把各种场统一起来,形成一种完美无瑕的理论。场是物质存在的一种基本形式。这种形式的主要特征在于场是弥散于全空间的。
在物理学中,场是一个以
时空为变量的
物理量。场可以分为
标量场、
矢量场和
张量场三种,依据场在时空中每一点的值是
标量、矢量还是
张量而定。例如,经典
重力场是一个矢量场:标示重力场在时空中每一个的值需要三个量,此即为重力场在每一点的重力场矢量分量。更进一步地,在每一范畴(标量、矢量、张量)之中,场还可以分为“经典场”和“
量子场”两种,依据场的值是数字或量子算符而定。
场被认为是延伸至整个空间的,但实际上,每一个已知的场在够远的距离下,都会缩减至无法量测的程度。例如,在
牛顿万有引力定律里,重力场的强度是和距离平方成反比的,因此地球的重力场会随着距离很快地变得不可测得(在宇宙的尺度之下)。
定义场是一个“空间里的数”,这不应该减损场在物理上所有的真实性。“场占有空间,场含有能量,场的存在排除了真正的真空。”
真空中没有物质,但并不是没有场的。场形成了一个“空间的状态”。
当一个电荷移动时,另一个电荷并不会立刻感应到。第一个电荷会感应到一个
反作用力,并获得
动量,但第二个电荷则没有感应,直到第一个电荷移动的影响以
光速传递到第二个电荷那里,并给予其动量之后。那在第二个电荷移动前,动量在哪里呢?根据
动量守恒定律,动量必存在于某处。物理学家认为动量应该存在于场之中。如此的认定让物理学家们相信电磁场是真实的存在,使得场的概念成为整个现代物理的范式。
场的物理性质
场的物理性质可以用一些定义在全空间的量描述,例如:电磁场的性质可以用电场强度和磁感应
强度或用一个三维矢量势和一个标量势描述。这些场量是空间坐标和时间的函数,它们随时间的变化描述场的运动。空间不同点的场量可以看作是互相独立的动力学
变量,因此场是具有连续无穷维自由度的系统。场论是关于场的性质、相互作用和运动规律的理论。量子场论则是在
量子物理学基础上建立和发展的场论,即把量子力学原理应用于场,把场看作无穷维自由度的力学系统实现其量子化而建立的理论。量子场论是粒子物理学的基础理论,并被广泛地应用于统计物理、核理论和凝聚态理论等近代
物理学的许多分支。
场是物质存在的空间。表现为物质时空环境中各种因素的相互作用。由
爱因斯坦首先提出。实物和场是物质的两种基本形态,这个观点是由苏联学者提出来的,是对爱因斯坦的论断加以改造的结果。空间之所以并非虚空,是由于有场存在。场不同于物质,但也是一种实在。爱因斯坦的论断在表述上与
马克思主义哲学不相容,由于物质有实物和场两种基本形态,出现了“场是物质的一种基本形态”的说法。但场不是物质,场是物质发生作用的范围。在日常语言中,“场”原是指场所、活动地、区域,这是一个空间用词。“场”论所追求的是四种力(引力、电磁力、弱力、强力)或四种相互作用(引力作用、电磁作用、
弱相互作用、强相互作用)的统一,“场”的实际内容是一定范围内的物理作用。实物和场是不可分割地相互联系而存在的。在当代社会科学中,大量引用“场”论的观点探索事物与环境的关系,出现了“心理场”、“审美场”、“舆论场”等社会科学观点。
场的属性
场的一个重要属性是它占有一个空间,它把物理状态作为空间和时间的函数来描述。而且,在此空间区域中,除了有限个点或某些表面外,场函数是处处连续的。若物理状态与时间无关,则为静态场;反之,则为动态场或时变场。
场是物质存在的基本形态之一。例如,天地之间的相互吸引是借助于物质之间的引力场,光和无线电的传播要借助于电磁场。场存在于相互作用的物质之间的空间。对场的认识和场概念的确立,反映了人类对物质世界认识和利用能力的提高,是对物质观的丰富和更新。比如对带电体之间相互作用的认识,长期以来一直认为是一种超距作用,即一个带电体对另一个带电体的作用是直接给予的,不需要中间物质传递,也不需要时间。到19世纪初,科学家发现了带电体周围的空间具有特殊性,形成了电场概念,明确了一个带电体对另一个带电体的作用是通过电场进行的。以后的进一步研究,发现电场也是有能量、动量、质量和速度的,并逐步形成了
电磁场理论。电磁场的研究和电磁波的利用把人类带进了信息时代,而对引力场的研究则为人类遨游太空提供了理论基础。
分类
向量场
向量场(也叫做
矢量场,vector field)是由一个向量对应另一个向量的函数。
建立
坐标系(x, y, z)。空间中每一点都可以用由原点指向该点的
向量表示。因此,如果空间在所有点对应一个唯一的向量(a, b, c),那么
时空中存在向量场中:
F: (x0,y0,z0)→(a,b,c)
例如:
如果
质点位于
坐标原点(0, 0, 0),则
牛顿引力场是一个向量场:
F: (a, b, c)→
物理中,最常用的向量场有
风场、
引力场、电磁场、水
流场等等。
生活中,头上的每个点对应一个头发也可以看做一个向量场。
标量场
标量场(scalar field)是由一个向量对应一个标量的函数。
如温度场、密度场、浓度场等。