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[猎奇]到底什么是“场”？场是一种物质吗？[10P] [复制链接]

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2023-10-24

— 本帖被 xgch 执行加亮操作(2023-10-24) —

初中和高中物理课上，我们都学到过“场”的概念。对于多数人来讲，并没有明白场到底是一种什么东西，只是借助了“场”这个概念诠释很多物理现象。
那么问题来了，场到底是什么东西？它是一种物质吗？

秉承着尽量以通俗的语言来诠释科学，我只能这样讲：
在物理学上，场是客观存在的物理实体，这种定义下场就是物质，客观存在的就是物质，当时不是我们平时看得见摸得着的物质。
在数学上，场就是一个函数，这个函数的定义域是空间，值域不确定，看情况而定。也就是说，“场”是用在物理学上的数学工具，场的本质是对空间中的每个点赋予某个量，这种量可以是标量，向量或者张量。
举个例子，电场就是一个向量场，空间中的每个点都有一个向量，表征单位点电荷受到的力。同样的还有引力场，也是向量场，给空间中的每个点赋一个向量，表征单位质量的子弹在该点受到的力。

看到这里，或许你还是无法具体理解场的概念，这是没有办法的事情，因为场本身就是抽象的概念，从数学上来讲就是没有含义的数学高数。场并不像我们能直观看到感受到的东西，比如一个苹果，放在桌子上，我当然能直观地告诉你：看，这就是苹果。
但无论如何都无法用这种方法来解释“场”这种东西，我不能指着一样东西，告诉你：看，这就是场。这是不存在的。
而且，上面对于“场”的解释，是需要有一定物理基础的，否则对场的概念产生误解，会误认为“场就是毫无意义的数学函数”。其实不是这样的，因为在物理学上，场作为物理实体早就被验证过了。
我想说的是，如果你想对场的概念有更深入的了解，仅凭面向大众的科普是不够的，必须学些相关的物理和数学正是，没有其他任何办法。
但我还是想用我的方式尽可能通俗地诠释场的概念，以上只是对场简单的定义，下面来具体展开一下，尽可能的用举例和打比方来诠释，这样更容易理解。
先拿力场来举例说明。力场描述的是空间每个点上粒子的受力，这就是数学工具。受力是客观存在的，这就是物理现实。而我们把产生力的物理对象就称之为“场”，这种场是客观存在的，当然也是某种物质。

到这里，或许你还会认为场就是假想的概念，认为“场不存在”。这样说吧，如果你认为数学，函数等广泛被我们使用的数学工具是假想的，不存在的，那么场的确也是假想的不存在的。
但事实上呢？温度，密度，速度等所有的这些物理量，都是客观存在的，所以场也是存在的，只是不是能用手摸到的实体物质而已。
看到这里，你可能有些着急了：不要老是说那些物理学上的术语，我就想知道一点：场是不是像原子电子那样客观存在，是不是能通过显微镜等仪器“看见”？
简单回答：不能。通过显微镜你不但看不到场，你认为真的能看见电子吗？
我可以肯定地告诉你：没有谁真正看到过电子，也没有人知道电子到底是什么！在科学家眼里，电子光子等所谓的微观粒子只是特定的物理图像罢了。

看到这里，可能有人要骂街了，不要着急骂街。听我继续说。
人类目前总结出来的所有科学理论从来不是用来描述“世界本质”的所有的科学理论都在描述关系！也就是说，“电子存不存在”这个问题根本就不是一个科学问题。科学家们能确定的是有这么一坨拥有稳定性质的东西：
能和电磁场发生相互作用（有电荷），它能静止（有质量），它能和磁场耦合（有自旋），它能参与贝塔衰变（有弱荷）等等，然后科学家们把具有这一系列性质的东西称为“电子”。

这也是为什么我们没有真正看到电子，但仍坚信电子这种东西的存在。就像我们从来没有看到过空气，但仍坚信空气一定存在一样！
如果你认为不能直接看到就是不存在，那么电子等绝大多数微观粒子都不存在，而且按照这个逻辑，除了可见光光子，什么都不存在。我们虽然看不到电子，但可以看到电子产生的效果。

也可以这么理解场，“场”就是物理学家提出的一种物理图像，这个物体图像对于科学家研究物理很重要，科学家们选择某种物理图像，就是因为它展示了科学家们要研究的问题核心，能帮助科学家们忽略很多无关的细节，让他们可以更深入地研究理解自然规律。
但这里有一个重要前提：思考完物理图像之后，接下来更重要的是严谨的数学推导和实验验证，没有这两步，所做的一切都不是物理。
而现代物理学发展到今天，越来越倾向于这样的概念：与其说场是一种物质，不如说物质是一种场，而且是激化了的量子场，所有的物质都是场，基本粒子（如电子、光子）只不过是场的激发而已。
而我相信大部分人的困惑的地方在于，微观粒子相互作用时的媒介的场，到底该如何理解。
举个例子，最常见的引力，引力到底是如何产生的？牛顿对引力的解释是，引力是一种超距作用力，也就是说，引力是瞬时完成的，瞬时传递的，不需要任何时间。

但问题就在于引力到底是如何传递的？如果两个物体之间是真空状态，引力到底是如何穿过真空进行传递的？而且超光速传递也违背了因果律，就相当于我打你一耳光，我还没开始打呢，你就感觉到疼了。
对此，更合理的解释就是：引力并不是超距作用，并且任何力的作用都不是超距的，都是局域的。
也就是说，两个物体要想发生作用，必须通过某种媒介来传递，而且传递速度不能超过光速。
打个比方，所谓的“凭空发力”“隔山打牛”等其实是不可能的，想要击中一头牛，必须用某种东西，石头也好，板砖也罢，反正必须有东西，而石头板砖等这些东西就是传递力的媒介。
但是媒介为什么一定要是“场”这种弥散抽象的东西，而不是像石头那样的具体粒子呢？
这个问题其实完全无法用逻辑推理来回答，科学家们只能通过实验来验证，验证的结果就是场，而不是具体的粒子。
科学家们发现，构成我们可见物质世界的基本材料，以及这些材料之间的相互作用媒介，都是场。
这些基本材料，其实就是费米子场，费米子场有很多种，比如说电子场，电磁场，中子场，中微子场等，费米子场可以认为就是物质。费米子场的激发就会形成相应的基本粒子，比如说电子场受到激发就会形成电子。
而基本材料之间的相互作用是通过玻色子场传递的，而光子，胶子和引力子等都是相应玻色子场的激发形成的。

说白了，费米子场这些基本材料就相当于一块块砖头，而玻色子场相当于黏土，砖头通过黏土组合在一起，就形成了形形色色的物质。
举个形象的例子，场就相当于一片平静的汪洋大海，而基本粒子就相当于大海突然受到“激发”变得汹涌澎湃起来之后溅起的小水珠！

按照科学界对场的定义，场这种东西充斥在宇宙空间的每个角落，文章一开始也说了，场的本质是对空间中的每个点赋予某个量，也就是物理量，包含很多种，可以是基本的物质场，比如说电磁场，电子场，中微子场等，也可以是某种属性，比如说密度，温度等等。
科学家们甚至认为宇宙诞生之前就是这种场的状态，也可以形象理解为“混沌”状态。也就是说，在宇宙诞生之前，所有的物理量其实都已经存在了，而场一旦受到激发，就会形成各种基本粒子，然后不同的粒子之间通过相互作用形成丰富多彩的物质世界。当然，宇宙的诞生显然不会如此简单，这里只是形象的描述，更方便我们理解。
总结