力場

lìchǎng

[field of force] 一種矢量場,其中與每一點相關的矢量均可用一個力來量度

電場，磁場，引力場

物理中的三大場

力場看不見 摸不着

磁體在磁場中受力

物體在引力場中受力

電荷在電場中受力

物理中有一個很重要的基本觀念：宇宙間有某種對稱性是某些現象所具有的，因此產生現象的各種力場，也就必須負起維持對稱性之責。我們先看一些例子。在量子場論裏我們用「電子場」描述自由電子，把這個場（場固然是算符，但同時也是時空的函數。）乘上一個「純相」的因數（也就是絕對值為1的複數，例如(1+i)/ √ 2 ，這時，我們説：「我們對電子場做了一個全局性的相轉換。」所謂全局性，是指電子場在每一個時空的點上都乘上了同一個因數，各點的遭遇是一律平等的。所謂相轉換，是指某個複數量的相被改變了。物理學家相信：描述自由電子的正確理論，在此轉換之下應該是不變的，也就是説，它具有全局性的相對稱。更進一步，假定我們對電子場做一個「逐點性」的相轉換，也就是把電子場乘上一個exp〔if（x ,y,z,t）〕的因數，此處的f(x,y,z,t)為某實函數。因為每一點上所乘的因數值各不相同，故稱為逐點性。原來描述自由電子的理論，在這個新的轉換之下再也不能保持原形了，也就是失去了對稱性。然而這時如把理論修改擴張，引入了電磁場，則有辦法得到一個新理論使他又恢復具有對稱性。事實上，這個新理論便是前述的量子電動力學，它正好描述電子的電磁交互作用。由此物理學家得到一個觀念，即力場的出現是由某種逐點性對稱的要求所產生的。當我們要求電子場的理論具有逐點性的相對稱時，便出現了電磁場。 　讓我們再看看核力。核子物理把質子與中子視為同一粒子（叫做核成子）的兩個狀態，可以説核成子帶有箭頭（叫做同位旋），當箭頭指上時核成子以質子的狀態出現，當箭頭指下時則以中子的狀態出現。 實驗顯示核力的本質與同位旋箭頭的方向完全無關。實驗顯示核力的本質與同位旋箭頭的方向完全無關。 今考慮對「核成子場」做一個逐點性的同位旋轉換，亦即在每一個時空的點上分別把核成子的同位旋箭頭轉到不同的方向。如果我們要求描述核成子的理論在此種逐點性轉換之下保持不變，則自然而然地會在理論中出現「核力場」，例如派介子場等等

那麼重力又是怎麼來的？我們都很熟悉狹義相對論所説的：一切物理定律的形式在彭卡瑞轉換（Poincare transformation）之下不變。 這個轉換是指全局性的，以公式來講，亦即在時空X α的轉換式X α → X' α = ^ αβ X β +a α當中，係數^ α β與a α僅為常數而已。如果更進一步要求：物理定律的形式在「逐點性的彭卡瑞轉換」（亦即一般性座標轉換）之下保持不變，則理論中自然就出現重力場了

力場的概念出自19世紀偉大的英國科學家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）的研究。

法拉第出生於工人家庭（父親是一名鐵匠），在19世紀初長期靠當裝訂工人學徒勉強維持生計。年輕的法拉第為兩種新力量的神秘性質被揭開而帶來的巨大突破而着迷。這兩種新力量是：電和磁。法拉第貪婪地盡一切所能來學習與這些問題相關的知識，並參加了倫敦皇家學院漢弗萊·戴維（Humphrey Davy）教授的講座。

一天，戴維教授因眼睛在一次化學事故中嚴重受傷，於是他僱用法拉第當了他的秘書。法拉第漸漸取得了皇家學院科學家們的信任，並且被允許獨立操作重要的實驗，儘管他常常受到冷落。年復一年，戴維教授越來越嫉妒他年輕的助手所表現出的傑出能力。法拉第已經成為了實驗圈子裏冉冉上升的新星，最終使戴維教授的名聲黯然失色。1829年，戴維去世後，法拉第得以自由地作出一系列驚人的突破，導致了發電機的產生。發電機能夠為整個城市提供能源，並改變了世界文明的進程。

