力場(chǎng)是一種矢量場(chǎng)，其中與每一點(diǎn)相關(guān)的矢量均可用一個(gè)力來(lái)度量。力場(chǎng)看不見(jiàn)，摸不著，但它是物理學(xué)中一個(gè)很重要的基本觀(guān)念，常見(jiàn)的力場(chǎng)有引力場(chǎng)、磁力場(chǎng)（簡(jiǎn)稱(chēng)磁場(chǎng)）、電力場(chǎng)（簡(jiǎn)稱(chēng)電場(chǎng)）等。其中磁場(chǎng)、電場(chǎng)和引力場(chǎng)被稱(chēng)為“物理中的三大場(chǎng)”。
詞義
lìchǎng
[field of force]一種矢量場(chǎng)，其中與每一點(diǎn)相關(guān)的矢量均可用一個(gè)力來(lái)量度
電場(chǎng)，磁場(chǎng)，引力場(chǎng)
物理中的三大場(chǎng)
力場(chǎng)看不見(jiàn)摸不著
磁體在磁場(chǎng)中受力
物體在引力場(chǎng)中受力
電荷在電場(chǎng)中受力
根源
物理中有一個(gè)很重要的基本觀(guān)念：宇宙間有某種對(duì)稱(chēng)性是某些現(xiàn)象所具有的，因此產(chǎn)生現(xiàn)象的各種力場(chǎng)，也就必須負(fù)起維持對(duì)稱(chēng)性之責(zé)。我們先看一些例子。在量子場(chǎng)論里我們用「電子場(chǎng)」描述自由電子，把這個(gè)場(chǎng)（場(chǎng)固然是算符，但同時(shí)也是時(shí)空的函數(shù)。）乘上一個(gè)「純相」的因數(shù)（也就是絕對(duì)值為1的復(fù)數(shù)，例如(1+i)/√2，這時(shí)，我們說(shuō)：「我們對(duì)電子場(chǎng)做了一個(gè)全局性的相轉(zhuǎn)換。」所謂全局性，是指電子場(chǎng)在每一個(gè)時(shí)空的點(diǎn)上都乘上了同一個(gè)因數(shù)，各點(diǎn)的遭遇是一律平等的。所謂相轉(zhuǎn)換，是指某個(gè)復(fù)數(shù)量的相被改變了。物理學(xué)家相信：描述自由電子的正確理論，在此轉(zhuǎn)換之下應(yīng)該是不變的，也就是說(shuō)，它具有全局性的相對(duì)稱(chēng)。更進(jìn)一步，假定我們對(duì)電子場(chǎng)做一個(gè)「逐點(diǎn)性」的相轉(zhuǎn)換，也就是把電子場(chǎng)乘上一個(gè)exp〔if（x,y,z,t）〕的因數(shù)，此處的f(x,y,z,t)為某實(shí)函數(shù)。因?yàn)槊恳稽c(diǎn)上所乘的因數(shù)值各不相同，故稱(chēng)為逐點(diǎn)性。原來(lái)描述自由電子的理論，在這個(gè)新的轉(zhuǎn)換之下再也不能保持原形了，也就是失去了對(duì)稱(chēng)性。然而這時(shí)如把理論修改擴(kuò)張，引入了電磁場(chǎng)，則有辦法得到一個(gè)新理論使他又恢復(fù)具有對(duì)稱(chēng)性。事實(shí)上，這個(gè)新理論便是前述的量子電動(dòng)力學(xué)，它正好描述電子的電磁交互作用。由此物理學(xué)家得到一個(gè)觀(guān)念，即力場(chǎng)的出現(xiàn)是由某種逐點(diǎn)性對(duì)稱(chēng)的要求所產(chǎn)生的。當(dāng)我們要求電子場(chǎng)的理論具有逐點(diǎn)性的相對(duì)稱(chēng)時(shí)，便出現(xiàn)了電磁場(chǎng)。讓我們?cè)倏纯?a href="/hebeideji/3892530840732601803.html">核力。核子物理把質(zhì)子與中子視為同一粒子（叫做核成子）的兩個(gè)狀態(tài)，可以說(shuō)核成子帶有箭頭（叫做同位旋），當(dāng)箭頭指上時(shí)核成子以質(zhì)子的狀態(tài)出現(xiàn)，當(dāng)箭頭指下時(shí)則以中子的狀態(tài)出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)顯示核力的本質(zhì)與同位旋箭頭的方向完全無(wú)關(guān)。