較真物理學(xué)名詞：力與場的若干概念

開篇辭

20世紀(jì)哲學(xué)的重要分支——分析哲學(xué)，把對(duì)語言的研究置于哲學(xué)的中心地位。分析哲學(xué)的代表人物維特根斯坦指出，哲學(xué)是錯(cuò)誤地使用日常語言的結(jié)果。這種錯(cuò)誤并不在論證的命題及其邏輯關(guān)系上，而是在論證所使用的語言上。在物理學(xué)中，對(duì)語言的使用同樣重要。

在科學(xué)研究中，科學(xué)家每次發(fā)現(xiàn)新的自然現(xiàn)象或提出新的科學(xué)概念，都會(huì)創(chuàng)造專有名詞來命名。命名好了，可讓人望文生義，幫助理解。復(fù)雜的現(xiàn)象、艱深的概念會(huì)因?yàn)橹庇^易懂的名字而讓人銘記。有些科學(xué)名詞引人入勝，激起人們的好奇心和探索欲。如果命名不好，會(huì)讓人或產(chǎn)生誤解，或望文卻步。

在創(chuàng)造專有名詞時(shí)，一個(gè)原則是要揭示事物的本質(zhì)或指出其最重要的特性。新生事物剛出現(xiàn)的時(shí)候，科學(xué)家根據(jù)當(dāng)時(shí)的理解而命名之。然而，隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，在有些情況下，最初的理解不一定正確，所用的名詞容易造成曲解。但由于該名詞已經(jīng)被人們廣泛使用，要改過來就不容易了。這種情況在科學(xué)史上屢見不鮮。

現(xiàn)代科學(xué)起源于西方，科學(xué)名詞大多首先以西文的形式出現(xiàn)。翻譯成中文時(shí)，做到信雅達(dá)很重要。翻譯的方法無非兩種：意譯和音譯。中文的科學(xué)名詞大都采用意譯。舉幾個(gè)物理學(xué)的例子，電子（Electron），字面上的意思是帶電的粒子，準(zhǔn)確地說是帶有單位負(fù)電荷的基本粒子。中子（Neutron）是原子核里面一種電中性的粒子。質(zhì)子（Proton）的詞義是集中了原子核大部分質(zhì)量的粒子，但實(shí)際上，原子核里面中子與質(zhì)子的質(zhì)量很接近。

音譯的名詞，詞義不夠直觀，卻有個(gè)好處，可以避免不必要的“望文生義”。有些概念包含復(fù)雜的意思，很難用一個(gè)簡單的詞來概括，采用音譯反而效果更佳。例如，夸克是英文Quark的音譯?？淇耸菢?gòu)成核子（即中子和質(zhì)子）的基本粒子?？淇说挠⑽脑馐且环N海鷗的叫聲，物理學(xué)家蓋爾曼從文學(xué)作品中得到靈感而命名之。按意譯的方式，有些中國物理學(xué)家稱夸克為“層子”，在臺(tái)灣亦曾翻譯為“虧子”，但這些譯名都沒有得到普遍使用。

筆者將對(duì)物理學(xué)中的一些重要名詞作一番“咬文嚼字”，細(xì)究其詞義，探討背后深刻的物理含義。慎思之，明辨之。有些名詞起得特別好，精確地反映了事物的本質(zhì)或特性。有些名詞，因歷史原因而偏離了本質(zhì)，容易讓人產(chǎn)生曲解。本文首先探討與力和場相關(guān)的若干名詞。

——作者

撰文 | 陳少豪（美國麻省理工學(xué)院）

力學(xué)不一定與力有關(guān)

力學(xué)（Mechanics）是物理學(xué)中最重要的分支。隨著物理學(xué)的發(fā)展，力學(xué)的內(nèi)容不斷更新變化?，F(xiàn)代物理中，有些以力學(xué)為名的學(xué)科甚至與力沒什么關(guān)系。

Mechanics這個(gè)詞源自希臘語，本意是指與機(jī)械或機(jī)器（Machine）有關(guān)的事物。后來其詞義逐漸演變?yōu)樘骄课矬w機(jī)械運(yùn)動(dòng)本質(zhì)的學(xué)問。衍生的單詞Mechanism則指機(jī)制、機(jī)理。

17世紀(jì)，牛頓提出著名的三大定律，以牛頓三大定律為基礎(chǔ)的力學(xué)被后世稱為經(jīng)典力學(xué)（Classical Mechanics）。值得注意的是，牛頓在其名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中幾乎沒有怎么用到Mechanics一詞。

