以高中物理教材為基礎(chǔ)，對“物質(zhì)”的認(rèn)識過程進(jìn)行剖析與闡述

蔡爵

摘 要：本文以高中物理教材為基礎(chǔ)，結(jié)合大學(xué)物理部分內(nèi)容，對物質(zhì)的認(rèn)識過程做了一個(gè)初步的剖析；同時(shí)也嘗試通過對物質(zhì)概念的闡述，將高中物理教材中經(jīng)典物理與量子物理這兩部分內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合到一起。

關(guān)鍵詞：物質(zhì)；實(shí)物；場；量子力學(xué)；量子場論

在高中階段，物質(zhì)被區(qū)分為實(shí)物和場兩大類。然而，高中課本中并沒有對物質(zhì)的概念進(jìn)行明確定義，只是提出“實(shí)物是由大量分子組成的”，而電場和磁場也僅被定義為一種客觀實(shí)在。在這個(gè)階段，實(shí)物和場有鮮明差異。隨著高中物理學(xué)習(xí)的推進(jìn)，特別是《物理（選修3-5）》量子論這部分知識的出現(xiàn)，實(shí)物與場之間的界限變得模糊，而且課本也沒有明確對實(shí)物與場之間的關(guān)系進(jìn)行解釋。那么物質(zhì)的這兩種基本形態(tài)之間到底是什么關(guān)系呢？筆者試圖對這個(gè)問題做進(jìn)一步的剖析。

一、經(jīng)典物理學(xué)中實(shí)物與場的定義與關(guān)系

經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為物質(zhì)有實(shí)物和場兩種基本形態(tài)。實(shí)物是指“具有靜止質(zhì)量的微觀粒子以及由他們所組成的物體”，如質(zhì)點(diǎn)、分子、原子等。其特點(diǎn)是有質(zhì)量，有能量，有較為確定的界面，占據(jù)有限的空間等，是一種物質(zhì)聚集的形態(tài)。而場是指“傳遞實(shí)物間相互作用的物質(zhì)形態(tài)”，像自然界中存在的電場、磁場、電磁波、光、輻射等，其特點(diǎn)是無靜止質(zhì)量、有能量、波動(dòng)性等。高中物理有四大主要模塊：《物理（必修1）》和《物理（必修2）》中的質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)到牛頓定律（實(shí)物）；《物理（選修3-1）》和《物理（選修3-2）》中電荷、電流（實(shí)物）到電場、磁場、電磁波（場）的電磁學(xué)；《物理（選修3-3）》中的分子的熱運(yùn)動(dòng)（實(shí)物）；《物理（選修3-4）》中的幾何光學(xué)（實(shí)物）到電磁波（場）光學(xué)。從這幾大模塊的學(xué)習(xí)中，我們知道實(shí)物具有粒子性而場具有波動(dòng)性，它們有鮮明的差異。以電磁場與實(shí)物為例：（1）電磁場是連續(xù)的，而實(shí)物是不連續(xù)的。（2）實(shí)物可以以任意速度在真空中運(yùn)動(dòng)，而電磁場在真空中卻永遠(yuǎn)以光速運(yùn)動(dòng)。（3）實(shí)物占據(jù)的空間不能同時(shí)被另一實(shí)物占據(jù)（不可入性），但是幾個(gè)電磁波卻可以互相疊加。由此可見，實(shí)物和場是有著明顯的不同的。在經(jīng)典物理學(xué)看來，這兩者從概念上是不能相容的。

二、近代物理學(xué)中實(shí)物與場的關(guān)系開始統(tǒng)一

隨著物理學(xué)的發(fā)展以及黑體輻射、光電效應(yīng)等問題的出現(xiàn)，量子化的觀點(diǎn)開始被引入物理學(xué)中。愛因斯坦指出：光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子組成的，這些能量子后來被稱為光子。按照愛因斯坦的理論建立的愛因斯坦光電效應(yīng)方程解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象，而該方程式被美國科學(xué)家密立根通過試驗(yàn)所驗(yàn)證。這說明光作為一種電磁場不僅具有波動(dòng)性，也具有粒子性。之后德布羅意的“物質(zhì)波假設(shè)”說明實(shí)物粒子不僅具有粒子性，還具有波動(dòng)性。這一部分內(nèi)容在《物理（選修3-5）》中作了簡要介紹，但比較抽象，學(xué)生課后多數(shù)表示不好理解，筆者在此作進(jìn)一步的解釋。

