「新浪科技综合」赶走超距作用的场新浪科技综合2020-07-29 11:46:150阅
来源：《宇宙观》
【「新浪科技综合」赶走超距作用的场新浪科技综合2020-07-29 11:46:150阅】在17世纪30年代 ， 勒内·笛卡尔在解释行星的轨道运动时 ， 展现出十足的想象力 。 在一本名为《论世界》的书中 ， 笛卡尔提出真空（空无一物的空间）并不存在 ， 空间里一定充满了某种流体 ， 由流体漩涡带着行星围绕太阳旋转 。 在牛顿的引力理论问世以前 ， 笛卡尔的“漩涡说”是行星轨道运动的主流解释 。 所以 ， 牛顿在《原理》中提出自己的理论时 ， 曾花了很大篇幅论述笛卡尔的理论行不通 。
牛顿的引力理论准确地解释了行星运动及许多其他问题 ， 大获全胜 。 只要在太阳与行星之间 ， 还有其他大质量物体之间引入一个长程作用力 ， 就能解释如时钟一般规律的天体运动 。 但牛顿并没有说明 ， 物体是怎么传递引力的 。 虽然牛顿的理论取得了非凡的成功 ， 但这种“超距作用”却遭到了哲学家如戈特弗里德·莱布尼兹等人的严厉批评 。
就连牛顿自己都承认 ， 不明白两个彼此不接触的物体如何产生力的作用 。 1693年在给理查德·本特利的一封信中 ， 牛顿这样写道：
在没有什么（非物质的）东西充当媒介的情况下 ， 没有生命的物体竟然能够影响和它没有接触的另一个物体 ， 这真是不可思议……
引力应该是物质的先天本质属性 ， 所以物体在真空中无须借助媒介就能影响远处的物体 。 物体就是这样相互作用 ， 传递力的 。 在我看来 ， 这太荒谬了 ， 我相信有哲学思考能力的人不会沉溺其中 。
几百年后 ， 人们才解开这个谜 。
法拉第的场
19世纪上半叶 ， 迈克尔·法拉第用一连串实验解开了电和磁的秘密 。 他创造性地想到 ， 用线条去描摹一个假想的测试电荷在空间中任一点感受到的电场力 ， 或者一个测试磁极感受到的磁力 ， 线的疏密表示力的强弱 。 就这样 ， 法拉第画出了电场力和磁力的空间分布 ， 并把它们称作电场图和磁场图 ， 这是法拉第的一个伟大创举 。
所谓同性相斥 ， 异性相吸 。 如下图a所示 ， 一个带正电的测试电荷会受到负（正）电荷的吸引（排斥） ， 白线画出了测试电荷在空间中任一点的受力方向 。 同样地 ， 下图b里的白线显示了一个条形磁铁的北（南）极对一个测试北磁极的排斥（吸引）力 。
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图1/5a）两个电荷产生的电场；b）一块条形磁铁产生的磁场虽然法拉第把电场和磁场分开来画 ， 但变化的电场产生磁场 ， 变化的磁场又产生电场 ， 把它们视作单一电磁场的两个组成部分也是很自然的事 。
法拉第绞尽脑汁 ， 苦苦思索这些场的真实含义 ， 最终得出结论说它们肯定是真实的物理存在 ， 不过他也为此而饱受批评 。 直到詹姆斯·克拉克·麦克斯韦给出了电磁场理论的数学表述 ， 用数学公式囊括了法拉第的实验结果 ， 人们才弄清楚这些场的本质 。
麦克斯韦的方程组表明 ， 电磁场受到干扰后会产生电磁波 ， 这些波携带着能量和动量 ， 所以 ， 场不只是一种描述工具 ， 更是真正的物理存在 。 电场和磁场互相垂直 ， 在空间中振荡着向前行进 ， 形成电磁波（见下图） 。 变化的电场产生磁场 ， 变化的磁场又产生电场 ， 如此往复循环 ， 振荡的电磁波就这样自我延续下去 。
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图2/5电磁波（蓝色箭头代表磁场 ， 红色箭头代表电场）最值得注意的是 ， 我们其实一直都知晓电磁波的存在 ， 我们称之为“光” 。 法拉第做过偏振光实验后 ， 曾经怀疑光是一种电磁现象 。 后来 ， 在法拉第病重 ， 不久于人世时 ， 麦克斯韦前去探望并告诉他 ， 他的怀疑没错 ， 可惜法拉第那时已经听不懂麦克斯韦在说什么了 。
我们肉眼可见的光是一种携带着较高能量的快速电磁振荡 ， 其中蓝光比红光振动得更快一些 ， 能量也比后者高 。 麦克斯韦经过计算指出 ， 任意频率的电磁振荡都有可能存在（见下图） 。
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图3/5在电磁波谱中 ， 短波振荡比长波振荡能量高无线电波
根据麦克斯韦的电磁理论 ， 振荡电流从导线中穿过时 ， 会带动导线里的电子一起振动 。 电子一加速 ， 就会在电磁场中激起涟漪 ， 换句话说 ， 电子会发出电磁波 。
长波电磁振荡也叫无线电（radio） ， 这个名字源于拉丁文radius ， 是车轮的意思 。 无线电向四面八方传播出去 ， 形成球状波前 ， 就像一颗石子落入池塘 ， 激起层层水波 。 当波前遇到金属线或天线时 ， 它会加速天线中的电子 ， 产生振荡电流 。 由于球状波前向各个方向铺开 ， 因此天线接收到的无线电信号十分微弱 ， 需要放大 。
以上所述就是赫兹实验的原理 。 1887年 ， 海因里希·赫兹在实验室的一侧产生无线电 ， 然后又在另一侧接收到它 。
量子波
20世纪新出现的量子力学理论 ， 进一步阐明了场的物理含义 。 从量子的角度看 ， 电磁波由光子构成 。 光子不同于传统意义上的粒子（好比台球） ， 而更像是离散的波包 ， 有时又被叫作量子或波粒子 。 日常生活中的粒子概念或波的概念 ， 无法抓住它的本质 。
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