物理学中「场」的本质是什么?
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发布时间：2022-04-24 00:44
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时间：2023-10-16 03:53
「场」这个概念可以从日常经验获得，本身并不抽象。
顾名思义，「场」是一种在空间和（或）时间上弥散的物理量。场对立的概念是局域化的物理对象，如点粒子等。这里所谓物理量比较宽泛，可以是基本的物质场，比如电磁场；也可以是某种属性，比如温度、密度、流速等。
用数学语言表达出来，场即是定义在空间和（或）时间上的函数。
我想题主困惑的应该是作为「相互作用的媒介」的场，该如何理解。
牛顿万有引力定律说两个相隔一定距离的物体，之间会有吸引力；库仑定律说两个点电荷会有库仑力。但问题在于，这种牛顿引力和库仑力似乎是「凭空」且「瞬间」产生的。仔细想想，这种隔山打牛似的「超距」作用，完全不可思议：
其无法解释「力」是如何凭空产生的——两个物体中间既然相隔真空，为何会发生相互作用？
瞬间的超距作用违背因果律——一个物体对另一个物体的影响，竟然比光速还快？而违背因果律的后果就是，大师还没发力，牛就被打了？
于是一个更为自然且合理的理解就是：不存在超距作用，任何的相互作用都是「局域」的。
即，两个物体（对象）若想发生相互作用，必须同时同地。而两个空间相隔距离（或者时间有先后）的物体（对象）想要发生作用，必须通过某个媒介传递——而其传递速度也不可超过光速。
形象点说，凭空发力、隔山打牛是不可能的。想打牛，只有扔板砖、石头或者铅球砸它。这里板砖、石头或者铅球就是所谓的「相互作用的媒介」。
接下来的问题就是，这种相互作用的媒介为何要是某个「场」，某种「弥散」的东西，而不是比如——像铅球那样——点粒子？
这个问题靠逻辑推理无法回答，而只能靠实验验证。而根据目前的理解，构成物质世界的基本材料，以及这些基本材料之间的相互作用媒介，都是场。
构成物质世界的基本材料，是所谓费米子场，可以认为是物质「实体」，「场量子」即是通常所说的基本粒子，电子、质子、夸克等；
基本相互作用媒介，是所谓玻色子场，「场量子」即是光子（电磁场）、引力子（引力场）等等。
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时间：2023-10-16 03:53
「场」是用于物理的数学工具，其本质是对空间中的每个点赋予一个量，可以是标量、向量或者张量。
从数学的角度理解，场是一个函数，定义域是空间，值域看情况。
比如温度场是一个标量场，空间中每一点都对应一个标量，表征该点的温度。类似还有势场，密度场。
比如电场是一个向量场，空间中每一点有一个向量表征单位点电荷受到的力。类似还有磁场，流速场。
经典力学中的引力场是向量场，给空间中每一点赋一个向量，表征单位质量的质点在该点受到的力。
广义相对论中的引力场是张量场，爱因斯坦场方程中涉及曲率张量、应力－能量张量、度规张量等。
其中曲率张量场给时空中每一点赋予该点的曲率张量，表征时空在该点的弯曲。
另外，数学工具「场」描述的物理对象有时也叫「场」，比如电磁场，这个对象有人认为是一种「物质」。我认为「物质」没有明确定义，所以对此不做评价。
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时间：2023-10-16 03:54
大家中学都学过电场线（field lines, 又称电力线lines of force）：最开始只是假想的线，用以描述一个（小的）虚拟电荷的受力方向。但当我们把空间都充满很多这种线，它们又可以表达电荷所受力的大小：电场线密的地方力就大，电场线稀疏的地方力就小－－当然，前提是我们把线画得尽可能＂均匀＂。法拉第给出了这样几条法则：