1925年，海森伯等人著眼于前期量子論的批判，發(fā)展矩陣力學(xué)。1926年，薛定諤根據(jù)德布羅意“物質(zhì)波假設(shè)”建立了波動(dòng)力學(xué)，并在不久后證明了基于波動(dòng)性的波動(dòng)力學(xué)與基于粒子性的矩陣力學(xué)在理論上等價(jià)，從而在理論上說明了實(shí)物粒子確實(shí)具有波粒二象性。這就使得實(shí)物與場之間的界限變得模糊起來。這兩種理論后來融合為量子力學(xué)。量子力學(xué)是描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的物理學(xué)科，在實(shí)物與場的兩種形態(tài)中它側(cè)重于實(shí)物的存在形態(tài)，闡述了實(shí)物與場的統(tǒng)一性。

愛因斯坦指出：“實(shí)物與場之間的區(qū)別，與其說是定性問題，倒不如說是定量的問題。實(shí)物是能量密度特別大的地方，場便是能量密度小的地方。把實(shí)物和場看作是彼此完全不同性質(zhì)的兩種東西是毫無意義的?！?/p>

三、現(xiàn)代物理學(xué)中實(shí)物與場的關(guān)系向“場是唯一的實(shí)在”發(fā)展

愛因斯坦設(shè)想，從“質(zhì)能相當(dāng)”出發(fā)，實(shí)物與場無定性區(qū)別，所以可否設(shè)想將實(shí)物歸于場，“場是唯一的實(shí)在”。他提出，能否實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想的關(guān)鍵是物理學(xué)理論的研究上要達(dá)到“改變場的定律，使它在能量密度極大的地方仍不至失效?！币?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)經(jīng)典物理學(xué)的引力定律或者庫侖定律等結(jié)構(gòu)定律在場源存在的地方，即實(shí)物或帶電體本身所在的地方便失效了。（場源問題高中課本是回避的，但是一部分物理程度較好的同學(xué)在課后會(huì)提出這個(gè)問題。）他說：“能否放棄實(shí)物概念而建立起純粹是場的物理學(xué)？在這種物理學(xué)中，不容許有場和實(shí)物兩種實(shí)在，場是唯一的實(shí)在，實(shí)物是空間中場特別強(qiáng)的一些區(qū)域。”

近年來，在量子力學(xué)與相對論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的量子場論在這方面取得了一定的成果：將實(shí)物歸于場，場是更基本的物質(zhì)存在形態(tài)。它強(qiáng)調(diào)了“相互作用場”的波粒二象性，也提出了“實(shí)物粒子場”，實(shí)現(xiàn)實(shí)物與場在概念上的統(tǒng)一。

在量子場論中關(guān)于物質(zhì)存在的基本形式的觀點(diǎn)是：

1.在物質(zhì)存在的兩種形態(tài)中，場是更基本的物質(zhì)存在形態(tài)。這表現(xiàn)為任何一種粒子（包括實(shí)物粒子和媒介粒子）均對應(yīng)一種場，我們稱為“量子場”，粒子稱為對應(yīng)的“場量子”。實(shí)物粒子不過是場處于激發(fā)狀態(tài)的表現(xiàn)。因此一個(gè)粒子對應(yīng)一種量子場的激發(fā)狀態(tài)。

2.量子場可以分為兩類，它們對應(yīng)的場量子不同。實(shí)物粒子場（如電子場、中子場等）：對應(yīng)的場量子為實(shí)物粒子（輕子、夸克）。相互作用場（引力場、電磁場、弱相互作用場、強(qiáng)相互作用場）：對應(yīng)的場量子為媒介粒子（引力子、光子、中間玻色子、膠子等）。這部分玻色子、膠子等粒子知識出現(xiàn)于《物理（選修3-5）》“粒子與宇宙”這一節(jié)，內(nèi)容較為抽象，學(xué)生在課后也對此表示難以理解。

