較真物理學名詞：力與場的若干概念_風聞

開篇辭

20世紀哲學的重要分支——分析哲學，把對語言的研究置於哲學的中心地位。分析哲學的代表人物維特根斯坦指出，哲學是錯誤地使用日常語言的結果。這種錯誤並不在論證的命題及其邏輯關係上，而是在論證所使用的語言上。在物理學中，對語言的使用同樣重要。

在科學研究中，科學家每次發現新的自然現象或提出新的科學概念，都會創造專有名詞來命名。命名好了，可讓人“望文生義”，幫助理解。複雜的現象、艱深的概念會因為直觀易懂的名字而讓人銘記。有些科學名詞引人入勝，激起人們的好奇心和探索欲。如果命名不好，會讓人或產生誤解，或望文卻步。

在創造專有名詞時，一個原則是要揭示事物的本質或指出其最重要的特性。新生事物剛出現的時候，科學家根據當時的理解而命名之。然而，隨着科學的不斷發展，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。但由於該名詞已經被人們廣泛使用，要改過來就不容易了。這種情況在科學史上屢見不鮮。

現代科學起源於西方，科學名詞大多首先以西文的形式出現。翻譯成中文時，做到信雅達很重要。翻譯的方法無非兩種：意譯和音譯。中文的科學名詞大都採用意譯。舉幾個物理學的例子，電子（Electron），字面上的意思是帶電的粒子，準確地説是帶有單位負電荷的基本粒子。中子（Neutron）是原子核裏面一種電中性的粒子。質子（Proton）的詞義是集中了原子核大部分質量的粒子，但實際上，原子核裏面中子與質子的質量很接近。

音譯的名詞，詞義不夠直觀，卻有個好處，可以避免不必要的望文生義。有些概念包含複雜的意思，很難用一個簡單的詞來概括，採用音譯反而效果更佳。例如，夸克是英文Quark的音譯。夸克是構成核子（即中子和質子）的基本粒子。夸克的英文原意是一種海鷗的叫聲，物理學家蓋爾曼從文學作品中得到靈感而命名之。按意譯的方式，有些中國物理學家稱夸克為“層子”，在台灣亦曾翻譯為“虧子”，但這些譯名都沒有得到普遍使用。

筆者將對物理學中的一些重要名詞作一番“咬文嚼字”，細究其詞義，探討背後深刻的物理含義。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或特性。有些名詞，因歷史原因而偏離了本質，容易讓人產生曲解。本文首先探討與力和場相關的若干名詞。

——作者

撰文 | 陳少豪（美國麻省理工學院）

力學不一定與力有關

力學（Mechanics）是物理學中最重要的分支。隨着物理學的發展，力學的內容不斷更新變化。現代物理中，有些以力學為名的學科甚至與力沒什麼關係。

Mechanics這個詞源自希臘語，本意是指與機械或機器（Machine）有關的事物。後來其詞義逐漸演變為探究物體機械運動本質的學問。衍生的單詞Mechanism則指機制、機理。

17世紀，牛頓提出著名的三大定律，以牛頓三大定律為基礎的力學被後世稱為經典力學（Classical Mechanics）。值得注意的是，牛頓在其名著《自然哲學的數學原理》中幾乎沒有怎麼用到Mechanics一詞。

經典力學主要研究物體的受力、動量、能量，以及它們之間關係。例如，牛頓第二定律如是説：物體所受到的外力等於其慣性質量與加速度的乘積。在經典力學裏面，力是核心概念，物體的受力是決定其運動的主要因素，因此將Mechanics翻譯為力學很合理。

18世紀，數學家發展了分析力學（Analytical Mechanics），用更基礎的數學形式重新描述了經典力學，牛頓定律被表述為等價的數學形式——拉格朗日方程、哈密頓方程。在分析力學中，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，量子力學（Quantum Mechanics）問世後，更是徹底地拋棄了力（Force）的概念。量子力學中完全沒有經典力學中的力，而是保留了質量、能量、動量等概念。

英文中的Mechanics一詞與Force一詞在詞義上並無直接聯繫，而且現代物理中很多以Mechanics為名的學科裏面已經沒有了力的概念，那麼問題來了，Mechanics是否還應該翻譯成力學呢？

由於Mechanics的詞義經歷了許多歷史演變，要找一箇中文詞準確地表述其所有含義，並非易事。沿用人們習慣的“力學”這個詞，不失為一種很好的選擇。

再來看一個例子，Kinetics是經典力學的一個分支，指研究運動的起因、特別是運動與力的關係的學問，中文翻譯是動力學。在現代很多英文文獻和教科書中，Kinetics這個詞被另一個詞Dynamics取代。Dynamics研究物理系統隨時間的變化，以及其背後的原因。在中文文獻中，Dynamics仍翻譯為動力學。例如，Electrodynamics，即電磁場隨時間變化的規律的學問，翻譯為電動力學。在現代物理中，造成物理系統演化的原因與力沒有直接關係，因此作者認為，Dynamics是否應該翻譯為動力學值得商榷。

