较真物理学名词:力与场的若干概念

330 2024-01-14 17:21

开篇辞

20世纪哲学的重要分支——分析哲学,把对语言的研究置于哲学的中心地位。分析哲学的代表人物维特根斯坦指出,哲学是错误地使用日常语言的结果。这种错误并不在论证的命题及其逻辑关系上,而是在论证所使用的语言上。在物理学中,对语言的使用同样重要。

 

在科学研究中,科学家每次发现新的自然现象或提出新的科学概念,都会创造专有名词来命名。命名好了,可让人“望文生义”,帮助理解。复杂的现象、艰深的概念会因为直观易懂的名字而让人铭记。有些科学名词引人入胜,激起人们的好奇心和探索欲。如果命名不好,会让人或产生误解,或望文却步。

 

在创造专有名词时,一个原则是要揭示事物的本质或指出其最重要的特性。新生事物刚出现的时候,科学家根据当时的理解而命名之。然而,随着科学的不断发展,在有些情况下,最初的理解不一定正确,所用的名词容易造成曲解。但由于该名词已经被人们广泛使用,要改过来就不容易了。这种情况在科学史上屡见不鲜。

 

现代科学起源于西方,科学名词大多首先以西文的形式出现。翻译成中文时,做到信雅达很重要。翻译的法方法无非两种:意译和音译。中文的科学名词大都采用意译。举几个物理学的例子,电子(Electron),字面上的意思是带电的粒子,准确地说是带有单位负电荷的基本粒子。中子(Neutron)是原子核里面一种电中性的粒子。质子(Proton)的词义是集中了原子核大部分质量的粒子,但实际上,原子核里面中子与质子的质量很接近。

 

音译的名词,词义不够直观,却有个好处,可以避免不必要的望文生义。有些概念包含复杂的意思,很难用一个简单的词来概括,采用音译反而效果更佳。例如,夸克是英文Quark的音译。夸克是构成核子(即中子和质子)的基本粒子。夸克的英文原意是一种海鸥的叫声,物理学家盖尔曼从文学作品中得到灵感而命名之。按意译的方式,有些中国物理学家称夸克为“层子”,在台湾亦曾翻译为“亏子”,但这些译名都没有得到普遍使用。

 

笔者将对物理学中的一些重要名词作一番“咬文嚼字”,细究其词义,探讨背后深刻的物理含义。慎思之,明辨之。有些名词起得特别好,精确地反映了事物的本质或特性。有些名词,因历史原因而偏离了本质,容易让人产生曲解。本文首先探讨与力和场相关的若干名词。

——作者

 

撰文 | 陈少豪(美国麻省理工学院)

 

力学不一定与力有关

力学(Mechanics)是物理学中最重要的分支。随着物理学的发展,力学的内容不断更新变化。现代物理中,有些以力学为名的学科甚至与力没什么关系。

 

Mechanics这个词源自希腊语,本意是指与机械或机器(Machine)有关的事物。后来其词义逐渐演变为探究物体机械运动本质的学问。衍生的单词Mechanism则指机制、机理。

 

17世纪,牛顿提出著名的三大定律,以牛顿三大定律为基础的力学被后世称为经典力学(Classical Mechanics)。值得注意的是,牛顿在其名著《自然哲学的数学原理》中几乎没有怎么用到Mechanics一词。

 

经典力学主要研究物体的受力、动量、能量,以及它们之间关系。例如,牛顿第二定律如是说:物体所受到的外力等于其惯性质量与加速度的乘积。在经典力学里面,力是核心概念,物体的受力是决定其运动的主要因素,因此将Mechanics翻译为力学很合理。

 

18世纪,数学家发展了分析力学(Analytical Mechanics),用更基础的数学形式重新描述了经典力学,牛顿定律被表述为等价的数学形式——拉格朗日方程、哈密顿方程。在分析力学中,力不再是重要的概念,居中心地位的物理量是能量(Energy)。

 

20世纪,量子力学(Quantum Mechanics)问世后,更是彻底地抛弃了力(Force)的概念。量子力学中完全没有经典力学中的力,而是保留了质量、能量、动量等概念。

 

英文中的Mechanics一词与Force一词在词义上并无直接联系,而且现代物理中很多以Mechanics为名的学科里面已经没有了力的概念,那么问题来了,Mechanics是否还应该翻译成力学呢?

 

由于Mechanics的词义经历了许多历史演变,要找一个中文词准确地表述其所有含义,并非易事。沿用人们习惯的“力学”这个词,不失为一种很好的选择。

 

再来看一个例子,Kinetics是经典力学的一个分支,指研究运动的起因、特别是运动与力的关系的学问,中文翻译是动力学。在现代很多英文文献和教科书中,Kinetics这个词被另一个词Dynamics取代。Dynamics研究物理系统随时间的变化,以及其背后的原因。在中文文献中,Dynamics仍翻译为动力学。例如,Electrodynamics,即电磁场随时间变化的规律的学问,翻译为电动力学。在现代物理中,造成物理系统演化的原因与力没有直接关系,因此作者认为,Dynamics是否应该翻译为动力学值得商榷。

 

引力不是力

不仅量子力学与力无关,20世纪物理学的另一项伟大成就广义相对论则指出:引力不是力(Gravity is not a force)。在物理学史上,引力(Gravitation或Gravity)的含义经历了数次演变。

 

Gravitation这个词起源于拉丁语的Gravitas,即重量(Weight)的意思,其本意是指地球上物体的重力。后来,牛顿发现地球上物体的重力与宇宙天体之间的相互吸引力是同一种力,称之为万有引力(Universal Gravitation)。

 

牛顿的万有引力定律取得了巨大的成功。从地球上万物的运动,到宇宙天体的运行,都能被万有引力定律很好地解释和计算。然而,牛顿并没有解释引力是怎么产生的,为什么引力是超距作用,即不接触的两个物体之间为什么会有力的作用?