3.真空態(tài)是各種量子場均處于基態(tài)的狀態(tài)。因此不存在任何物理粒子，只表現(xiàn)為場的一種物質(zhì)存在形態(tài)，這進(jìn)一步說明了場較各種粒子來說是更基本的形態(tài)。

4.物質(zhì)間的相互作用表現(xiàn)為場之間的相互作用，粒子間的相互作用也表現(xiàn)為場之間的相互作用。實(shí)物粒子場間的相互作用在很多時(shí)候是通過相互作用場來傳遞的，也就是通過交換相應(yīng)的相互作用場量子來實(shí)現(xiàn)。例如：物質(zhì)間的引力相互作用是通過交換引力子來實(shí)現(xiàn)，帶電粒子間的電磁相互作用是通過交換光子來實(shí)現(xiàn)?？淇碎g的相互作用是通過膠子來傳遞的。

5.在物理學(xué)理論上能夠初步達(dá)到用場的運(yùn)動(dòng)規(guī)律去描述粒子的運(yùn)動(dòng)。從理論上初步做到了“場是唯一的實(shí)在”。在量子場論中，粒子間的相互作用就是相應(yīng)量子場間的相互作用。一個(gè)量子場的“激發(fā)”即反映了粒子的產(chǎn)生，一個(gè)量子場的“去激發(fā)”即反映了粒子的消失。因此，量子場的相互作用是粒子產(chǎn)生、湮滅、相互轉(zhuǎn)化的根源和機(jī)制。場是作為物質(zhì)存在的更基本形態(tài)。

量子場論已經(jīng)取得了初步的成功，并且還在繼續(xù)發(fā)展。經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到量子物理學(xué)的過程，是物理學(xué)研究從宏觀進(jìn)入到微觀的過程，也是人們不斷尋求對物質(zhì)終極本性的理解過程。

總之，現(xiàn)階段的高中課本在注重經(jīng)典物理學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，關(guān)于量子物理這部分內(nèi)容的設(shè)置比重比以往明顯增多了。如：在《物理（選修3-5）》章節(jié)中安排了光的粒子性、粒子的波動(dòng)性、概率波、不確定性關(guān)系、粒子和宇宙等，《物理（選修3-5）》的“科學(xué)漫步”中簡要介紹了量子力學(xué)。《物理（選修3-5）》的“STS”是“從量子力學(xué)的誕生看科學(xué)技術(shù)與社會(huì)”。通過對量子物理知識的滲透，給學(xué)生在適當(dāng)?shù)牡胤介_設(shè)“窗口”，開闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)生熱情，引導(dǎo)學(xué)生自主鉆研，體現(xiàn)了新課改的時(shí)代性、基礎(chǔ)性和選擇性。但是這部分內(nèi)容在課本中知識較為分散，缺乏連貫性，不易理解。因此筆者在課本內(nèi)容的基礎(chǔ)上結(jié)合部分大學(xué)物理內(nèi)容，以學(xué)界對物質(zhì)的形態(tài)認(rèn)識過程為時(shí)間線索，將經(jīng)典物理向量子物理的發(fā)展和物理學(xué)的研究從宏觀進(jìn)入到微觀的過程做了一個(gè)較為淺顯的剖析與闡述。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)中心.物理（選修3-3）（人教版）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)中心.物理（選修3-1）（人教版）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)中心.物理（選修3-5）（人教版）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[4]李忠，齊淑靜.物理學(xué)概念教學(xué)研究[M].長沙：湖南教育出版社，2000.

[5]人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)中心.物理（必修1）（人教版）[M].北京：人民教育出版社，2004.

[6]人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)中心.物理（必修2）（人教版）[M].北京：人民教育出版社，2004.

[7]人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)心.物理（選修3-2）（人教版）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[8]趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程——量子物理[M].北京：高等教育出版社，2001.

[9]熊鈺慶，何寶鵬.量子力學(xué)導(dǎo)論[M].廣東：廣東高等教育出版社，2000.

[10]關(guān)洪.量子力學(xué)的基本概念[M].北京：高等教育出版社，1994.