經(jīng)典力學(xué)主要研究物體的受力、動(dòng)量、能量，以及它們之間關(guān)系。例如，牛頓第二定律如是說：物體所受到的外力等于其慣性質(zhì)量與加速度的乘積。在經(jīng)典力學(xué)里面，力是核心概念，物體的受力是決定其運(yùn)動(dòng)的主要因素，因此將Mechanics翻譯為力學(xué)很合理。

18世紀(jì)，數(shù)學(xué)家發(fā)展了分析力學(xué)（Analytical Mechanics），用更基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)形式重新描述了經(jīng)典力學(xué)，牛頓定律被表述為等價(jià)的數(shù)學(xué)形式——拉格朗日方程、哈密頓方程。在分析力學(xué)中，力不再是重要的概念，居中心地位的物理量是能量（Energy）。

20世紀(jì)，量子力學(xué)（Quantum Mechanics）問世后，更是徹底地拋棄了力（Force）的概念。量子力學(xué)中完全沒有經(jīng)典力學(xué)中的力，而是保留了質(zhì)量、能量、動(dòng)量等概念。

英文中的Mechanics一詞與Force一詞在詞義上并無直接聯(lián)系，而且現(xiàn)代物理中很多以Mechanics為名的學(xué)科里面已經(jīng)沒有了力的概念，那么問題來了，Mechanics是否還應(yīng)該翻譯成力學(xué)呢？

由于Mechanics的詞義經(jīng)歷了許多歷史演變，要找一個(gè)中文詞準(zhǔn)確地表述其所有含義，并非易事。沿用人們習(xí)慣的“力學(xué)”這個(gè)詞，不失為一種很好的選擇。

再來看一個(gè)例子，Kinetics是經(jīng)典力學(xué)的一個(gè)分支，指研究運(yùn)動(dòng)的起因、特別是運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系的學(xué)問，中文翻譯是動(dòng)力學(xué)。在現(xiàn)代很多英文文獻(xiàn)和教科書中，Kinetics這個(gè)詞被另一個(gè)詞Dynamics取代。Dynamics研究物理系統(tǒng)隨時(shí)間的變化，以及其背后的原因。在中文文獻(xiàn)中，Dynamics仍翻譯為動(dòng)力學(xué)。例如，Electrodynamics，即電磁場隨時(shí)間變化的規(guī)律的學(xué)問，翻譯為電動(dòng)力學(xué)。在現(xiàn)代物理中，造成物理系統(tǒng)演化的原因與力沒有直接關(guān)系，因此作者認(rèn)為，Dynamics是否應(yīng)該翻譯為動(dòng)力學(xué)值得商榷。

引力不是力

不僅量子力學(xué)與力無關(guān)，20世紀(jì)物理學(xué)的另一項(xiàng)偉大成就廣義相對(duì)論則指出：引力不是力（Gravity is not a force）。在物理學(xué)史上，引力（Gravitation或Gravity）的含義經(jīng)歷了數(shù)次演變。

Gravitation這個(gè)詞起源于拉丁語的Gravitas，即重量（Weight）的意思，其本意是指地球上物體的重力。后來，牛頓發(fā)現(xiàn)地球上物體的重力與宇宙天體之間的相互吸引力是同一種力，稱之為萬有引力（Universal Gravitation）。

牛頓的萬有引力定律取得了巨大的成功。從地球上萬物的運(yùn)動(dòng)，到宇宙天體的運(yùn)行，都能被萬有引力定律很好地解釋和計(jì)算。然而，牛頓并沒有解釋引力是怎么產(chǎn)生的，為什么引力是超距作用，即不接觸的兩個(gè)物體之間為什么會(huì)有力的作用？

20世紀(jì)初，愛因斯坦提出了一個(gè)全新的引力理論——廣義相對(duì)論。在廣義相對(duì)論中，引力被描述為時(shí)空的幾何曲率，將時(shí)空曲率與處于其中的物質(zhì)的質(zhì)量和能量聯(lián)系在一起。所謂引力，并不是一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)遙遠(yuǎn)的物體產(chǎn)生了神秘的超距作用，而是這個(gè)物體的質(zhì)量導(dǎo)致時(shí)空彎曲，而另一個(gè)物體只不過是沿著彎曲時(shí)空中距離最短的路線運(yùn)行而已。在平直的空間中，兩點(diǎn)間距離最短的路線是直線。在彎曲的空間中，兩點(diǎn)間距離最短的路線則是彎曲的?？雌饋硐袷怯袀€(gè)吸引力（Attractive Force）使得物體的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但實(shí)際上引力不是力，而是由時(shí)空彎曲導(dǎo)致物體運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變的一種效應(yīng)。