實(shí)驗(yàn)顯示核力的本質(zhì)與同位旋箭頭的方向完全無(wú)關(guān)。今考慮對(duì)「核成子場(chǎng)」做一個(gè)逐點(diǎn)性的同位旋轉(zhuǎn)換，亦即在每一個(gè)時(shí)空的點(diǎn)上分別把核成子的同位旋箭頭轉(zhuǎn)到不同的方向。如果我們要求描述核成子的理論在此種逐點(diǎn)性轉(zhuǎn)換之下保持不變，則自然而然地會(huì)在理論中出現(xiàn)「核力場(chǎng)」，例如派介子推場(chǎng)等等
那么重力又是怎么來(lái)的？我們都很熟悉狹義相對(duì)論所說(shuō)的：一切物理定律的形式在彭卡瑞轉(zhuǎn)換（Poincaretrans formation）之下不變。這個(gè)轉(zhuǎn)換是指全局性的，以公式來(lái)講，亦即在時(shí)空Xα的轉(zhuǎn)換式Xα→X'α=^αβXβ+aα當(dāng)中，系數(shù)^αβ與aα僅為常數(shù)而已。如果更進(jìn)一步要求：物理定律的形式在「逐點(diǎn)性的彭卡瑞轉(zhuǎn)換」（亦即一般性坐標(biāo)轉(zhuǎn)換）之下保持不變，則理論中自然就出現(xiàn)重力場(chǎng)了
詞源
力場(chǎng)的概念出自19世紀(jì)偉大的英國(guó)科學(xué)家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）的研究。
典故
法拉第出生于工人家庭（父親是一名鐵匠），在19世紀(jì)初長(zhǎng)期靠當(dāng)裝訂工人學(xué)徒勉強(qiáng)維持生計(jì)。年輕的法拉第為兩種新力量的神秘性質(zhì)被揭開(kāi)而帶來(lái)的巨大突破而著迷。這兩種新力量是：電和磁。法拉第貪婪地盡一切所能來(lái)學(xué)習(xí)與這些問(wèn)題相關(guān)的知識(shí)，并參加了倫敦皇家學(xué)院漢弗里·戴維（Humphrey Davy）教授的講座。
一天，戴維教授因眼睛在一次化學(xué)事故中嚴(yán)重受傷，于是他雇用邁克爾·法拉第當(dāng)了他的秘書(shū)。法拉第漸漸取得了皇家學(xué)院科學(xué)家們的信任，并且被允許獨(dú)立操作重要的實(shí)驗(yàn)，盡管他常常受到冷落。年復(fù)一年，戴維教授越來(lái)越嫉妒他年輕的助手所表現(xiàn)出的杰出能力。法拉第已經(jīng)成為了實(shí)驗(yàn)圈子里冉冉上升的新星，最終使戴維教授的名聲黯然失色。1829年，戴維去世后，法拉第得以自由地作出一系列驚人的突破，導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)的產(chǎn)生。發(fā)電機(jī)能夠?yàn)檎麄€(gè)城市提供能源，并改變了世界文明的進(jìn)程。
法拉第最偉大發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵是他提出的“力場(chǎng)”。如果有人將鐵屑灑在一塊磁鐵上，他會(huì)發(fā)現(xiàn)鐵屑將呈現(xiàn)一種充滿(mǎn)整個(gè)空間的蜘蛛網(wǎng)狀。這就是邁克爾·法拉第的力線(xiàn)，以圖形的形式描繪出了電和磁的力場(chǎng)在空間如何散布。舉例來(lái)說(shuō)，如果有人繪出整個(gè)地球的磁場(chǎng)，他會(huì)發(fā)現(xiàn)力線(xiàn)從N極地區(qū)伸出，然后在S極地區(qū)落回到地球上。同樣的，如果有人畫(huà)出雷陣雨中一枚避雷針的電場(chǎng)線(xiàn)，他會(huì)發(fā)現(xiàn)力線(xiàn)集中在避雷針的尖端。在法拉第看來(lái)，“空的空間”其實(shí)根本不是空的，而是充斥著能使遙遠(yuǎn)的物體移動(dòng)的力線(xiàn)（由于法拉第早年窮困，未能接受足夠的數(shù)學(xué)教育，因此他的筆記本中密密麻麻的不是等式，而是這些力線(xiàn)的手繪圖表。具有諷刺意味的是，數(shù)學(xué)訓(xùn)練的不足使他創(chuàng)造了如今任何物理課本中都可以看到的、美麗的力線(xiàn)圖表。從科學(xué)上來(lái)說(shuō)，物理圖像通常比用來(lái)對(duì)其進(jìn)行描述的數(shù)學(xué)語(yǔ)言更為重要）。