法拉第最偉大發現的關鍵是他提出的“力場”。如果有人將鐵屑灑在一塊磁鐵上，他會發現鐵屑將呈現一種充滿整個空間的蜘蛛網狀。這就是法拉第的力線，以圖形的形式描繪出了電和磁的力場在空間如何散佈。舉例來説，如果有人繪出整個地球的磁場，他會發現力線從N極地區伸出，然後在S極地區落回到地球上。同樣的，如果有人畫出雷陣雨中一枚避雷針的電場線，他會發現力線集中在避雷針的尖端。在法拉第看來，“空的空間”其實根本不是空的，而是充斥着能使遙遠的物體移動的力線（由於法拉第早年窮困，未能接受足夠的數學教育，因此他的筆記本中密密麻麻的不是等式，而是這些力線的手繪圖表。具有諷刺意味的是，數學訓練的不足使他創造瞭如今任何物理課本中都可以看到的、美麗的力線圖表。從科學上來説，物理圖像通常比用來對其進行描述的數學語言更為重要）。

歷史學家推測過法拉第是如何發現力場的，它是所有科學中最重要的概念之一。事實上，全部的現代物理學都是用法拉第的力場語言寫就的。在1831年，他作出了關於力場的關鍵性突破，永遠改變了人類文明。一天，他正將一塊孩子的磁鐵移過一個金屬線圈時，注意到他甚至沒有碰到電線就得以在金屬線裏製造了一股電流。這意味着磁鐵不可見的場可以推動電線中的電子穿越“空的空間”，產生電流。

法拉第的力場曾經被視為毫無用處，是無所事事的隨意塗鴉，但它是真實的、物質的力量，可以移動物體併產生能源。今天，你閲讀這一頁所依賴的光線或許就是由法拉第關於電磁學的發現而點亮的。一塊轉動的磁鐵會製造力場，推動一根電線中的電子，使它們以電流的形式移動，其後，這股電線中的電力可以點亮一盞燈泡。與此同樣的原理被用於生產給全世界城市提供能量的電力。比如，水流過一個大壩，在一個渦輪機中產生巨大的磁力進行轉動，這個渦輪機隨後再推動電線中的電子，形成一股電流，通過高壓電線輸送到用户。

法拉第的力場在一個半世紀裏成為物理學家的靈感之源。這些力場給了愛因斯坦極大的啓示，他用力場的語言來描述和表達他的引力理論。同樣的，加來道雄也被法拉第的成果所啓迪。多年前，加來道雄成功地運用法拉第的力場表現了弦理論（theory of strings），從而建立了弦場論（string field theory）。在物理學界，如果有人説“他思考起來像一根力線”，那便意味着一種高度的讚美 ^[1]  。

宇宙空間的三大力場——引力與電場力以及電磁力

浩瀚的宇宙空間，體現了引力場的無所不在。然而，我們大家可都知道什麼是電場力？也就是由正負電荷形成的強力場。用塑料與毛皮摩擦後，在塑料表面上會產生正電荷，它可以吸附其它體積輕小的物體。這説明了塑料通過摩擦後攜帶有大量的正電荷，而對於其它的物體相對來説都攜帶有負電荷，當攜帶有正負電荷的物體相遇一段時間後電場力會隨着能量的不斷釋放而逐漸消失，也就是正負電荷的中和作用。但在此期間也會產生電磁力，只不過人們沒有注意到罷了。在攜帶有兩種正負電荷的物體在相遇時，其周圍就會產生電磁力。這同等於夏季攜帶有正負電荷的兩種雲層，在兩種不同電荷雲層靠近時，則會產生強大的電場放電而擊穿空氣導通並形成瞬間的雷鳴電閃的能量釋放現象，同時也伴隨着強大的電磁脈衝轉換過程，電磁脈衝又會在金屬導體上產生電子流。 縱觀宇宙空間，它充滿了物質天體，同時也體現了宇宙星系間的磁力場。我們知道物質原子的內部運動，原子核與外層的電子形成電場力空間，原子核攜帶正電，外圍電子攜帶負電，正負電荷間形成電場力。另外，在我們的物質空間中也存在由物質離子形成的正負離子電力場，而宇宙空間也呈現為物質分子間的電場力和電磁力的不同轉換形態。宇宙中恆星的核聚變、核裂變，不都是以光輻射的形式出現的嗎？我們知道光也是一種電磁波，這也證明了物質粒子間的不同運動形式都可產生以射線形式的能量釋放。

