1、 “ 場” 概念的建立和發展 于國安 劉福平 原所佳 ( 曲阜師范大學物理系 ,273165, 山東省曲阜市 ; 勝利油田職工大學計算機系 ,257004, 山東省東營市 ; 山東農業大學基礎部 ,271018, 山東省泰安市 摘 要 闡明了場概念的建立及人們對場概念認識的逐步深化 .關鍵詞 場 力線 阿 玻效應分類號 O441場概念是近代物理學中最重要的概念之一 . , 隨著 .1 “ 力線” 和 “ 場” 2000、 磁石之間具有相互作用 . 對于這種現象 , 歷代的 . 有的認為是超距的瞬時作用 , 有的則認為是供助于中介空 間的近距離作用 . 由于人們看到的只是物體之間的排斥和吸引 ,

2、 至于帶電體和磁石周圍究竟是 什么 , 既看不見 , 也摸不著 , 只能是一種推測 .在很長一段時間里 , 電磁相互作用的超距觀點在物理學中占統治地位 , 不少學者都用超距 的瞬時作用描述電磁現象 . 然而法拉第卻與眾不同 , 他不僅是超距作用的判逆者 , 而且在實驗 和理性思維相結合的基礎上提出了 “ 力線” 和 “ 場” 的思想 . 1821年法拉第關于載流導線繞磁極 轉動的研究 , 使他認識到 :磁力是圓形力 , 圓形力是簡單的 , 且能用于電磁現象的解釋 . 他還認 為載流導線周圍必定存在著某種 “ 張力” 狀態 , 這種張力是可以通過媒介傳遞的近距作用 , 這里 已初步包含了 “ 力

3、線” 和 “ 場” 概念的胚種 . 電磁感應現象的發現 , 使 “ 力線” 概念成了法拉第思想 的核心 . 1831年 11月 24日 , 法拉第在向英國皇家學會宣讀電磁感應的論文中首次使用 “磁力 線” 這個詞 . 他稱磁力線是這樣一些曲線 , “ 它們能用鐵屑描繪出來 , 或者對于它們來說 , 一根小 磁針將構成一條切線 . ” 以后他在實驗中經常地 、 大量地用鐵屑顯示磁力線 , 并把它作為思考問 題的工具 .隨著實驗的進展 , 法拉第對磁力線的概念和認識也逐步深入 . 1832年 3月 26日 , 他在日 記中寫到 , 與磁力線類似 , 在帶電體之間有 “電力線” . 1837年 ,

4、他在研究介質如何影響電力時 發現 , 用一塊絕緣材料隔開的兩個導體板組成的電容器 , 比由真空隔開的電容器能夠容納更多 的電荷量 , 而板間所夾的物質不同 , 電容器容納的電量也不同 . 為了解釋這種現象 , 他假設介質第 22卷 第 1期 1996年 1月 曲 阜 師 范 大 學 學 報 Journal of Qufu Normal University Vol. 22 No. 1Jan. 1996收稿日期 :1995 05 27 中的分子產生了某種極化狀態 , 兩金屬板上的電荷是借助于板間電介質內相互鄰近的極化分 子的作用逐點傳遞過去的 , 他把介質分子的這種極化狀態推廣到真空中的以太粒子

5、的形變上 , 這種形變是沿著曲線傳播的 , 由此明確地引入了 “電力線” 的概念 . 上述工作使法拉第堅信 , 電 和磁的作用不是沒有中介地從一個物體傳到另一個物體 . 他設想 , 在磁體 、 載流導體 、 帶電體的 周圍空間存在著某種由磁和電產生的像以太那樣的連續介質 , 起著傳遞磁力和電力的媒介作 用 , 這實際上是 “ 場” 概念的萌芽 . 1845年他第一次使用了 “ 磁場” 這個詞 , 兩年后他又單獨使用 “ 場” 這個詞 , 這是物理學中第一次提出的作為近距作用的 “ 場” 的概念 .法拉第不僅提出了場的物理概念 , 而且還深刻地提出了電磁作用傳播的思想 , 指出電磁作 用的傳播是

