如何讓普通人理解物理學中「場」的本質？

知識 07-24

我的導師是一位粒子物理的理論學家，他指導我的時候經常對我說，思考物理問題的時候，頭腦中一定要有一個物理圖像。

這句話我一直不理解。一方面是因為我日常工作做的是複雜的數學推導和計算，我覺得只要我計算是正確的我的結果就是可信的，另一方面我認為微觀尺度下的物理規律和生活的物理規律不相同，用頭腦中生活經驗產生的圖像是不準確的。這兩方面原因讓我不理解思考問題時為什麼一定要有一個物理圖像。

後來我讀到A. Zee寫的《Quantum field theory in a nutshell》中，其中有這麼一句話：「一位菲爾茲得主告訴我，頂級的數學家們會秘密地像物理學家一樣思考，等他們得到證明的一個大框架之後，他們再用epsilon和delta的語言把證明過程包裝起來。」

從這句話里，我才體會到物理圖像的重要性。物理圖像並不一定是完全準確的，它可能是粗糙、簡陋的，但是它卻把問題的核心展示出來；它幫助我思考，讓我忽略其他不重要的細節。當核心問題被解決之後，再把整個理論用嚴謹的數學給展示出來。

很多美妙的物理理論的產生都是這個過程。「場」的概念的提出就是物理學家的一個物理圖像。

法拉第是第一個在物理中使用「場」的概念的物理學家。他在他的電磁感應的論文中使用「磁力線」表示磁場的作用，用「電力線」表示靜電場的相互作用。

後來麥克斯韋沿用了場的概念，把之前實驗物理學家發現的電磁規律用數學規律描述了出來，這些方程組就是著名的「麥克斯韋方程組」。

麥克斯韋在論文《A Treatise on Electricity and Magnetism》中說，（磁）力所作用的空間就被看做是磁場，我們可以使用研究普通磁體周圍的磁力線的方法，來測量空間中每一點處的力的強度。

在此之後，場的概念就被大家廣泛使用，比如引力場，溫度場。發展到現代物理學之後，所有的物質都是場，基本粒子（如電子、光子）只不過是場的激發而已。

我上面寫的內容，都是希望告訴你，物理圖像對我們研究物理非常重要。

再舉一個例子。

任何一個學過廣義相對論的同學都知道，廣義相對論的計算相當複雜。但是愛因斯坦提出廣義相對論卻是基於一個非常簡單的想法：引力可以局域地等效為物體處在非慣性參考系中。於是引力就在廣義相對論中不存在了！

利用這個物理圖像，基於他的狹義相對論的時空理理論，愛因斯坦又發展出了廣義相對論。

還可以再說一點的是，我們有時說光是一種粒子，有時說光是一種波，這也是一種物理圖像而已。世界上，沒有誰知道光子是什麼，電子是什麼。它們在物理學家腦中，只是特定的物理圖像。

我們選擇某種物理圖像，是因為它展示了我們要研究問題的核心，它幫助我們忽略了無關的細節，讓我們更加深入地去理解自然規律。

但是要記住，思考完物理圖像之後，接下來是嚴謹的數學推導和實驗驗證。

少了後面兩步，你做的就不是物理。

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