場 (物理)

提示：此條目的主題不是場論。

在物理裏，場（英語：Field）是一個以時空為變數的物理量。空間中瀰漫着的基本相互作用被命名為「場」。^[1]場可以分為純量場、向量場和張量場等，依據場在時空中每一點的值是純量、向量還是張量而定。例如，經典重力場是一個向量場：標示重力場在時空中每一個的值需要三個量，此即為重力場在每一點的重力場向量分量。更進一步地，在每一範疇（純量、向量、張量）之中，場還可以分為「經典場」和「量子場」兩種，依據場的值是數字或量子算符而定。

兩個有相同電量的粒子所形成的電場強度，越亮的區域表示強度越強。

相反電性的兩個粒子

場被認為是延伸至整個空間的，但實際上，每一個已知的場在夠遠的距離下，都會縮減至無法量測的程度。例如，在牛頓萬有引力定律裏，重力場的強度是和距離平方成反比的，因此地球的重力場會隨着距離很快地變得不可測得（在宇宙的尺度之下）。

定義場是一個「空間裏的數」，這不應該減損場在物理上所有的真實性（如定義「質量」為秤上的數字）。「場佔有空間。場含有能量、動量。場的存在排除了真正的真空。」^[2]真空中沒有物質，但並不是沒有場的。場形成了一個「空間的狀態」^[3]

當一個電荷移動時，另一個電荷並不會立刻感應到。第一個電荷會感應到一個反作用力，並獲得動量，但第二個電荷則沒有感應，直到第一個電荷移動的影響以光速傳遞到第二個電荷那裏，並給予其動量之後。場的存在解決了關於第二個電荷移動前，動量存在在哪裏的問題。因為依據動量守恆定律，動量必存在於某處。物理學家認為動量應該存在於場之中。如此的認定讓物理學家們相信電磁場是真實的存在，使得場的概念成為整個現代物理的範式。

歷史

艾薩克·牛頓在他的萬有引力定律簡單地把重力定義為由於質量引起的，施加於一對物體的力。當涉及到多個物體互相影響的系統，比如太陽系，原先的定義就不方便並且有侷限性了。在18世紀，一個新的概念提出來用來簡化這些一對對的重力。這就是重力場，在這個場的空間上的任何一單位質量都會受到那個點所有的重力。這個理論並不是對物理規律的顛覆，而是簡化了運算。當計算一個點上的總重力時，不管是考慮一對對重力，並把它們加起來；或是先把整個重力場計算出來，再算出哪一點上受到的力，兩者是等價的。

經典場

主條目：經典場論

經典場論仍然適用於非量子尺度的空間，依舊在科學研究中處於主流。材料的彈性、流體力學以及麥克斯韋方程式都是與此理論相關的例子。最簡單的場是力場。歷史上，場之一概念第一次被認可是法拉第用力線描述電場。隨後重力場的概念也用相似的方式提出。

牛頓重力場

在牛頓體系中，質量是重力場的起源

用來描述兩個有質量的物體的吸引力的經典場論源於牛頓萬有引力定律。

電磁場

主條目：電磁學

米高·法拉第在他研究磁學時最先意識到場作為一個物理量的重要性。他發現電場和磁場並非唯一能支配粒子運動的力場，但它們也具有獨立的物理實在性，因為它們可以攜帶能量。

這些想法最終使詹姆斯·克拉克·麥克斯韋通過電磁場的方程組建立了物理學中第一個統一的場論。這一方程組的現代形式被稱為麥克斯韋方程組。

靜電場

主條目：靜電學

一個帶電荷q的檢驗粒子在靜電場中會受到一個大小只與q有關的力F的作用。我們可以這樣描述電場E：F=qE。通過這一關係和庫侖定律，我們可以得到，點電荷周圍的電場為：

${\displaystyle \mathbf {E} ={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {q}{r^{2}}}{\hat {\mathbf {r} }}.}$

靜電場是保守場，因此可以用一個純量勢函數V(r)來描述：

${\displaystyle \mathbf {E} (\mathbf {r} )=-\nabla V(\mathbf {r} ).}$

靜磁場

主條目：靜磁學

電動力學

主條目：電動力學

廣義相對論所描述的重力場

主條目：廣義相對論

量子場

主條目：量子場論

場論

對稱性

主條目：對稱性 (物理學)

時空對稱

主條目：對稱性 (物理學)

相關領域

• 經典場論
• 強場物理
• 場論（量子力學）
  • 量子場論
  • 統一場論（愛因斯坦）
• 電磁場
  • 電場
  • 磁場
• 能量場
• 重力場

參見

• 心理場論
• 統計場論

參考文獻

1. John Gribbin. Q is for Quantum: Particle Physics from A to Z. London: Weidenfeld & Nicolson. 1998: 138. ISBN 0297817523.
2. John Archibald Wheeler. Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics.. London: Norton. 1998: 163.
3. Richard P. Feynman. Feynman's Lectures on Physics, Volume 1.. Caltech. 1963: 2-4.，因此當我們在場內放入一個粒子，這個粒子會感覺到力。