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电场磁场等所谓的“场”到底是什么?也是某种物质吗?

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很多人都有这样的疑问,物理学上经常讲到的电场磁场,看不见摸不着,它们到底是什么东西?也是某种物质吗?

简单说:是。所有的“场”都是物质,只不过与普通的物质有些不同,场是最基本的物质形态,正是场形成了如今我们看到的各种具体的物质形态。

从这点来讲,万物的本质其实都是场!该如何理解场的这种特性呢?让我们从头说起。

法拉第最先提出了场的概念,麦克斯韦创建了伟大的电磁场理论,统一了电场和磁场。到了20世纪,在量子力学和狭义相对论的基础上,科学家们提出了更前沿的量子场论。

量子场论的出现,让人们第一次认识到了基本粒子和场之间的关系。

该理论认为,还有比基本粒子更基本的物质状态,那就是场。场有两种状态,分别是基态和激发态。基态是场的原始状态,也是最稳定的状态,受到扰动的场就会形成激发态,而各种基本粒子其实就是场的激发态。

通俗来讲,基态的场就像是风平浪静的海面,而一旦海面受到扰动就会激发出水珠,水花甚至水浪,而水花和水浪等就相当于基本粒子。

为什么说量子场论是狭义相对论和量子力学的结合而诞生的呢?因为相对论和量子力学是现代物理学大厦的两大基石,相对论推翻了绝对时空观,统治了宏观世界。量子力学推翻了原有的“决定论”,统治了微观世界,用概率波描述微观世界的状态。

而当科学家观测微观世界时,发现微观粒子的运动速度都很大,而狭义相对论恰恰是描述高速运动状态的理论,所以科学家们把狭义相对论和量子力学结合起来,形成了量子场论。

量子场论的出现,加速了相对论和量子力学的最终统一。目前广义相对论和量子力学还有一定的不兼容,科学家们也在努力统一广义相对论和量子力学。

按照量子场论的诠释,宇宙万物都起源于场,世界的本质就是不同类型的场叠加。宇宙里有三种基本场,分别是费米子场,也就是实体粒子场。媒介子场,也被称为“规范场”。还有希格斯场。

我们看到的各种物质,山川湖泊,日月星辰,当然也包括你和我,都是由费米子场,也就是实体粒子场产生的。

媒介子场,可以形成四大基本作用力的传播子,比如说光子,胶子等,还有未被发现的引力子。

希格斯场,是宇宙万物产生质量的根源,它在宇宙中无处不在,基本粒子与希格斯场发生作用就会获得质量。而光子和胶子等粒子不会与希格斯场发生作用,所以也没有质量,只能以光速飞行。实际上如果没有希格斯场,所有的基本粒子本应该都以光速飞行。

那么场和粒子到底是如何转变的呢?

举个通俗的例子,我们经常说的中子发生的贝塔衰变,就是场引起的。处于激发态的中子场会退激到基态,然后释放出能量,进而会让质子场,中微子场和电子场受到激发,产生中子,反中微子和电子。

量子场论除了诠释场和基本粒子之间的关系之外,还能诠释真空的奥秘。

我们通常所说的真空,其实并不是一无所有,量子场论告诉我们,所谓的真空其实就是处于基态的场。

刚才所说,基态是最稳定的状态,也是能量最低的状态。能量最低并不代表没有能量。这意味着看起来空无一物的真空,其实蕴藏着巨大的能量,只是目前的人类科技还没有办法利用真空的能量而已。

如何证明真空中存在能量呢?

“卡西米尔效应”早就已经证明了这点。实验并不复杂,真空中有两块金属板靠得非常近,由于金属不带电,它们不会相互吸引。

不过当金属板靠近到一定程度,就会产生引力,这种力量就来自真空,准确来说来自真空的量子涨落。金属板内侧与外侧的真空涨落幅度有一定的差异,外侧的量子涨落更剧烈,所以会推动金属板,让金属板相互吸引。

而量子涨落其实就是基态的场受到了扰动,成为了激发态的场,也就是场的波动。

卡西米尔效应产生的力量非常微弱,但不可否认的是,真空中确实存在巨大的能量。随着人类科技不断发展,未来某天或许会成为人类星际旅行的第一能量选择。

总之就是,所谓的场就相当于波澜不惊的大海,而基本粒子就相当于海面受到扰动产生的水珠,这些水珠又会通过各种方式结合在一起,形成我们如今看到的丰富多彩的世界!

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