以高中物理教材为基础，对“物质”的认识过程进行剖析与阐述

蔡爵

摘 要：本文以高中物理教材为基础，结合大学物理部分内容，对物质的认识过程做了一个初步的剖析；同时也尝试通过对物质概念的阐述，将高中物理教材中经典物理与量子物理这两部分内容有机地结合到一起。

关键词：物质；实物；场；量子力学；量子场论

在高中阶段，物质被区分为实物和场两大类。然而，高中课本中并没有对物质的概念进行明确定义，只是提出“实物是由大量分子组成的”，而电场和磁场也仅被定义为一种客观实在。在这个阶段，实物和场有鲜明差异。随着高中物理学习的推进，特别是《物理（选修3-5）》量子论这部分知识的出现，实物与场之间的界限变得模糊，而且课本也没有明确对实物与场之间的关系进行解释。那么物质的这两种基本形态之间到底是什么关系呢？笔者试图对这个问题做进一步的剖析。

一、经典物理学中实物与场的定义与关系

经典物理学认为物质有实物和场两种基本形态。实物是指“具有静止质量的微观粒子以及由他们所组成的物体”，如质点、分子、原子等。其特点是有质量，有能量，有较为确定的界面，占据有限的空间等，是一种物质聚集的形态。而场是指“传递实物间相互作用的物质形态”，像自然界中存在的电场、磁场、电磁波、光、辐射等，其特点是无静止质量、有能量、波动性等。高中物理有四大主要模块：《物理（必修1）》和《物理（必修2）》中的质点的运动到牛顿定律（实物）；《物理（选修3-1）》和《物理（选修3-2）》中电荷、电流（实物）到电场、磁场、电磁波（场）的电磁学；《物理（选修3-3）》中的分子的热运动（实物）；《物理（选修3-4）》中的几何光学（实物）到电磁波（场）光学。从这几大模块的学习中，我们知道实物具有粒子性而场具有波动性，它们有鲜明的差异。以电磁场与实物为例：（1）电磁场是连续的，而实物是不连续的。（2）实物可以以任意速度在真空中运动，而电磁场在真空中却永远以光速运动。（3）实物占据的空间不能同时被另一实物占据（不可入性），但是几个电磁波却可以互相叠加。由此可见，实物和场是有着明显的不同的。在经典物理学看来，这两者从概念上是不能相容的。

二、近代物理学中实物与场的关系开始统一

随着物理学的发展以及黑体辐射、光电效应等问题的出现，量子化的观点开始被引入物理学中。爱因斯坦指出：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子后来被称为光子。按照爱因斯坦的理论建立的爱因斯坦光电效应方程解释了光电效应现象，而该方程式被美国科学家密立根通过试验所验证。这说明光作为一种电磁场不仅具有波动性，也具有粒子性。之后德布罗意的“物质波假设”说明实物粒子不仅具有粒子性，还具有波动性。这一部分内容在《物理（选修3-5）》中作了简要介绍，但比较抽象，学生课后多数表示不好理解，笔者在此作进一步的解释。

1925年，海森伯等人着眼于前期量子论的批判，发展矩阵力学。1926年，薛定谔根据德布罗意“物质波假设”建立了波动力学，并在不久后证明了基于波动性的波动力学与基于粒子性的矩阵力学在理论上等价，从而在理论上说明了实物粒子确实具有波粒二象性。这就使得实物与场之间的界限变得模糊起来。这两种理论后来融合为量子力学。量子力学是描述微观粒子运动的物理学科，在实物与场的两种形态中它侧重于实物的存在形态，阐述了实物与场的统一性。

爱因斯坦指出：“实物与场之间的区别，与其说是定性问题，倒不如说是定量的问题。实物是能量密度特别大的地方，场便是能量密度小的地方。把实物和场看作是彼此完全不同性质的两种东西是毫无意义的。”