牛頓的萬有引力相間的證明了宇宙空間的力場作用，通過分析，宇宙空間充滿了天體物質電場力轉換過程中的電磁力。宇宙物質射線主要是以不同波長的電磁輻射進行能量的傳遞和轉換，對於人類來説，首先電場和磁場的轉換成因我們是知道的。那麼引力場是如何形成的，恐怕我們瞭解的還不夠。假設：物質間的引力來源於原子與原子間的電力鍵，那麼電力健的周圍就會形成電磁力的轉換。我們客觀的來説，宇宙空間充滿了物質電場力與電場力作用下的電磁力。不然的話，宇宙空間的電磁力又來源於哪裏呢？

地球的行星磁場、太陽恆星磁場、銀河系磁場、天體磁場、宇宙空間磁場、浩瀚的太空磁場等等。人們會問，這些磁場的出處究竟來源於什麼地方呢？沒有電場力的作用，磁力場又如何存在呢？電磁力充滿了宇宙空間，相對而説也就是電場力的作用。電場力建立在電子的運動基礎之上，物質粒子的運動，構成了物體的宏觀運動，運動產生了電場力，電場力形成了電磁力的轉換，這就是物質世界的運動規則。只要宇宙空間存在電磁力，也就存在電場力，那麼引力究竟是什麼呢？我們可以説是物質分子間的電場力。

假如説物質分子間的引力屬於電場力，那麼浩瀚的宇宙空間電場力究竟又是一種什麼狀態呢？我們人類為什麼感覺不到隻身處於電場中的那種感受呢？宇宙空間星系中的電磁力應該來源於星系內部電場的轉換，這是毋庸置疑的。銀河系有銀河系的電磁力，也就是説銀河系的電磁力來源於恆星系電磁力的總和。太陽系的電磁力來源於太陽物質粒子間的聚合反應生成的電場力，因為太陽是恆星。對於宇宙中的行星磁場來説，應該是由行星內核的物質粒子間的熱運動產生的電場力轉換而成的。一般來講，不論是恆星還是行星，其電磁力都來源於星系內核的物質粒子運動產生的電場力轉換而成的。

由此説來，物質之間的引力既不是電場力也不是電磁力。微觀理論學説的引力場是建立在物質分子間的電場力作用，而宏觀理論就不能夠證明物質間的引力場來源於電場力的強力場作用。恆星與恆星、恆星與行星、星系之間、宇宙太空的總體引力場應當是空間天體之間的高速運動形成的牽引力，這句話的含義是；宇宙空間充滿了可見物質和暗物質，兩種物質間仍然存在分子間的電場力。在宇宙大爆炸的初始期，被拋向四周的物質顆粒有大有小，並在宇宙大爆炸初期，物質受到了原本動力的作用，其較大的高密度物質天體在做高速自旋運動，而那些低密度較小的物質天體會被高密度旋轉天體牽引，從而形成了宇宙星系中的不同結構狀態。在數百億光年的宇宙演變史中，在原本動力的作用下，星系內核的高速度旋轉動力會隨着時間的推移而逐漸的變慢，使宇宙空間不斷地膨脹。這裏有一個問題，星系內核的自旋速度不會越來越快的，如果繼續加速運轉的話，那麼維持天體運轉的動力源又來自於何方呢？物質能量的轉換應當遵循着守恆定律的準規則，支持天體的永動能量究竟是什麼物質提供的？然而這些都是未知數。牽引力來源於物質體系中心的旋轉運動，宇宙間充滿了所有不同能量級的物質體系，如果物質空間存在空隙，也就不會構成引力作用。我們可以這樣説：“浩瀚的宇宙空間充滿了物質，它包括可見物質和不可見物質也就是暗物質。而空間中的物質漩渦，也就是不同大小的星系羣。其實，宇宙就像海洋一樣，不同的環流水系構成了龐大的海洋水域。如果在海洋中心設立高速度的旋轉區域，你就會看到海洋的整體波動，其四周的水域會向海洋中心聚集，這也是我們平時看到的實際情況。