20世纪初,爱因斯坦提出了一个全新的引力理论——广义相对论。在广义相对论中,引力被描述为时空的几何曲率,将时空曲率与处于其中的物质的质量和能量联系在一起。所谓引力,并不是一个物体对另一个遥远的物体产生了神秘的超距作用,而是这个物体的质量导致时空弯曲,而另一个物体只不过是沿着弯曲时空中距离最短的路线运行而已。在平直的空间中,两点间距离最短的路线是直线。在弯曲的空间中,两点间距离最短的路线则是弯曲的。看起来像是有个吸引力(Attracive Force)使得物体的运动方向发生偏转,但实际上引力不是力,而是由时空弯曲导致物体运动轨迹发生改变的一种效应。

 

举一个大家熟知的例子——地球围绕太阳公转。按照经典力学的解释:太阳产生的引力作用在地球上,导致地球围绕太阳公转,轨道为椭圆形。然而,广义相对论提出了全新的解释:太阳的巨大质量使得它周围的时空弯曲,地球沿着弯曲时空中距离最短的路线运行,这个路线正是围绕着太阳的一个椭圆轨道。因此,并不是遥远的太阳产生了一个力作用地球上。引力不是超距作用,而是时空弯曲的一个必然结果。既然引力不是力,更准确的表述是“吸引相互作用”。引力是自然界的四种基本相互作用之一。

 

 

 

图1:太阳的巨大质量使得它周围的时空弯曲,地球沿着弯曲时空中距离最短的路线运行,这个路线正是围绕着太阳的一个椭圆轨道。

 

 

场是物质的根源

在现代物理中,力不再处于中心地位,场却成为最重要的概念。

 

最早提出“场”这个概念的物理学家是法拉第。一百六十多年前,在剑桥大学物理系的报告厅,法拉第向公众展示了磁铁周围的磁力线,首次提出了磁场的概念。法拉第用场(Field)这个词,是因为他当时想到了农场里的田地。田地的英文单词是Field。物理学中的场是指空间中的每个坐标点都有一个物理量的数值,就像在田地的每个小土坑里播下种子。场这个词很形象,被物理学家一直沿用至今。

 

19世纪末,麦克斯韦提出了统一描述电磁场(Electromagnetic Field)的理论,把电与磁紧密联系在一起。变化的磁场产生电场, 变化的电场产生磁场,电磁场的能量以波的形式在空间传播,从而预言了电磁波的存在。电磁波被赫兹的实验证实。从此以后,物理学家确信电磁场是真实的存在,场的概念成为整个现代物理的范式。

 

20世纪初,爱因斯坦建立广义相对论,揭示了时间、空间和引力的内在联系,将引力场诠释为时空本身的弯曲,并预言了引力波的存在。引力波是指时空弯曲的涟漪,通过波的形式从引力源向外传播。一百年后,LIGO观测站证实了宇宙中存在引力波。

 

20世纪中后期,物理学家们从量子力学发展出量子场论。量子场论认为,每种基本粒子(Elementary particle)都对应着一种量子场(Quantum Field),基本粒子是量子场受到激发而产生的。也就是说,一切物质和相互作用(引力除外)都起源于量子场。量子场是量子化的,能量是一份一份的。最小的一份能量单元,称为量子(Quanta),正是在实验室中被观测到的基本粒子。例如,传播电磁相互作用的光子(Photon)是电磁场的量子,电磁场受到激发而产生光子。类似地,传播强相互作用的胶子(Gluon)是胶子场的量子。不限于传播相互作用的基本粒子,所有构成物质的基本粒子也是量子场受到激发产生的。例如,电子场(Electron Field)受到激发产生电子,夸克场(Quark Field)受到激发产生夸克,等等。

 

真空并非真的空

最后来看一个名词本身不能反映物理事实的例子——真空。

真空(Vacuum)是指一种不存在任何物质的空间状态。然而,根据量子场论,场的存在排除了绝对真空。即使空间中的所有物质都移除了,仍有量子场存在。因为量子场有涨落,空间中仍然存在微小能量,能量和物质是等价的,因而自然界中不存在绝对真空。真空态应视为物质的基态,即能量最低的状态,但能量不为零。

 

 

作者简介

陈少豪,清华大学物理学学士,清华大学原子分子物理博士,曾为美国科罗拉多大学博尔德分校博士后研究员,先后在路易斯安那州立大学、波士顿大学任职,现在就职于麻省理工学院,从事高性能计算工作。

 

本文受科普中国·星空计划项目扶持
出品:中国科协科普部
监制:中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

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