歷史學(xué)家推測(cè)過(guò)邁克爾·法拉第是如何發(fā)現(xiàn)力場(chǎng)的，它是所有科學(xué)中最重要的概念之一。事實(shí)上，全部的現(xiàn)代物理學(xué)都是用法拉第的力場(chǎng)語(yǔ)言寫(xiě)就的。在1831年，他作出了關(guān)于力場(chǎng)的關(guān)鍵性突破，永遠(yuǎn)改變了人類(lèi)文明。一天，他正將一塊孩子的磁鐵移過(guò)一個(gè)金屬線(xiàn)圈時(shí)，注意到他甚至沒(méi)有碰到電線(xiàn)就得以在金屬線(xiàn)里制造了一股電流。這意味著磁鐵不可見(jiàn)的場(chǎng)可以推動(dòng)電線(xiàn)中的電子穿越“空的空間”，產(chǎn)生電流。
法拉第的力場(chǎng)曾經(jīng)被視為毫無(wú)用處，是無(wú)所事事的隨意涂鴉，但它是真實(shí)的、物質(zhì)的力量，可以移動(dòng)物體并產(chǎn)生能源。今天，你閱讀這一頁(yè)所依賴(lài)的光線(xiàn)或許就是由邁克爾·法拉第關(guān)于電磁學(xué)的發(fā)現(xiàn)而點(diǎn)亮的。一塊轉(zhuǎn)動(dòng)的磁鐵會(huì)制造力場(chǎng)，推動(dòng)一根電線(xiàn)中的電子，使它們以電流的形式移動(dòng)，其后，這股電線(xiàn)中的電力可以點(diǎn)亮一盞燈泡。與此同樣的原理被用于生產(chǎn)給全世界城市提供能量的電力。比如，水流過(guò)一個(gè)大壩，在一個(gè)渦輪機(jī)中產(chǎn)生巨大的磁力進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)渦輪機(jī)隨后再推動(dòng)電線(xiàn)中的電子，形成一股電流，通過(guò)高壓電線(xiàn)輸送到用戶(hù)。
法拉第的力場(chǎng)在一個(gè)半世紀(jì)里成為物理學(xué)家的靈感之源。這些力場(chǎng)給了阿爾伯特·愛(ài)因斯坦極大的啟示，他用力場(chǎng)的語(yǔ)言來(lái)描述和表達(dá)他的引力理論。同樣的，加來(lái)道雄也被法拉第未來(lái)的成果所啟迪控股。多年前，加來(lái)道雄成功地運(yùn)用邁克爾·法拉第的力場(chǎng)表現(xiàn)了弦理論（theory of strings），從而建立了弦場(chǎng)論（string field theory）。在物理學(xué)界，如果有人說(shuō)“他思考起來(lái)像一根力線(xiàn)”，那便意味著一種高度的贊美。
三大力場(chǎng)
宇宙空間的三大力場(chǎng)——引力與電場(chǎng)力以及電磁力
浩瀚的宇宙空間，體現(xiàn)了引力場(chǎng)的無(wú)所不在。然而，我們大家可都知道什么是電場(chǎng)力？也就是由正負(fù)電荷形成的強(qiáng)力場(chǎng)。用塑料與毛皮摩擦后，在塑料表面上會(huì)產(chǎn)生正電荷，它可以吸附其它體積輕小的物體。這說(shuō)明了塑料通過(guò)摩擦后攜帶有大量的正電荷，而對(duì)于其它的物體相對(duì)來(lái)說(shuō)都攜帶有負(fù)電荷，當(dāng)攜帶有正負(fù)電荷的物體相遇一段時(shí)間后電場(chǎng)力會(huì)隨著能量的不斷釋放而逐漸消失，也就是正負(fù)電荷的中和作用。但在此期間也會(huì)產(chǎn)生電磁力，只不過(guò)人們沒(méi)有注意到罷了。在攜帶有兩種正負(fù)電荷的物體在相遇時(shí)，其周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生電磁力。