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力场的基本概念和电影里面的介绍不同，需要追溯到科幻小说的鼎盛时期。英国科学家迈克尔·法拉第早在19世纪早期就提出，磁可以被设想为看不见的力场。电线在磁场中移动，电线切割想象出来的磁力线，产生出电流。力场将其他基本力也包括其中，再加上法拉第的想法有了数学依据，使得场成为现代科学的基本概念。
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场是事物——任何在时空中有数值的事物——的抽象图像。（理论上，你可以想象世界上有无数个场，只不过有些场在所有点的值都为0，哲学家闲来无事会以此为乐。）可以用海拔的概念来理解场。在地球上的任何一点，海拔都是一个数值，不同地方的海拔高度是不一样的。你可以想象场就是时空组成的一系列数值，在场中的不同地方，数字也不同。如果你把一个物体放在地球上“海拔场”很强的位置上（我们管它叫“高的地方”），同时这个位置周围都是弱的“海拔场”，那么在场的作用下，物体就会把势能转化为动能。在现实世界中，物体会沿着坡滚下来。场的概念基本上就是这样，我们更多的是利用场的概念进行计算。
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在现代物理中，场的概念在解释自然界四力和基本粒子的本质及相互作用（所谓的“标准模型”）时无处不在。即便是大名鼎鼎的希格斯玻色子，也不过是延展时空中的另一种场——希格斯场——的展现。不经常接触物理学的人可能会认为场不如我们更熟悉的粒子和波更易理解，但这3个概念都可以用来描述所见的东西，它们都是科学家的模型。每种模型都适用于某些情况，在现代物理学所用到的数学工具中，场是一种较为有效的思考方式。
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光可以被视为场概念的应用形式。光不是量子电动力学中描述的真正的粒子，不是我们在学校里学到的波，也不是光场中的一个扰动，尽管科学家现在常这么认为。光就是光，光在我们不能直接观察或描述的量子级别上运行。光打在镜子上，不像网球打在墙上，也不像海水拍打在岩石上。后面两种情况都涉及具象的物体，可以帮助我们描绘到底发生了什么，但这都不是光真正的样子。光也不是由场中的扰动导致，这不过是另一种能够产生可靠结果的数学模型。
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粒子、波和场都是抽象的模型，科学家可以通过它们了解世界。科学家有时候使用波模型，有时候则使用粒子模型。从数学的角度看，场模型更普适，但也更难理解，特别是对那些非专业人士来说。每种方法都有各自的用途，没有一种方法能解释世界的所有问题。
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科学家所说的“力场”和科幻作品中使带电粒子远离飞船的电磁场有相似之处。但是科幻作品中的力场要能阻止一切靠近飞船的东西。理想的概念可能是负引力场，因为引力的产生与粒子带不带电没有关系。但是我们其实不太知道如何操控重力。即便我们能造出一个产生引力的机器，也只能产生吸引力而不是排斥力。
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事实上，我们很难在真实科学中为力场找到依据。但如果是为了防御死光（科幻作品里的典型武器）的攻击，我们也不是无路可走。本书第16章要讲的隐形护盾可以让飞船隐形，也能让飞船远离光学武器的威胁。（科幻作家很少意识到隐形装置也能用作对抗射线武器的护盾。）但是电磁防护只能屏蔽带电粒子的干扰，所以未来世界中真实的宇宙飞船仍要像今天的主力舰一样全副武装才行。
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科幻作品中的另一个惯用伎俩——牵引光束，事实上是与上文相反的力场，即把物体朝宇宙飞船方向吸引过来的场。乍一看，这好像更容易实现。牵引光束在科幻作品中的出现已经有100多年的历史了，也许是从相互吸引的磁铁那里得到的灵感。磁现象从中世纪开始被研究，但是直到19世纪真相才逐渐浮出水面：磁和电一样，都是电磁现象的一部分。
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牵引光束的一个早期例子出现在儒勒·凡尔纳的《流星追逐记》（The Hunt for the Meteor）里，这部书在他去世后于1908年出版。书中的“中性螺旋线”被用来牵引书名中提到的流星，并把流星带回地球。这个中性螺旋线看起来像是由凡尔纳的儿子迈克尔在完成父亲遗作时加上去的。中性螺旋线具备牵引光束的通常特性，这个概念更接近于魔术，而不是科学。除此之外，实在是没有什么好的理由能解释牵引光束具备的强大吸引力了。