6、需要時間的 , 這與瞬時的超距作用觀點是根本對立的 .2 “ 場” 概念的演化和發展隨著科學的發展和人們認識水平的提高 , 人們對 “ 場” . 場的概念 最早是由法拉第提出的 , , 性的概念 , 管子組成的 , , 傳遞電磁相互作用 . 基礎上 , , 建立了由二十個分 量方程組成的電磁方程組 , 并采用拉格朗日和哈密頓的數學方法 , 從這個方程組推導出 E 和 B 的波動方程 , 預言了電磁波的存在 .在這組方程中 , 麥克斯韋引進了一個電磁場能量方程 . 他指出 , 在超距作用理論中 , 能量只 能存在于帶電體 、 電路和磁體中 , 而根據新的理論 , 能量則存在于電磁場和這些物體中

7、, 這樣 , 能量就被定域于整個電磁場空間 , 從而深刻地顯示了電磁場的物質實在性 .但是 , 由于時代和科學水平的局限 , 麥克斯韋對場的認識只是所謂電磁以太模型 . 到了二 十世紀初 , 隨著科學的發展 , 對場的認識進一步深化 . 1900年左右俄國科學家列別捷夫首先從 實驗上觀察到了光壓這一現象 , 間接證明了電磁場具有動量 . 狹義相對論的創立 , 使人們開始 拋棄場的電磁以太模型 , 認識到場和實物物質一樣是物質存在的一種形式 , 它不僅具有能量 , 而且具有動量和質量 , 把場看成了一種特殊的物質 . 量子理論的提出和發展 , 又使人們進一步 認識到場不僅具有波動性 , 而且具有

8、粒子性 . 為了更好地認清這種二象性 , 在量子電動力學中 將電磁場量子化 , 并用波函數來描述電磁場的量子狀態 . 根據電磁場的量子理論 , 組成電磁場 的基本粒子是光子 , 在一定的條件下 , 光子和正 、 負電子對可以互相轉化 , 從理論上說明了場和 實物物質的相互轉化和統一 , 大大豐富了場的物質性的內涵 . 3 電磁場的描述由于物理學前沿的發展深刻地影響著人們對電磁學基本概念的理解和對基本理論的再認59第 1期 于國安等 :“ 場” 概念的建立和發展 識 , 人們對描述電磁場的物理量 E 和 B 的認識也是逐步深化的 . 在經典電磁理論中 , 真空中的 場方程可以寫成關于 E 和 B

9、 的微分方程 , 運動電荷在電磁場中所受的電磁力可寫成F =e (E +v ×B .亦可用 E 和 B 來描述 , 即 E 和 B 是描述電磁現象的兩個基本物理量 , 用它可以完全描述電磁現 象的規律 , 只是由于計算的方便 , 引入了兩個輔助量 和 A . 然而在微觀領域中 , 情況就完全不同了 , 不能把 F =e (E +v ×B 看作電磁力的唯一形式 . 1960年阿哈朗諾夫和玻姆通過實 驗揭示出 E =0, B =0的區域 , 電磁場對電子仍有作用 , 這說明電磁場完全可以用 E 、 B 描述的 說法是有問題的 . 在阿哈朗諾夫 玻姆效應中 , 在 E =0, B

10、 =0的區域內 , 矢勢 A 并不等于零 . 對于磁屏蔽區外的任一回路 L , LA d l =S B d S =m 0因而在電子經過的區域 , A 0(但 B = ×A =0 , A . 實驗和理 論都表明 , 用 E 和 B 不能完全描述電磁場 , e A d l . 由此 可見 , 在量子現象中 , A , . 說明隨著物理學的發展 , . 參考文獻1 申先甲主編 , 物理學史教程 1長沙 :湖南教育出版社 ,19872 蔡圣善主編 1全國第四屆電動力學研討會論文選集 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