舉一個(gè)大家熟知的例子——地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)。按照經(jīng)典力學(xué)的解釋：太陽產(chǎn)生的引力作用在地球上，導(dǎo)致地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)，軌道為橢圓形。然而，廣義相對(duì)論提出了全新的解釋：太陽的巨大質(zhì)量使得它周圍的時(shí)空彎曲，地球沿著彎曲時(shí)空中距離最短的路線運(yùn)行，這個(gè)路線正是圍繞著太陽的一個(gè)橢圓軌道。因此，并不是遙遠(yuǎn)的太陽產(chǎn)生了一個(gè)力作用地球上。引力不是超距作用，而是時(shí)空彎曲的一個(gè)必然結(jié)果。既然引力不是力，更準(zhǔn)確的表述是“吸引相互作用”。引力是自然界的四種基本相互作用之一。

圖1：太陽的巨大質(zhì)量使得它周圍的時(shí)空彎曲，地球沿著彎曲時(shí)空中距離最短的路線運(yùn)行，這個(gè)路線正是圍繞著太陽的一個(gè)橢圓軌道。

場是物質(zhì)的根源

在現(xiàn)代物理中，力不再處于中心地位，場卻成為最重要的概念。

最早提出“場”這個(gè)概念的物理學(xué)家是法拉第。一百六十多年前，在劍橋大學(xué)物理系的報(bào)告廳，法拉第向公眾展示了磁鐵周圍的磁力線，首次提出了磁場的概念。法拉第用場（Field）這個(gè)詞，是因?yàn)樗?dāng)時(shí)想到了農(nóng)場里的田地。田地的英文單詞是Field。物理學(xué)中的場是指空間中的每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)都有一個(gè)物理量的數(shù)值，就像在田地的每個(gè)小土坑里播下種子。場這個(gè)詞很形象，被物理學(xué)家一直沿用至今。

19世紀(jì)末，麥克斯韋提出了統(tǒng)一描述電磁場（Electromagnetic Field）的理論，把電與磁緊密聯(lián)系在一起。變化的磁場產(chǎn)生電場， 變化的電場產(chǎn)生磁場，電磁場的能量以波的形式在空間傳播，從而預(yù)言了電磁波的存在。電磁波被赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。從此以后，物理學(xué)家確信電磁場是真實(shí)的存在，場的概念成為整個(gè)現(xiàn)代物理的范式。

20世紀(jì)初，愛因斯坦建立廣義相對(duì)論，揭示了時(shí)間、空間和引力的內(nèi)在聯(lián)系，將引力場詮釋為時(shí)空本身的彎曲，并預(yù)言了引力波的存在。引力波是指時(shí)空彎曲的漣漪，通過波的形式從引力源向外傳播。一百年后，LIGO觀測站證實(shí)了宇宙中存在引力波。

20世紀(jì)中后期，物理學(xué)家們從量子力學(xué)發(fā)展出量子場論。量子場論認(rèn)為，每種基本粒子（Elementary particle）都對(duì)應(yīng)著一種量子場（Quantum Field），基本粒子是量子場受到激發(fā)而產(chǎn)生的。也就是說，一切物質(zhì)和相互作用（引力除外）都起源于量子場。量子場是量子化的，能量是一份一份的。最小的一份能量單元，稱為量子（Quanta），正是在實(shí)驗(yàn)室中被觀測到的基本粒子。例如，傳播電磁相互作用的光子（Photon）是電磁場的量子，電磁場受到激發(fā)而產(chǎn)生光子。類似地，傳播強(qiáng)相互作用的膠子（Gluon）是膠子場的量子。不限于傳播相互作用的基本粒子，所有構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子也是量子場受到激發(fā)產(chǎn)生的。例如，電子場（Electron Field）受到激發(fā)產(chǎn)生電子，夸克場（Quark Field）受到激發(fā)產(chǎn)生夸克，等等。

真空并非真的空

最后來看一個(gè)名詞本身不能反映物理事實(shí)的例子——真空。

真空（Vacuum）是指一種不存在任何物質(zhì)的空間狀態(tài)。然而，根據(jù)量子場論，場的存在排除了絕對(duì)真空。即使空間中的所有物質(zhì)都移除了，仍有量子場存在。因?yàn)榱孔訄鲇袧q落，空間中仍然存在微小能量，能量和物質(zhì)是等價(jià)的，因而自然界中不存在絕對(duì)真空。真空態(tài)應(yīng)視為物質(zhì)的基態(tài)，即能量最低的狀態(tài)，但能量不為零。

作者簡介

陳少豪，清華大學(xué)物理學(xué)學(xué)士，清華大學(xué)原子分子物理博士，曾為美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校博士后研究員，先后在路易斯安那州立大學(xué)、波士頓大學(xué)任職，現(xiàn)在就職于麻省理工學(xué)院，從事高性能計(jì)算工作。

本文受科普中國·星空計(jì)劃項(xiàng)目扶持

出品：中國科協(xié)科普部

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