電磁世界圖景

按照英國科學家M.法拉第和J.C.麥克斯韋的電磁理論，連續的電磁場是比間斷的微粒更為基本的物理實在；不存在虛空，相互作用是通過接觸作用由場中的一點傳到鄰近的點，以有限速度連續地傳播開的。這不但突破了力學世界圖景，而且開始暴露出以牛頓力學為基礎的機械以太觀念的侷限性。德國科學家 W.E.韋伯於19世紀70年代制定了第一個電的自然圖景。在他看來，物理世界的唯一結構要素是正電粒子和負電粒子，實物的化學組成、熱和攜電以太都是電作用現象。1881年，英國科學家 J.J.湯姆遜在研究帶電體的運動時，發現帶電球除了具有普通的機械質量（慣性質量）外，還具有一種由於它所帶的電荷同電磁場相互作用所產生的、阻礙球體加速運動的電磁質量。不久以後又產生了把帶電體的全部質量解釋為電磁質量的假説。1894年，德國的E.維歇特提出了一個電磁自然圖景的方案，認為電磁以太是唯一的實在。他把電粒子看作是以太的激發，認為實物完全由帶電粒子組成。後來，英國的J.拉摩和荷蘭的H.A.洛倫茲進一步發展了電磁世界圖景。但是，作為電磁世界圖景基礎的以太概念，始終是這個圖景中的一個薄弱環節，許多人包括拉摩和洛倫茲在內，仍然企圖給以太以機械論的解釋。20世紀以來，隨着物理學革命和機械論的崩潰,經典的電磁世界圖景也開始暴露出侷限性,發生了向相對論-量子論世界圖景的轉變。1905年,A.愛因斯坦狹義相對論的確立,否棄了機械以太,電磁場終於被確認為一種非機械的獨立的物理實在,但是,在實物如何由電粒子組成、電粒子如何由電磁場產生以及引力和電磁力的關係等問題上，仍然有許多疑難沒有解決。尤其是電磁世界圖景在解釋絕對黑體輻射問題上遇到了“紫外災難”，在解釋原子穩定性問題，即繞原子核旋轉的電子何以不會因輻射電磁波而很快掉到原子核裏去的問題時，發生了嚴重的理論困難。量子力學的建立一舉克服了這些“災難”和困難，電磁世界圖景不得不讓位於相對論-量子論的世界圖景。 ^[1] 

相對論和量子理論雖然能夠統一地解釋宏觀與微觀、高速與低速的現象,但這兩大理論仍然很難統一起來,它們也還無法徹底闡明電現象的本質，電磁場作為一種獨立的物理實在仍然存在許多不解之謎。

古希臘哲學家德謨克利特認為世界的始基是原子，一切由原子組成，原子是不可分割的物質。牛頓從原子論的物質觀出發，引進了度量物質的質量概念，建立了物體運動的三定律。歐拉、柏努利、拉格朗日、拉普拉斯等從牛頓的物質觀和力學原理出發，建立了一系列新的物理學理論來解釋自然現象，取得了很大的成功。這些理論為自然界描繪了一幅機械的世界圖景：整個世界（包括人在內）被理解為大量不可分粒子的總和，這些粒子在絕對空間和時間中作機械的位移，由物體之間通過真空瞬時傳遞的引力（牛頓的遠作用原理）相互聯繫着。但是，機械圖景在解釋光和電磁現象方面遇到了困難，用不得已而引進的連續介質“以太”來解釋光的傳播現象，卻與當時的光學實驗的事實相矛盾（光振動是橫向而不是縱向的，且振動的傳播速度很大，而以太並不阻礙其運動）。在長期思考電磁現象本質的過程中，法拉第產生了必須用連續的物質觀來代替粒子性的物質觀的思想，引進了電場和磁場的概念來描述電荷、電流中的力。他把帶電粒子看作是在該處場強為無限大的一個點，認為場是根本的物理客體，而粒子不是。法拉第關於場的物理特性的直覺最後在麥克斯韋的光電磁理論中實現了。該理論認為，作為基本物質出現的不是在虛空中移動的不可分原子的總和，而是帶有點狀力心（電荷）的統一的絕對連續的無限的場，光是振動的電磁場在空中的傳播。 ^[1] 

儘管19世紀物理學有了很大發展，但還必須克服兩個“二元論”才有可能發展現代的物質概念。第一個是質量與能量的二元論，即把質量和能量看作是兩截然不同的量。愛因斯坦的相對論克服了這個二元論，指出質量和能量是可以相互轉換的，質量只是一種束縛能量的形式。第二個二元論是場和粒子的二元論，即通常所謂的波粒二重性。由經典場論（即電動力學）和量子理論融合而成的“量子電動力學”，成功地描述了亞原子粒子間所有的電磁相互作用。“量子電動力學顯著的新特點是兩個概念的結合，即是電磁場概念和作為電磁波的粒子形式的光子概念的結合。既然光子也是電磁波，既然這些波就是變化着的場，那麼光子也就是電磁場的表現形式。因而，‘量子場’也就是量子或者説粒子形式的場。……經典力學中質密粒子和周圍空間的對立在‘量子場論’中被完全消除了。量子場被看作是基本的物理實體一個在空中無所不在的連續的媒介。粒子僅僅是場的局部的凝結，是聚散着的能量的集合體，因而粒子失去了獨自的特徵而消溶在作為其基礎的場中。” ^[1] 

量子場論物質觀的特點表現在，即使粒子在其中不存在的時候場也存在，場的這種狀態叫做非激發態（“零”激發態），它被不完全確切地稱之為真空。物理真空並不是什麼也沒有的一種狀態，而是藴含着粒子世界的所有形體。真空絕不是物理實在的最“貧窮户”，在一定意義上是最“富有”的户，這是以真空具有高度混沌和不確定性的一類“潛存在”為條件的；潛在（虛）意義上的真空包含有一切可能的粒子和狀態，它們在合適的條件下可以從真空中產生出來。真空確實是“有生的空”，是在無休止地產生和湮沒（粒子）的節奏中脈動的“空”；真空的動力學性質的發現被許多物理學家看作是現代理物學最重要的發現之一。

場是物質客體的基本實在，這是量子場論的基本原理。到目前為止，物質間的相互聯繫與作用可用四種基本場來描述：引力場、電磁場、強力場和弱力場；因而大自然中相應存在四種基本力：引力、電磁力、強力和弱力。喜歡追求大自然和諧統一的物理學家早就有一個夙願，最好有朝一日能把支配大自然的幾種基本力都統一起來。19世紀中葉，法拉第、麥克斯韋完成了電力、磁力和光的統一，在物理學的統一道路上邁出了重要的一步；1967年，温泊格、薩拉姆、格拉索完成了弱力和電磁力的統一，他們所使用的規範場的概念還產生了解釋強力作用的量子色動力學理論。現在不少物理學家正努力把弱—電磁力與強力統一起來，以便最後實現愛因斯坦統一自然界所有基本力的大統一夢想。

①、基本的物理實體是量子場一個在空間中無所不在的連續的媒介，粒子僅僅是場的局部的凝結，是聚散着的能量的集合體。

②、真空是量子場的非激發態（“零”激發態），藴含着粒子世界的所有形體，在適當條件下，虛粒子可以變成實粒子。

③、各種不同的場有可能統一成一個唯一的、基本的場，它將符合所有物理現象。 ^[1]