這同等于夏季攜帶有正負(fù)電荷的兩種云層，在兩種不同電荷云層靠近時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電場(chǎng)放電而擊穿空氣導(dǎo)通并形成瞬間的雷鳴電閃的能量釋放現(xiàn)象，同時(shí)也伴隨著強(qiáng)大的電磁脈沖轉(zhuǎn)換過(guò)程，電磁脈沖又會(huì)在金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生電子流。縱觀(guān)宇宙空間，它充滿(mǎn)了物質(zhì)天體，同時(shí)也體現(xiàn)了宇宙星系間的磁力場(chǎng)。我們知道物質(zhì)原子的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，原子核與外層的電子形成電場(chǎng)力空間，原子核攜帶正電，外圍電子攜帶負(fù)電，正負(fù)電荷間形成電場(chǎng)力。另外，在我們的物質(zhì)空間中也存在由物質(zhì)離子形成的正負(fù)離子電力場(chǎng)，而宇宙空間也呈現(xiàn)為物質(zhì)分子間的電場(chǎng)力和電磁力的不同轉(zhuǎn)換形態(tài)。宇宙中恒星的核聚變、核裂變，不都是以光輻射的形式出現(xiàn)的嗎？我們知道光也是一種電磁波，這也證明了物質(zhì)粒子間的不同運(yùn)動(dòng)形式都可產(chǎn)生以射線(xiàn)形式的能量釋放。
牛頓的萬(wàn)有引力相間的證明了宇宙空間的力場(chǎng)作用，通過(guò)分析，宇宙空間充滿(mǎn)了天體物質(zhì)電場(chǎng)力轉(zhuǎn)換過(guò)程中的電磁力。宇宙物質(zhì)射線(xiàn)主要是以不同波長(zhǎng)的電磁輻射進(jìn)行能量的傳遞和轉(zhuǎn)換，對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，首先電場(chǎng)和磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換成因我們是知道的。那么引力場(chǎng)是如何形成的，恐怕我們了解的還不夠。假設(shè)：物質(zhì)間的引力來(lái)源于原子與原子間的電力鍵，那么電力健的周?chē)蜁?huì)形成電磁力的轉(zhuǎn)換。我們客觀(guān)的來(lái)說(shuō)，宇宙空間充滿(mǎn)了物質(zhì)電場(chǎng)力與電場(chǎng)力作用下的電磁力。不然的話(huà)，宇宙空間的電磁力又來(lái)源于哪里呢？
地球的行星磁場(chǎng)、太陽(yáng)恒星磁場(chǎng)、銀河系磁場(chǎng)、天體磁場(chǎng)、宇宙空間磁場(chǎng)、浩瀚的太空磁場(chǎng)等等。人們會(huì)問(wèn)，這些磁場(chǎng)的出處究竟來(lái)源于什么地方呢？沒(méi)有電場(chǎng)力的作用，磁力場(chǎng)又如何存在呢？電磁力充滿(mǎn)了宇宙空間，相對(duì)而說(shuō)也就是電場(chǎng)力的作用。電場(chǎng)力建立在電子的運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)之上，物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成了物體的宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了電場(chǎng)力，電場(chǎng)力形成了電磁力的轉(zhuǎn)換，這就是物質(zhì)世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)則。只要宇宙空間存在電磁力，也就存在電場(chǎng)力，那么引力究竟是什么呢？我們可以說(shuō)是物質(zhì)分子間的電場(chǎng)力。