1 电场线从正电荷散发出去，汇集于负电荷；电荷越大，其所“发出”或“收到”的电场线越多；
2 每根线都有张力（使其尽可能缩短）；
3 同时，电场线与电场线之间互相排斥（更不可相交）。
在二维世界里，这些线遵循这样的法则就会呈现类似这个样子：
这些线和线之间的排斥使得上边和右边的电荷相斥，而线自身的张力又使他们与第三个电荷相吸。【如果你有耐心数一下线的个数，会发现左边两个电荷各有24根线，而右边的电荷有48根。】
可以认为，这些线就像是赋予了“生命”一样，是实实在在的存在。场的概念解决了牛顿以来的一个困惑，即所谓action at a distance：一个物体，隔着这么远，怎么施力于另一个物体? 这当然有点哲学的意味，物理可以不解释的；但场论给出了很完美的解释，电荷（或质量）周围的空间充满了这种电场线（或引力场线）。它们作为传递物质间作用的媒介，不妨也算作一种＂无形的＂物质。
后来麦克斯韦给出了数学上更为精准的描述，而且推导出电荷移动所引起的电场改变并不是瞬时的，而是以一个固定速度向外扩散（这个很好玩：Radiating Charge 演示）。这个大家都耳熟能详：麦克斯韦推算出的速度恰好与当时所推测的光速接近，从而大胆断言光是一种电磁波。没有人会质疑光存不存在，所以电场也是真实存在的。
如果这还不足以说服你＂场＂是个实实在在存在的东西，可以考虑把电磁理论与经典牛顿力学结合来看。麦克斯韦之前我们就知道，静止电荷产生的库仑力是符合牛顿第三定律的，也就应该符合动量守恒。但一但动起来，电荷也会产生磁场，而磁场对运动电荷的力不符合牛顿第三定律（不作用在同一直线上），动量也就不守恒了。如果说场是电磁作用的媒介，会不会有的动量跑到场里了呢？确实是这样，通过麦克斯韦方程，我们可以推导出一种“动量守恒”定律：即空间中的每一点都有个＂动量密度＂，积分之后得到的是场所带的动量，再加上电荷本身的动量（质量乘以速度）的总和是守恒的。同样可以通过麦克斯韦方程推出一个能量守恒定律。场既有动量又有能量，还能说它不是一种物质吗？它唯一欠缺的是质量。
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时间：2023-10-16 03:53
「场」这个概念可以从日常经验获得，本身并不抽象。
顾名思义，「场」是一种在空间和（或）时间上弥散的物理量。场对立的概念是局域化的物理对象，如点粒子等。这里所谓物理量比较宽泛，可以是基本的物质场，比如电磁场；也可以是某种属性，比如温度、密度、流速等。
用数学语言表达出来，场即是定义在空间和（或）时间上的函数。
我想题主困惑的应该是作为「相互作用的媒介」的场，该如何理解。
牛顿万有引力定律说两个相隔一定距离的物体，之间会有吸引力；库仑定律说两个点电荷会有库仑力。但问题在于，这种牛顿引力和库仑力似乎是「凭空」且「瞬间」产生的。仔细想想，这种隔山打牛似的「超距」作用，完全不可思议：
其无法解释「力」是如何凭空产生的——两个物体中间既然相隔真空，为何会发生相互作用？
瞬间的超距作用违背因果律——一个物体对另一个物体的影响，竟然比光速还快？而违背因果律的后果就是，大师还没发力，牛就被打了？
于是一个更为自然且合理的理解就是：不存在超距作用，任何的相互作用都是「局域」的。
即，两个物体（对象）若想发生相互作用，必须同时同地。而两个空间相隔距离（或者时间有先后）的物体（对象）想要发生作用，必须通过某个媒介传递——而其传递速度也不可超过光速。
形象点说，凭空发力、隔山打牛是不可能的。想打牛，只有扔板砖、石头或者铅球砸它。这里板砖、石头或者铅球就是所谓的「相互作用的媒介」。
接下来的问题就是，这种相互作用的媒介为何要是某个「场」，某种「弥散」的东西，而不是比如——像铅球那样——点粒子？
这个问题靠逻辑推理无法回答，而只能靠实验验证。而根据目前的理解，构成物质世界的基本材料，以及这些基本材料之间的相互作用媒介，都是场。
