浅谈场理论的建立与发展及其具体应用

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1、浅谈场理论的建立与发展及其具体应用一．建立背景早在牛顿以前，对于物体之间的作用就存在两种对立的猜想:一种认为物体之间除了通常的接触作用之外，还存在超距作用；一种认为物体之间的所有作用力都是近距作用，两个远离物体之间的作用力必须通过某种中间媒介物质传递，不存在任何超距作用，这种中间媒质被称为以太。当时的大多数自然哲学家认为超距作用带有神秘的色彩，而倾向于近距作用观点。1686年，牛顿发表其根据开普勒行星运动定律得到的万有引力定律，万有引力定律只提到两粒子相互直接作用于对方的引力，并未解释引力传递过程，而且这条定律与时间无关，意味着瞬时直接的超距作用。牛顿试图寻找引力的

2、原因，但并未获得成功。牛顿的引力定律支持超距作用观点，但是牛顿本人并不认为引力是超距的。他在给R.本特利的一封信中曾写道:"很难想象没有别种无形的媒介，无生命感觉的物质可以毋须相互接触而对其他物质起作用和产生影响。……一个物体可以通过真空超距地作用在另一个物体上而不需要任何其他介质，它们的作用和力可以通过真空从一个物体传递到另一个物体，这种观点在我看来是荒唐之极，以致我认为没有一个在哲学上有足够思考力的人会同意这种观点。"由于引力定律在说明太阳系内的星体运动获得极大成功，而对于以太的探索却未有任何实际结果，超距作用观点因之流行。J.拉格朗日、P.拉普拉斯和S.泊松等

3、人又从引力定律发展出数学上简单而优美的势论，更加支持了超距作用的观点。于是，超距观点被移用到物理学其他领域，早期的电磁理论就是一例。尤其是法国物理学家C.库仑等人在静电、静磁领域假定电荷或磁体是超距地彼此吸引或排斥，而不受其间介质的任何影响。德国F.艾皮努斯、英国H.卡文迪什和法国泊松等人也以超距的直线作用观点解释静电和静磁的感应现象。整个18世纪和19世纪的大半个世纪，超距作用观点在物理学中居统治地位。二．场的观念提出19世纪30年代至50年代初，法拉第对电磁现象的实验研究作出了卓越的贡献，他的实验研究的丰硕成果对以后的科学发展起了巨大的推动作用。法拉第反对超距作

4、用，并对之进行批判，提出"邻接作用"概念，后者也就是近距作用或接触作用。法拉第从广泛的实验研究中构想出描绘电磁作用的“力线”图象，他认为电荷和磁极周围的空间充满了力线，靠力线（包括电力线和磁力线）将电荷（或磁极）联系在一起。力线就象是从电荷（或磁极）发出、又落到电荷（或磁极）的一根根皮筋一样，具有在长度方向力图收缩，在侧向力图扩张的趋势。他以丰富的想象力阐述电磁作用的本质。法拉第研究了电介质对电力作用的影响，认识到这一影响表明电力不可能是超距作用，而是通过电介质状态的变化；即使没有电介质，空间也会产生某种变化，布满了力线。后来，法拉第又进一步研究了磁介质，解释了顺磁

5、性和反磁性。电磁感应现象则解释为磁铁周围存在某种“电应力状态”，当导线在其附近运动时，受到应力作用而有电荷作定向运动；回路中产生电动势则是由于穿过回路的磁力线数目发生了变化。法拉第的力线思想实际上就是场的观念，这是近距理论的核心内容。 力场这一概念的提出是法拉第最伟大发现的关键，它是所有科学中最重要的概念之一。事实上，全部的现代物理学都是用法拉第的力场语言写就的。法拉第的力场曾经被视为毫无用处，是无所事事的随意涂鸦，但它是真实的、物质的力量，可以移动物体并产生能源。今天，你阅读这一页所依赖的光线或许就是由法拉第关于电磁学的发现而点亮的。一块转动的磁铁会制造力场，推动

6、一根电线中的电子，使它们以电流的形式移动，其后，这股电线中的电力可以点亮一盏灯泡。与此同样的原理被用于生产给全世界城市提供能量的电力。比如，水流过一个大坝，在一个涡轮机中产生巨大的磁力进行转动，这个涡轮机随后再推动电线中的电子，形成一股电流，通过高压电线输送到用户。法拉第的力场在一个半世纪里成为物理学家的灵感之源。这些力场给了爱因斯坦极大的启示，他用力场的语言来描述和表达他的引力理论。同样的，加来道雄也被法拉第的成果所启迪。多年前，加来道雄成功地运用法拉第的力场表现了弦理论，从而建立了弦场论。在物理学界，如果有人说"他思考起来像一根力线"，那便意味着一种高度的赞美。

7、三．场理论的丰富和发展（一）麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦是英国人，1850年入剑桥大学，这时W.汤姆生已是那里的研究员，他的那两篇关于电磁相似性的论文对他很有影响，不但使他认识到类比方法的重要性，而且体验到法拉第的思想与传统的静电理论是协调的，有可能进一步建立统一的电磁理论。在W.汤姆生的影响下，麦克斯韦开始为以后的研究作了准备。从1855年起，麦克斯韦学习电学，认真阅读了法拉第的著作，特别是《电学实验研究》一书。他大学刚毕业，就着手把法拉第的力线思想用数学分析方法进行表述。1856年，麦克斯韦发表了第一篇关于电磁理论的论文，题为：《论法拉第力线》。在这篇论文中，