三、现代物理学中实物与场的关系向“场是唯一的实在”发展

爱因斯坦设想，从“质能相当”出发，实物与场无定性区别，所以可否设想将实物归于场，“场是唯一的实在”。他提出，能否实现这一设想的关键是物理学理论的研究上要达到“改变场的定律，使它在能量密度极大的地方仍不至失效。”因为我们发现经典物理学的引力定律或者库仑定律等结构定律在场源存在的地方，即实物或带电体本身所在的地方便失效了。（场源问题高中课本是回避的，但是一部分物理程度较好的同学在课后会提出这个问题。）他说：“能否放弃实物概念而建立起纯粹是场的物理学？在这种物理学中，不容许有场和实物两种实在，场是唯一的实在，实物是空间中场特别强的一些区域。”

近年来，在量子力学与相对论基础上发展起来的量子场论在这方面取得了一定的成果：将实物归于场，场是更基本的物质存在形态。它强调了“相互作用场”的波粒二象性，也提出了“实物粒子场”，实现实物与场在概念上的统一。

在量子场论中关于物质存在的基本形式的观点是：

1.在物质存在的两种形态中，场是更基本的物质存在形态。这表现为任何一种粒子（包括实物粒子和媒介粒子）均对应一种场，我们称为“量子场”，粒子称为对应的“场量子”。实物粒子不过是场处于激发状态的表现。因此一个粒子对应一种量子场的激发状态。

2.量子场可以分为两类，它们对应的场量子不同。实物粒子场（如电子场、中子场等）：对应的场量子为实物粒子（轻子、夸克）。相互作用场（引力场、电磁场、弱相互作用场、强相互作用场）：对应的场量子为媒介粒子（引力子、光子、中间玻色子、胶子等）。这部分玻色子、胶子等粒子知识出现于《物理（选修3-5）》“粒子与宇宙”这一节，内容较为抽象，学生在课后也对此表示难以理解。

3.真空态是各种量子场均处于基态的状态。因此不存在任何物理粒子，只表现为场的一种物质存在形态，这进一步说明了场较各种粒子来说是更基本的形态。

4.物质间的相互作用表现为场之间的相互作用，粒子间的相互作用也表现为场之间的相互作用。实物粒子场间的相互作用在很多时候是通过相互作用场来传递的，也就是通过交换相应的相互作用场量子来实现。例如：物质间的引力相互作用是通过交换引力子来实现，带电粒子间的电磁相互作用是通过交换光子来实现。夸克间的相互作用是通过胶子来传递的。

5.在物理学理论上能够初步达到用场的运动规律去描述粒子的运动。从理论上初步做到了“场是唯一的实在”。在量子场论中，粒子间的相互作用就是相应量子场间的相互作用。一个量子场的“激发”即反映了粒子的产生，一个量子场的“去激发”即反映了粒子的消失。因此，量子场的相互作用是粒子产生、湮灭、相互转化的根源和机制。场是作为物质存在的更基本形态。

量子场论已经取得了初步的成功，并且还在继续发展。经典物理学发展到量子物理学的过程，是物理学研究从宏观进入到微观的过程，也是人们不断寻求对物质终极本性的理解过程。

总之，现阶段的高中课本在注重经典物理学内容的同时，关于量子物理这部分内容的设置比重比以往明显增多了。如：在《物理（选修3-5）》章节中安排了光的粒子性、粒子的波动性、概率波、不确定性关系、粒子和宇宙等，《物理（选修3-5）》的“科学漫步”中简要介绍了量子力学。《物理（选修3-5）》的“STS”是“从量子力学的诞生看科学技术与社会”。通过对量子物理知识的渗透，给学生在适当的地方开设“窗口”，开阔学生的视野，激发学生的学生热情，引导学生自主钻研，体现了新课改的时代性、基础性和选择性。但是这部分内容在课本中知识较为分散，缺乏连贯性，不易理解。因此笔者在课本内容的基础上结合部分大学物理内容，以学界对物质的形态认识过程为时间线索，将经典物理向量子物理的发展和物理学的研究从宏观进入到微观的过程做了一个较为浅显的剖析与阐述。

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