引力不是力

不僅量子力學與力無關，20世紀物理學的另一項偉大成就廣義相對論則指出：引力不是力（Gravity is not a force）。在物理學史上，引力（Gravitation或Gravity）的含義經歷了數次演變。

Gravitation這個詞起源於拉丁語的Gravitas，即重量（Weight）的意思，其本意是指地球上物體的重力。後來，牛頓發現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。從地球上萬物的運動，到宇宙天體的運行，都能被萬有引力定律很好地解釋和計算。然而，牛頓並沒有解釋引力是怎麼產生的，為什麼引力是超距作用，即不接觸的兩個物體之間為什麼會有力的作用？

20世紀初，愛因斯坦提出了一個全新的引力理論——廣義相對論。在廣義相對論中，引力被描述為時空的幾何曲率，將時空曲率與處於其中的物質的質量和能量聯繫在一起。所謂引力，並不是一個物體對另一個遙遠的物體產生了神秘的超距作用，而是這個物體的質量導致時空彎曲，而另一個物體只不過是沿着彎曲時空中距離最短的路線運行而已。在平直的空間中，兩點間距離最短的路線是直線。在彎曲的空間中，兩點間距離最短的路線則是彎曲的。看起來像是有個吸引力（Attracive Force）使得物體的運動方向發生偏轉，但實際上引力不是力，而是由時空彎曲導致物體運動軌跡發生改變的一種效應。

舉一個大家熟知的例子——地球圍繞太陽公轉。按照經典力學的解釋：太陽產生的引力作用在地球上，導致地球圍繞太陽公轉，軌道為橢圓形。然而，廣義相對論提出了全新的解釋：太陽的巨大質量使得它周圍的時空彎曲，地球沿着彎曲時空中距離最短的路線運行，這個路線正是圍繞着太陽的一個橢圓軌道。因此，並不是遙遠的太陽產生了一個力作用地球上。引力不是超距作用，而是時空彎曲的一個必然結果。既然引力不是力，更準確的表述是“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：太陽的巨大質量使得它周圍的時空彎曲，地球沿着彎曲時空中距離最短的路線運行，這個路線正是圍繞着太陽的一個橢圓軌道。

場是物質的根源

在現代物理中，力不再處於中心地位，場卻成為最重要的概念。

最早提出“場”這個概念的物理學家是法拉第。一百六十多年前，在劍橋大學物理系的報告廳，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）這個詞，是因為他當時想到了農場裏的田地。田地的英文單詞是Field。物理學中的場是指空間中的每個座標點都有一個物理量的數值，就像在田地的每個小土坑裏播下種子。場這個詞很形象，被物理學家一直沿用至今。

19世紀末，麥克斯韋提出了統一描述電磁場（Electromagnetic Field）的理論，把電與磁緊密聯繫在一起。變化的磁場產生電場， 變化的電場產生磁場，電磁場的能量以波的形式在空間傳播，從而預言了電磁波的存在。電磁波被赫茲的實驗證實。從此以後，物理學家確信電磁場是真實的存在，場的概念成為整個現代物理的範式。

20世紀初，愛因斯坦建立廣義相對論，揭示了時間、空間和引力的內在聯繫，將引力場詮釋為時空本身的彎曲，並預言了引力波的存在。引力波是指時空彎曲的漣漪，通過波的形式從引力源向外傳播。一百年後，LIGO觀測站證實了宇宙中存在引力波。

20世紀中後期，物理學家們從量子力學發展出量子場論。量子場論認為，每種基本粒子（Elementary particle）都對應着一種量子場（Quantum Field），基本粒子是量子場受到激發而產生的。也就是説，一切物質和相互作用（引力除外）都起源於量子場。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），正是在實驗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，電磁場受到激發而產生光子。類似地，傳播強相互作用的膠子（Gluon）是膠子場的量子。不限於傳播相互作用的基本粒子，所有構成物質的基本粒子也是量子場受到激發產生的。例如，電子場（Electron Field）受到激發產生電子，夸克場（Quark Field）受到激發產生夸克，等等。

真空並非真的空

最後來看一個名詞本身不能反映物理事實的例子——真空。

真空（Vacuum）是指一種不存在任何物質的空間狀態。然而，根據量子場論，場的存在排除了絕對真空。即使空間中的所有物質都移除了，仍有量子場存在。因為量子場有漲落，空間中仍然存在微小能量，能量和物質是等價的，因而自然界中不存在絕對真空。真空態應視為物質的基態，即能量最低的狀態，但能量不為零。

作者簡介

陳少豪，清華大學物理學學士，清華大學原子分子物理博士，曾為美國科羅拉多大學博爾德分校博士後研究員，先後在路易斯安那州立大學、波士頓大學任職，現在就職於麻省理工學院，從事高性能計算工作。

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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