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“牵引光束”虽然不像力场那样在科幻领域以外被人熟知，但是这个词从首次出现在雨果·根斯巴克创办的科幻杂志《惊奇故事》（Amazing Stories）中后，便经常出现在科幻作品中。1931年7月，爱德华·埃尔默·史密斯的小说《星际公司的太空猎犬》（Spacehounds of IPC）在《惊奇故事》上刊出，其中反复出现了在太空中操纵大型物体的场景。牵引光束也被称作“牵引杆”和“牵引场”，但后两个称呼不像牵引光束对读者有那么大的吸引力。事实上这并不让人吃惊，就像许多太空歌剧中使用的航海类比一样（想想“企业”号的命名方法），牵引光束更像“泊船用的抓钩”的同类物。
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牵引光束以非实体的场的形式存在，它和抓钩类似的功能也有一个最大的问题，即它根本没有科学依据。我们深谙激光武器的作用原理：激光武器打中物体的时候，从远距离给物体施加了一个推力。但是，拉力和推力完全不一样。拉力需要施力方和目标物体之间有吸引力，比如用磁铁拉动金属物体（虽然把磁力聚合成一个光束不太可能），但用磁铁拉动石头就不可能。
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如果有介质参与，那么形成拉力就简单得多。2014年，澳大利亚国立大学的一个研究小组在水面上实现了“牵引光束”。科研人员发现，当用一种平时看来非常不恰当的方式使用“制波浪机”——一个周期性浸入水中的滚筒时，他们能够在水面上制造出一种拉力。在最简单的慢速情况下，波会远离制波浪机，但当设备的速度加快时，系统内会产生一种振荡模式——小波浪之间相互作用，波会带着水向着制波浪机的方向运动，带动系统内的其他物质也一起运动。这个技术也许会被用来制造以水为介质的牵引光束，从而吸引溢油或者其他杂质向想要的方向运动。但在太空中，牵引光束没有介质，因此必须依赖基本力，比如重力或电磁力。
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重力作为我们日常生活中最常见也最容易被忽略的引力，不能用于产生牵引光束的原因有很多。首先，重力太弱了。我们常会忘记这一点，因为我们在类似太阳和地球的极其庞大的星体上都会感受到重力。但是和电磁力相比，重力微乎其微，电磁力通常相当于重力的1036倍。除非能增加星球的引力，不然我们基本上无法利用重力。其次，重力不能收集，也不能被屏蔽。重力不受承载介质的影响，即便可以产生强有力的重力牵引光束，它也会对所有方向产生作用，不仅拉住你想拉住的宇宙飞船，而且会将飞船周围的一切杂质也一并拉住。
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虽然电磁力比重力强很多，但是电磁力也不适用于产生牵引光束。重力只会吸引，而电磁力既能吸引也能排斥。更糟糕的是，对于绝缘体来说，电磁力完全没有任何作用。从理论上说，宇宙飞船可以受到电磁力的吸引，但是如何汇聚电磁力依然是一个问题，而且电磁引力会随着距离的增大快速地减弱，所以在几英尺[1]以外的地方也许电磁力牵引光束就没有效用了。
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牵引光束有一个实现方法，那就是用特制的激光。光能产生压力，因为光中的光子没有质量，但却有能量，这意味着光子有动量。因此，和光子相撞的物体会受到推力的作用。“光压”是真实存在的，这也是“太阳帆”的工作原理。这些大约有几千米长的非常薄的金属化塑料板，利用光压为空间探测器加速，这也许会是未来空间旅行的加速原理。光压最开始在彗星的尾巴中被发现，彗星的尾巴永远指向远离太阳的方向，这意味着它受到了某种源于太阳的力的影响。
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我们一度以为类似“克鲁克斯辐射计”或“光压风车”的小仪器可以展示光压原理。这些仪器看起来像老式的电灯泡，但其内部并不是钨丝，而是由自由旋转枢轴带动的4个“帆”或“桨”——一侧的两个是黑色的，另一侧的两个是白色的。当这个仪器被放置在强光下时，旋转枢轴将带动桨转动。理论上，这可以用来展示光压原理，因为白色桨会反射光，黑色桨会吸收光。但桨是按照与预期相反的方向转动的。黑色桨吸收光、温度增加，把热传递给周围的空气分子，空气分子加速运动，把动量传递到黑色桨上，于是浆开始转动。