构成物质世界的基本材料，是所谓费米子场，可以认为是物质「实体」，「场量子」即是通常所说的基本粒子，电子、质子、夸克等；
基本相互作用媒介，是所谓玻色子场，「场量子」即是光子（电磁场）、引力子（引力场）等等。
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时间：2023-10-16 03:53
「场」是用于物理的数学工具，其本质是对空间中的每个点赋予一个量，可以是标量、向量或者张量。
从数学的角度理解，场是一个函数，定义域是空间，值域看情况。
比如温度场是一个标量场，空间中每一点都对应一个标量，表征该点的温度。类似还有势场，密度场。
比如电场是一个向量场，空间中每一点有一个向量表征单位点电荷受到的力。类似还有磁场，流速场。
经典力学中的引力场是向量场，给空间中每一点赋一个向量，表征单位质量的质点在该点受到的力。
广义相对论中的引力场是张量场，爱因斯坦场方程中涉及曲率张量、应力－能量张量、度规张量等。
其中曲率张量场给时空中每一点赋予该点的曲率张量，表征时空在该点的弯曲。
另外，数学工具「场」描述的物理对象有时也叫「场」，比如电磁场，这个对象有人认为是一种「物质」。我认为「物质」没有明确定义，所以对此不做评价。
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时间：2023-10-16 03:54
大家中学都学过电场线（field lines, 又称电力线lines of force）：最开始只是假想的线，用以描述一个（小的）虚拟电荷的受力方向。但当我们把空间都充满很多这种线，它们又可以表达电荷所受力的大小：电场线密的地方力就大，电场线稀疏的地方力就小－－当然，前提是我们把线画得尽可能＂均匀＂。法拉第给出了这样几条法则：
1 电场线从正电荷散发出去，汇集于负电荷；电荷越大，其所“发出”或“收到”的电场线越多；
2 每根线都有张力（使其尽可能缩短）；
3 同时，电场线与电场线之间互相排斥（更不可相交）。
在二维世界里，这些线遵循这样的法则就会呈现类似这个样子：
这些线和线之间的排斥使得上边和右边的电荷相斥，而线自身的张力又使他们与第三个电荷相吸。【如果你有耐心数一下线的个数，会发现左边两个电荷各有24根线，而右边的电荷有48根。】
可以认为，这些线就像是赋予了“生命”一样，是实实在在的存在。场的概念解决了牛顿以来的一个困惑，即所谓action at a distance：一个物体，隔着这么远，怎么施力于另一个物体? 这当然有点哲学的意味，物理可以不解释的；但场论给出了很完美的解释，电荷（或质量）周围的空间充满了这种电场线（或引力场线）。它们作为传递物质间作用的媒介，不妨也算作一种＂无形的＂物质。
后来麦克斯韦给出了数学上更为精准的描述，而且推导出电荷移动所引起的电场改变并不是瞬时的，而是以一个固定速度向外扩散（这个很好玩：Radiating Charge 演示）。这个大家都耳熟能详：麦克斯韦推算出的速度恰好与当时所推测的光速接近，从而大胆断言光是一种电磁波。没有人会质疑光存不存在，所以电场也是真实存在的。
如果这还不足以说服你＂场＂是个实实在在存在的东西，可以考虑把电磁理论与经典牛顿力学结合来看。麦克斯韦之前我们就知道，静止电荷产生的库仑力是符合牛顿第三定律的，也就应该符合动量守恒。但一但动起来，电荷也会产生磁场，而磁场对运动电荷的力不符合牛顿第三定律（不作用在同一直线上），动量也就不守恒了。如果说场是电磁作用的媒介，会不会有的动量跑到场里了呢？确实是这样，通过麦克斯韦方程，我们可以推导出一种“动量守恒”定律：即空间中的每一点都有个＂动量密度＂，积分之后得到的是场所带的动量，再加上电荷本身的动量（质量乘以速度）的总和是守恒的。同样可以通过麦克斯韦方程推出一个能量守恒定律。场既有动量又有能量，还能说它不是一种物质吗？它唯一欠缺的是质量。
