方文

學(xué)習(xí)“靜電場(chǎng)”這一章的關(guān)鍵是要建立“場(chǎng)”的觀念。而“場(chǎng)”是非常抽象的一個(gè)概念，需要分層次來(lái)理解它。本文將從“場(chǎng)”的本質(zhì)特征出發(fā)，對(duì)“場(chǎng)”進(jìn)行深入理解。

一、“場(chǎng)”是一種物質(zhì)

庫(kù)侖定律表明，靜電作用力可以發(fā)生在兩個(gè)有一定距離的電荷之間，其中并不需要任何由原子、分子組成的物質(zhì)作為中間媒介。那么，這種作用力是靠什么來(lái)傳遞的呢？

圍繞這個(gè)問(wèn)題，歷史上有過(guò)兩種不同的觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為它們之間的作用力不需要媒質(zhì)來(lái)傳遞，可以超越距離和時(shí)間而瞬間發(fā)生作用，如圖1所示。這種觀點(diǎn)稱為超距作用觀點(diǎn)，庫(kù)侖本人也是對(duì)此深信不疑。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，在空間存在一種彈性媒質(zhì)稱為“以太”，電荷之間的作用力是通過(guò)“以太”來(lái)傳遞的，如圖2所示。這種觀點(diǎn)稱為近距作用觀點(diǎn)。現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展證明，超距作用觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，但近距作用觀點(diǎn)所假設(shè)的“以太”媒介實(shí)際是不存在的。

法拉第反對(duì)超距作用，他認(rèn)為電磁作用需要媒介傳遞。他設(shè)想帶電體或磁體周?chē)幸环N由電磁本身產(chǎn)生的連續(xù)介質(zhì)來(lái)傳遞電磁相互作用，他把這種介質(zhì)叫作“場(chǎng)”。根據(jù)這個(gè)觀點(diǎn)，電荷Q周?chē)嬖陔妶?chǎng)，電荷q受到的力是Q的電場(chǎng)給予的，如圖3所示。

電場(chǎng)與分子、原子等所組成的實(shí)物一樣，也具有能量和動(dòng)量，是物質(zhì)存在的一種形式。但是“場(chǎng)”這個(gè)物質(zhì)與實(shí)物最大的不同是，實(shí)物占有了某個(gè)空間后，另一實(shí)物將無(wú)法占據(jù)這個(gè)空間，但是多個(gè)“場(chǎng)”可用同時(shí)占有某個(gè)空間位置，因?yàn)椤皥?chǎng)”是可以疊加的。這表明“場(chǎng)”是一種特殊的物質(zhì)。 二、“場(chǎng)”是一種空間

“場(chǎng)”的本質(zhì)是一種空間，但是，這種空間是具有某種特性的點(diǎn)的集合。以靜電場(chǎng)為例，這種空間具有兩大特性，即對(duì)引入場(chǎng)中的帶電體有“力”和“能量”兩方面的特性。如圖4所示，在靜電場(chǎng)的這個(gè)空間中的A、B兩點(diǎn)，一帶正電的帶電體（又叫檢驗(yàn)電荷）受到的力分別為F₁和F₂；同時(shí)該帶電體在兩點(diǎn)具有的電勢(shì)能分別為E_p1和E_p2，帶電體在這樣的一個(gè)空間里的不同位置具有不同的力學(xué)和能量的性質(zhì)。

為了更形象地描述“場(chǎng)”的分布情況，法拉第引入了“力線圖5所示為該靜電場(chǎng)空間中電場(chǎng)線的分布情況。電場(chǎng)線作為一種描述手段引入“場(chǎng)”中，它代表著“空間”的一種基本力的屬性，它把人們對(duì)空間的認(rèn)識(shí)向前推進(jìn)了一大步。原來(lái)人們只知道由有質(zhì)量的物體產(chǎn)生力。而“場(chǎng)”的觀點(diǎn)表面，場(chǎng)是首要的，有質(zhì)量的物體只不過(guò)是將場(chǎng)的作用顯示出來(lái)而已。這也說(shuō)明了“場(chǎng)”這個(gè)空間的特性是不會(huì)因引入的帶電體而發(fā)生變化的，帶電體只是將這個(gè)“場(chǎng)”的特性表現(xiàn)出來(lái)的。

什么時(shí)候有力的作用，我們就需要?jiǎng)菽艿母拍?。電荷之間由于相互作用而具有的能量叫電勢(shì)能?！皥?chǎng)”中的事物在沒(méi)有什么看得見(jiàn)的推動(dòng)作用下也會(huì)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明帶電體周?chē)臻g存在一種奇異的魔力。電勢(shì)能是這種魔力的一種度量。例如，帶電體在靜電場(chǎng)中的電勢(shì)能變化越大，說(shuō)明電場(chǎng)力做功越多。

“場(chǎng)”這個(gè)空間是電荷之間作用的媒介。這與質(zhì)點(diǎn)之間的作用過(guò)程有著很大的不同，顯示了真空不是虛空而是參與了能量過(guò)程。就我們所遇到的靜電能的表達(dá)式而言，能量都與帶電體的電量相聯(lián)系，例如電勢(shì)能表達(dá)為E_p=qψ。我們可能會(huì)認(rèn)為能量是集中在電荷上的。在靜電范圍內(nèi)，由于電荷與電場(chǎng)總是耳關(guān)系在一起，因此電能究竟與電荷還是與電場(chǎng)聯(lián)系在一起，這兩種觀點(diǎn)無(wú)法鑒定。但是，當(dāng)電場(chǎng)隨時(shí)間迅速變化時(shí)，電場(chǎng)可以脫離電荷而單獨(dú)存在，并以有限的速度在空間傳播，形成電磁波，而電磁波攜帶能量早被實(shí)踐所證實(shí)。所以，電場(chǎng)是電能的攜帶者，電能分布在電場(chǎng)這種特殊的物質(zhì)中，這也體現(xiàn)了能量是物質(zhì)固有的屬性之一，同時(shí)與“近距作用”的觀點(diǎn)也是一致的。

三、“場(chǎng)”的引入是一種觀念的轉(zhuǎn)變

在法拉第之前，科學(xué)家解釋物質(zhì)的統(tǒng)一性都是“以物論物”的方法，即通過(guò)假設(shè)一種實(shí)體（無(wú)論是有質(zhì)量還是沒(méi)有質(zhì)量）來(lái)說(shuō)明某一類(lèi)物質(zhì)的統(tǒng)一性。例如，為了解釋宇宙的一般現(xiàn)象，最早提出了以太；為了解釋熱現(xiàn)象，假設(shè)了熱質(zhì)。這樣做是為了統(tǒng)一解釋自然現(xiàn)象而建立的人為現(xiàn)象。法拉第對(duì)物質(zhì)統(tǒng)一性的處理方法與此截然不同，他努力將從實(shí)驗(yàn)得出的知識(shí)與這類(lèi)思維產(chǎn)物區(qū)分開(kāi)來(lái)，發(fā)展了“以力論物”的方法。這是一種觀念的轉(zhuǎn)變，推動(dòng)了人們對(duì)“物質(zhì)”和“空間”的認(rèn)識(shí)，為物理學(xué)描繪了一個(gè)全新的圖景。因此，“場(chǎng)”的引入是一種觀念的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變了人們的世界觀和方法論，其觀念是具有革命性意義的。endprint