對“場”的幾點認識

方文

學習“靜電場”這一章的關鍵是要建立“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”的本質特征出發，對“場”進行深入理解.

一、“場”是一種物質

庫侖定律表明，靜電作用力可以發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來傳遞，可以超越距離和時間而瞬間發生作用，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.現代物理學的發展證明，超距作用觀點是錯誤的，但近距作用觀點所假設的“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，他設想帶電體或磁體周圍有一種由電磁本身產生的連續介質來傳遞電磁相互作用，他把這種介質叫作“場”，根據這個觀點，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，是物質存在的一種形式.但是“場”這個物質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.

二、“場”是一種空間

“場”的本質是一種空間，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和能量的性質.

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量的物體產生力.而“場”的觀點表面，場是首要的，有質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生變化的，帶電體只是將這個“場”的特性表現出來的.

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.“場”中的事物在沒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系，例如電勢能表達為E_p= qφ.我們可能會認為能量是集中在電荷上的.在靜電范圍內，由于電荷與電場總是聯系在一起，因此電能究竟與電荷還是與電場聯系在一起，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中，這也體現了能量是物質固有的屬性之一，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變

在法拉第之前，科學家解釋物質的統一性都是“以物論物”的方法，即通過假設一種實體（無論是有質量還是沒有質量）來說明某一類物質的統一性.例如，為了解釋宇宙的一般現象，最早提出了以太;為了解釋熱現象，假設了熱質.這樣做是為了統一解釋自然現象而建立的人為現象.法拉第對物質統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物區分開來，發展了“以力論物”的方法.這是一種觀念的轉變，推動了人們對“物質”和“空間”的認識，為物理學描繪了一個全新的圖景.因此，“場”的引入是一種觀念的轉變，轉變了人們的世界觀和方法論，其觀念是具有革命性意義的.