定义科学家们所说的“场”

时间:2023-11-25 09:19:03

让·米歇尔·雅尔(Jean Michel Jarre)的粉丝一定知道他的一张专辑——Champs Magnetiques ,译成中文为“磁场”。场的概念在大众中的传播要归功于重力场,以及科幻小说中提及的“时空统一体中的扭曲场”。这个术语指出,在假想的虚空中其实还存在很多其他的东西。为了探寻场的影响为何物,我们需要首先定义科学家们所说的“场”。明确的存在是最容易被形象化的,因此,我们先回到之前说过的地球和大气压上。

总是关心天气预报的人一定熟悉大气压强分布图,这就是数学家们眼中的一种场,它是不同点上的不同数字的一个集合,体现在气压图中数字就是不同地点上的大气压强值。就像等高线图一样,相同压强的点被连成等压线——英文称为“isobars”:iso(相等),baros(质量或压强)。

如果仅凭数字的集合就能定义一个场,那么这个场被称为标量场。气压的变化导致风的形成。当等压线比较稀疏时会微风拂面,而当等压线非常密集时,说明气压的变化很快,风就会变得狂暴起来。风速分布图是矢量场的一个绝佳的例子。它的每个点上都同时包括数字和方向信息,具体而言就是风的速率和方向(图2.1)。

定义科学家们所说的“场”

图2.1

在大气压和风之间存在一个实物的媒介,那就是空气,其密度差异决定了场,也使得我们可以建立一个可见的实物模型。然后,场的概念同样适用于那些没有实物媒介的情况。这也正是重力场和电场背后隐含的场概念,其对空间内遍布的各种力的大小和方向进行了定义。

背包客和登山爱好者们对重力场应该是感触良多的。在悬崖上爬得越高,掉下来就死得越惨。如果你不想亲身冒险,那就看看地图上的等高线,它会给出测得的海拔高度,从中可以想象出那些高山和峡谷的壮美画面。在气象图中有类似于等压线的一种图线,将相同的海拔高度点连成线。如果你可以无所顾忌地向海中跳水,那么跳台越高,入水速度越快,此时你拥有的“动能”就越大。在海面上的任何高度,你都有“潜力”去获取最后入水时的动能。在重力作用下,你下落的距离越长,那么最终获取的动能就越大。因此,地图上的相同等高线上的点具有相同的势能,它们被称为“等势”。

由于重力的作用,自然界的物体会向下掉落,从高势变为低势。下落加速的作用力大小与势的变化率成正比,即山的倾斜度。相比平缓的山,从陡峭的山上滚落时速度来得更快。这里有一个常识:力正比于势的变化率,正如风的强度正比于等压线的倾斜度。因此,倾斜度分布图的每一点上都有幅度(剧烈或平缓)和方向(比如北向或南向倾斜)。这时的场包含了力量的幅度和方向,因此是矢量场。

在牛顿眼里,掉落的苹果和移动的行星都是由重力支配的。在太阳系中,太阳是处于中央的最大的吸引体。假设你在太阳引力作用下向太阳“掉”去,那么你出发的地方越远,到达太阳的时候速度就会越大。由此可知,离太阳越远,势能越大。太阳周围的重力场等势点构成以太阳为中心的球面。随着你离太阳的距离减小,势能也变小,所以你从高势区到低势区会被加速。势能的减小会通过动能的增加来补偿。这是宇宙的规律。

搁置太阳和重力,我们看看电荷和电场,会发现相同的结论。我们对于伏特的概念应该非常熟悉,即使可能不知道它是如何定义的。高电压意味着高势——此处的“势”会导致电子突然移动,从而诱导电颤动,某种程度上就如肌肉抽搐。如果电池的两极正负电势相同,那么两极距离越近时电场越强,势的变化率越大。在大气的情况下,我们尚有一个物质媒介来帮助我们进行形象思维,而在重力场或电场情况下,找不到这样的物质媒介;我们掌握的只是概念和一些经验感受,没有可见的“存在”可以描绘。好在这些场是可以测量的,并由此将重力场和电场展示在我们的面前。