电气装置

物理学中的场是什么意思物理学中有哪些

发布时间:2022/12/17 16:54:54   
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“场”的概念最先是由19世纪伟大的科学家迈克尔·法拉第创建的。法拉第是一个穷铁匠的儿子,它是一位天才,所有的知识全部依靠自学得来。法拉第设计了最早的电力和磁力实验,他将抽象的“力线”直观化,让人们了解到“力线”可以通过磁和电荷发射到四面八方并充满了所有空间。

在法拉第的实验室中,由他自己设计的仪器可以测量任何一点的磁力或电荷的“力线”强度,也就是说,他可以给空间中的任何一点指定一组数字来表示这个点上的“力线”的大小和方向。那么,什么是“场”呢?简单地说,“场”是指空间每一点上完全描述了在那个点上的力的大小和方向的数据集合。

例如,在空间的每个点上,可以用3个数字描述磁力线的强度和方向,这个空间就是“磁场”,“电场”的原理和磁场相同。也就是说,在三维空间中的每一个点上,都有一系列的6个数字描述磁力线和电力线。法拉第的“场”的概念威力强大,可以将自然界中所有的力都用“场”的形式来表达。不过,在当年很少有人能理解“力”和“场”的本质,甚至很多人对法拉第的实验和理论嗤之以鼻。

曾经有人问法拉第他的工作有什么用,他回答道:“孩子有什么用?那就是他能长大成人。”当时的英国财政大臣参观了法拉第的实验室,这个人对科学一无所知,所以他讽刺地问法拉第那些巨大的电气装置对英国来说有什么用,法拉第回答说:“先生,我可以肯定一点,有朝一日你能通过它们征税。”事实上,当今英国税收的大部分都要归功于法拉第的劳动成果。

回到正题,法拉第虽然发现了“场”,但是要将“场”系统地运用到宏观物理学中,还需要一个要素,那就是建立这些场所遵守的方程。事实上,在过去几百年以来,理论物理的进展可以简洁地概括为“寻找自然力的场的方程”。例如,19世纪60年代,由苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦写下了电场和磁场的方程,就是著名的“麦克斯韦方程”。

到了年,爱因斯坦发现了引力的场方程。再到20世纪70年代,在经过无数次的失败的尝试后,由华人物理学家杨振宁和他的学生R·L·米尔斯最终建立了亚原子粒子的力的场方程,这些控制亚原子粒子相互作用的场方程,就是著名的“杨-米尔斯场”。

然而,虽然物理学在过去的几百年中得到了飞速地发展,但令本世纪物理学家们困惑的是,杨-米尔斯场为什么与爱因斯坦的场方程截然不同?即,为什么核力与引力的差别如此巨大,以至于两者很难统一到一起。当代很多物理学家也一直致力于解决这个问题,但到目前为止,都未能获得成功。

太多的挫折也让物理学家们开始了反思并有所突破,他们发现,如果仅局限在四维时空中,粒子理论很难与引力理论统一起来,而“超空间理论”的出现给物理学家们带来了新的希望。超空间理论的优点在于:麦克斯韦场、杨-米尔斯场和爱因斯坦的引力场,在超空间理论中可以非常合理地结合在一起,就像拼图一样。

全文完。



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