什么是“场”？

我们经常会在各种物理或者科学方面的介绍中认识到场，比如磁场、量子场、静电场、温度场等等，这一系列场论构建了现代物理学中一个比较重要的理论点。

关于对场的描绘

尤其是在量子力学中，各种对场的描述更是让人感觉云里雾里，最终在大量的物理专业词汇和让人分不清现实的描述里“丧失”对文字的理解。

关于场实际上有一个十分简单而又朴素的概念，在物理学中，场是一个物理量，它由向量、标量或张量的每个点中空间和时间中都有一个数值。

空间存在许多变化

例如在与天气相关的地图中，通过位地图上的每个点分配一个数字来描述地表温度，或者可以考虑某个时间点或者某个时间间隔内的温度，以此来研究温度变化的动态。

在相关的描述中，构建了属于时间或者时间点的空间环境的温度数值，这一区域便可以称之为温度场。场论是场值如何随空间和时间变化的数学描述。

每一个圈代表一个场

它在物理中无处不在，例如电场是1阶张量场。

电动力学则可以用时空中每个点的两个相互作用的矢量场来表示。场论在今天变得十分复杂的原因还有一点在于量子力学的发展。

在量子场论的现代框架中，即使不对测试粒子进行数学计算，场也会占据空间，并且包含能量。并且它的存在排除了经典的“真正真空”。

量子场论的微观世界

这便导致后来的物理学家将电磁场看作一个物理实体，使其概念成为现代物理框架的支持范式。

电磁场中，动量和能量使其变得十分真实，粒子可以产生一个场，一个场作用于另一个粒子。

而这个场具有能量含量和动量等属性。

最初在经典物理体系中，牛顿在万有引力定律中表达了关于作用在任何一对大质量物体之间的引力。

当人们观察彼此之间的相互作用的物体运动时，比如研究太阳系的行星运动时，分别对每对物体之间的力的计算变得十分复杂。

将磁场可视化

18世纪时，人们设计了一种新的量化方式来对这些引力进行记录，而这便是引力场。

通过给出空间中每个点的总引力加速度，该点一个小的物体会有总引力加速度的感受，同时这还没有改变物理学本身。

不过场概念的独立发展真正起始于19世纪的电磁学，最早科学家用牛顿式定律来表达电荷或者电流。

为了使科学表达更加流畅，因此也自然而然地诞生出关于电磁场的概念。

场论的变化发展

19世纪中叶，法拉第成为第一个“场”的创造人，场的独立性因此也变得更加明显。

科学家后来发现这些场的波以有限的速度进行传播，因此电荷和电流的作用力再是同时取决于其他电荷和电流的位置及速度，这还取决于它们过去的位置和速度。

经过科学家们的不断完善，场在众多经典领域中得到了应用，比如弹性、流体动力学、麦克斯韦方程等。

从大的方面来讲，场的应用和扩展包含了如今物理学中的4大基本力。

在这一时期内，或许是场最简单纯粹的时候，因为在经典领域中，牛顿的理论和大多数科学家的理论都能很好地描述场。

但在19世纪末，事情便开始发生了变化。

爱因斯坦提出相对论后，经典物理遭受挑战，人们发现场的理论也发生变化。

在爱因斯坦的引力描述中，引力理论被称为广义相对论，这是场论以新的面貌出现在人们面前。

广义相对论中，质能扭曲时空

这里的场则是度量张量中的对称二阶张量场的时空，由此便取代了牛顿的万有引力定律。

另外在后来的物理研究中，波的丰富也让其加入了场论。

波可以位物理场构建有限的传播速度和因果性质的简化物理模型，例如电磁波相关理论，实际上也可以是场的体现。

进入20世纪，物理学和天文学交织在一起，新的研究给人们带来了更多视野。

电磁波的图像展示

如果要了解宇宙，量子场论则是最好的理论之一，因为量子场论的大部分预测如今已被证实。

它最适合描述宇宙中大部分物理现象和行为，在这里我们先来简单地了解粒子物理学的标准模型。

最初科学家认为，原子是物质中最小的粒子，但随着实验条件的进步，科学家最终发现原来原子并不是最小的，还有亚原子粒子，再往下便是质子、中子和电子。

量子理论在20世纪30年代中期到40年代，该理论为科学家揭示了新的粒子。

但科学家仍然不能够清晰地认识这些粒子，为此他们提出了新的理论，以此来预测更基本的粒子存在，比如最近几年才发现的希格斯玻色子。

被称为上帝粒子的希格斯玻色子

随着新的未知基本粒子的发现，科学家为其以质量、自旋、电荷等构建了一个基本模型。

该模型可以适用于根据其固有特性划分的所有基本粒子。

最重要的是，模型还提供了一种解释自然基本力以及相应力载体的方法，这个模型则是粒子物理的标准模型。

科学家在今天创建的标准模型

说到这里，是不是就有一种很玄学的感觉？

粒子居然可以被预测出来，就像是无中生有一般。

但事实上这就是今天的科学家最常用的一个手段，它是一种更高级的假设手段，先是有了事物本身，再去验证。

而不是先验证它是不是，再有物质本身。

场的归宿和未来

量子力学的进一步发展，最终构建了一个光怪陆离的物理世界。

从夸克到奇异物质，强子到重子，如今十分流行的中微子。

这些都是十分稳定的粒子，它们也不需要与其他粒子相结合，本身就可以独立存在。

不同量子场形态也不同

海森堡测不准原理则是物理学真正的“魔法”，无中生有就是它了。

回到量子场论中，量子场论是量子力学和场论的结合，不同于经典力学，量子力学在概率问题方面的表现使得测量行为本身就成了“运气”。

粒子所有可能结果的组合成为波函数，我们可以将其理解为量子粒子的固有属性，例如位置、动量、速度等。

作为观察者，观察物质世界实际上观察到的是一个有物质和场的世界。

量子场也能有能量表现

在物理学中，”空”的空间不一定是空的，最简单的例子就是同性排斥的磁铁。

同样，在宇宙的空白处，它也并不意味着真正的空白。

而这，便是场最终的归宿和基本思想。

现代物理进入量子力学的殿堂后，量子场论指出，宇宙中每个地方无时不刻都存在我们无法看到的不同类型的场。

每个基本粒子都有自己的场，前面我们说到的希格斯玻色子，在希格斯场中它是一个标量场，每个空间点上都需要一个数字来描述这个场。

什么是量子场

不同的场都有自身的能量需求，当场被提供能量时，它们会进入到更高的能量状态，形成类似涟漪一样的波纹。

对于某些领域，需要提供足够大的能量才能产生粒子。

决定一个长需要多少能量才能产生一个粒子的主要因素取决于与场相关的对应粒子质量。

仍是刚才举例说明的希格斯玻色子，它比电子更重，所以它需要更大的能量才能产生。

如今只有大型强子对撞机才能让粒子在加速器中做到。

场与场之间，粒子与粒子之间的作用表现仍有许多可以挖掘的地方，科学家仍在关注。

相关问题还有很多为解决，如今我们可以期待，未来的世界将会由场推向怎样的高度。