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激光为如何利用光和物质的互动提供了一种全新的机制，有很多方法可以实现，其中的一些方法需要改造被“牵引光束”拉动的物体的周围环境。比如，被拉动的物体要被“超材料”环绕，超材料和光相互作用，使超材料中的元素对该物体产生拉力。或者，把被拉动的物体做成一面背对着激光的镜子，同时物体需要被有反射功能的介质粒子包围。射向物体的激光会首先被物体周围的粒子反射，然后这些反射光才会击中镜面（镜面是背对光源的）。因为这些击中镜面的光会比击中反光性较差的镜子背面的光产生的光压大，所以镜子会在向着光源的方向受到牵引。
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另一种可行的方法是制作一种特殊材质。激光照在这个材质上产生的前向散射力极其强烈（仅限于大部分光都能穿透物质的情况），这些光产生的向后的光压比激光本身打在物质上产生的向前的光压要大得多，所以物体就会趋向激光源。2014年，堪培拉的澳大利亚国家实验室的科研人员利用一个类似的概念，使甜甜圈形状的激光束成功地移动了小玻璃球。他们用激光加热中空的玻璃球，当玻璃球表面受热到一定程度时，和玻璃球表面接触的空气分子就会获得更多的能量。
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当空气分子被推离玻璃球表面时，其反作用力会将玻璃球推往相反的方向。事实上，这正是可控的布朗运动。正是布朗运动的机制使得花粉在水面上做不规则的活动，好像花粉有生命一样。爱因斯坦解释说，这是看不见的水分子与花粉碰撞产生的运动。激光牵引光束的一个有趣的方面是，玻璃球表面受热的位置可以通过激光的偏振原理发生改变，因此玻璃球可以向任意方向运动。
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激光牵引光束可以借由超材料和玻璃球来实现，但是这些对于重现科幻作品中在真空中拖拽宇宙飞船的牵引光束来说是没有用的，因为这些激光方法需要特殊的环境（至少有空气），或者被拖拽的物体是由特殊材质制成的。而真正的牵引光束应该可以在真空中牵引任何物体。
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还有一种可能是让特殊的旋转光相互作用，形成类似阿基米德螺旋线的形状，产生能把物体往后拽的螺旋形的力。这很容易让人联想到凡尔纳的“螺旋线”，这个机制作用的前提是被拉动的物体要小于光的波长。于是，“第22条军规”出现了：只有高能量的光才能产生足够的动量去移动一个还不算小的物体；然而，能量越高，光的波长越短，所以被拉动的物体必须非常小，甚至小到肉眼不可见的程度。
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也许实现真正的牵引光束要寄希望于利用激光间的相互作用改变激光前端的形状，从而在任意形状的物体上产生类似衍射光栅的效果，最终改变入射光的方向。把上述机制和目标物体的形状综合起来考虑，理论上是可以对任意形状、任意大小的物体产生吸引力的，包括宇宙飞船或者流星。这个过程需要两步，首先要模拟目标物体，计算需要的光的强度和方向，这和科幻小说中使用牵引光束之前要“锁定参数”的常见场景很相似。
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如何使光的能量大到足以让物体以一定的速度在太空中运动，这一问题尚未解决。入射光束必须比太阳光更聚集，才能产生可用的光压，这意味着在这个过程中产生的具有毁灭性的热和辐射也许比拉动物体所需的能量要大得多。在科幻作品中，牵引光束通常是可见的，而且对目标物体以外的东西没什么影响力。但在现实生活中，类似的牵引光束会因强烈的电磁辐射把目标物体烧坏。
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科幻作品在真实世界中的对应物大多是在微观层面实现的，比如离子阱维持磁场中的带电粒子，原子力显微镜推动单个原子，激光镊子移动分子，牵引光束产生微弱的压力。像电影中那样用牵引光束移动战舰大小的飞船确实比较难以实现，但是想想这背后的可能性就足以让人欣喜。
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具有这种功能的最奇妙的类似物要算2014年哈佛大学的科研成果了。虽然这不是严格意义上的牵引光束，但研究人员成功地操控了小型物体，不用直接接触就成功定位并旋转了目标物体。系统利用了磁悬浮的原理，但这对不受磁场影响的物体也适用，因为目标物体位于有磁性的液体中。如果有磁铁从液体顶部和底部对液体产生拉力，那么容器中部的液体浓度会降低，目标物体就会向容器中部运动。
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