假如說(shuō)物質(zhì)分子間的引力屬于電場(chǎng)力，那么浩瀚的宇宙空間電場(chǎng)力究竟又是一種什么狀態(tài)呢？我們?nèi)祟?lèi)為什么感覺(jué)不到只身處于電場(chǎng)中的那種感受呢？宇宙空間星系中的電磁力應(yīng)該來(lái)源于星系內(nèi)部電場(chǎng)的轉(zhuǎn)換，這是毋庸置疑的。銀河系有銀河系的電磁力，也就是說(shuō)銀河系的電磁力來(lái)源于恒星系電磁力的總和。太陽(yáng)系的電磁力來(lái)源于太陽(yáng)物質(zhì)粒子間的聚合反應(yīng)生成的電場(chǎng)力，因?yàn)樘?yáng)是恒星。對(duì)于宇宙中的行星磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是由行星內(nèi)核的物質(zhì)粒子間的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力轉(zhuǎn)換而成的。一般來(lái)講，不論是恒星還是行星，其電磁力都來(lái)源于星系內(nèi)核的物質(zhì)粒子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力轉(zhuǎn)換而成的。
由此說(shuō)來(lái)，物質(zhì)之間的引力既不是電場(chǎng)力也不是電磁力。微觀(guān)理論學(xué)說(shuō)的引力場(chǎng)是建立在物質(zhì)分子間的電場(chǎng)力作用，而宏觀(guān)理論就不能夠證明物質(zhì)間的引力場(chǎng)來(lái)源于電場(chǎng)力的強(qiáng)力場(chǎng)作用。恒星與恒星、恒星與行星、星系之間、宇宙太空的總體引力場(chǎng)應(yīng)當(dāng)是空間天體之間的高速運(yùn)動(dòng)形成的牽引力，這句話(huà)的含義是；宇宙空間充滿(mǎn)了可見(jiàn)物質(zhì)和暗物質(zhì)，兩種物質(zhì)間仍然存在分子間的電場(chǎng)力。在宇宙大爆炸的初始期，被拋向四周的物質(zhì)顆粒有大有小，并在宇宙大爆炸初期，物質(zhì)受到了原本動(dòng)力的作用，其較大的高密度物質(zhì)天體在做高速自旋運(yùn)動(dòng)，而那些低密度較小的物質(zhì)天體會(huì)被高密度旋轉(zhuǎn)天體牽引，從而形成了宇宙星系中的不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)。在數(shù)百億光年的宇宙演變史中，在原本動(dòng)力的作用下，星系內(nèi)核的高速度旋轉(zhuǎn)動(dòng)力會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸的變慢，使宇宙空間不斷地膨脹。這里有一個(gè)問(wèn)題，星系內(nèi)核的自旋速度不會(huì)越來(lái)越快的，如果繼續(xù)加速運(yùn)轉(zhuǎn)的話(huà)，那么維持天體運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力源又來(lái)自于何方呢？物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換應(yīng)當(dāng)遵循著守恒定律的準(zhǔn)規(guī)則，支持天體的永動(dòng)能量究竟是什么物質(zhì)提供的？然而這些都是未知數(shù)。牽引力來(lái)源于物質(zhì)體系中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，宇宙間充滿(mǎn)了所有不同能量級(jí)的物質(zhì)體系，如果物質(zhì)空間存在空隙，也就不會(huì)構(gòu)成引力作用。我們可以這樣說(shuō)：“浩瀚的宇宙空間充滿(mǎn)了物質(zhì)，它包括可見(jiàn)物質(zhì)和不可見(jiàn)物質(zhì)也就是暗物質(zhì)。而空間中的物質(zhì)漩渦，也就是不同大小的星系群。其實(shí)，宇宙就像海洋一樣，不同的環(huán)流水系構(gòu)成了龐大的海洋水域。如果在海洋中心設(shè)立高速度的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，你就會(huì)看到海洋的整體波動(dòng)，其四周的水域會(huì)向海洋中心聚集，這也是我們平時(shí)看到的實(shí)際情況。
參考資料 >