電與磁的分、合到再分、再合

鄧衛鵬

（陽泉高等師范專科學校，山西 陽泉 045000）

電與磁的分、合到再分、再合

鄧衛鵬

（陽泉高等師范專科學校，山西 陽泉 045000）

論文首先介紹了早期的相互獨立的電現象與磁現象，接著從物理學家奧斯特發現電流的磁效應和法拉第發現電磁感應現象以及麥克斯韋簡潔的電磁場理論三個事實，論述了電和磁的內在聯系與完美對稱（即電、磁理論實現了第一次偉大的綜合），最后從愛因斯坦的狹義相對論出發，闡明了磁場不過是運動電荷所產生的相對論效應的一種非常良好的等效，電場與磁場實際上是一回事（即電、磁理論實現了第二次偉大的綜合）。

電現象；磁現象；電場；磁場

一、電現象和磁現象的早期研究

對電、磁現象進行比較系統的研究，是從文藝復興時期開始的。英國科學家W·吉伯做了第一批系統的研究工作。1600年，吉伯系統總結他長期研究的成果，出版了他的巨著《磁石》，這是英國誕生的第一部科學著作。吉伯反對虛妄的臆測，他認為科學應該帶來益處，為此就必須把科學建立在實驗的基礎上。吉伯是把用實驗方法探索自然和從理論上解釋自然這兩者相結合起來的典范。吉伯做了許多演示電和磁性質的實驗。例如，吉伯的磁球實驗；吉伯制作了第一個實驗用驗電器。通過大量細致的實驗，吉伯發現不僅摩擦后的琥珀有吸引輕小物體的性質，還有一系列其他物體如金剛石、藍寶石、水晶、硫磺、明礬、樹脂等等也有這種性質，他把這種性質稱為電性。吉伯把電現象和磁現象進行比較，他認為電和磁是兩種截然無關的現象。這個結論對后來的電磁學的發展產生了重大影響。1660年左右，德國科學家里凱發明了能夠產生大量電荷的摩擦起電機。1729年，英國科學家格雷仔細研究了電沿某些物體傳播的事實，并引入了導體的概念。1733年，法國科學家杜菲發現絕緣的金屬也可以通過摩擦的辦法起電，他認為所有的物體都可以摩擦起電。德國物理學家克萊斯特和荷蘭物理學家穆欣布羅克于1745年、1746年幾乎同時發明了萊頓瓶。1746年，在美國費城的富蘭克林通過一位英國朋友得到了萊頓瓶等電學實驗儀器，開始了他近10年的電學研究。庫侖定律是電磁學中的一個基本定律，它的建立使電磁學進入了定量的研究，從而使電磁學真正成為一門科學，為繼續發展電動力學奠定了基礎。從18世紀末到19世紀初這一段時期，由于數學的應用，有關靜電學和靜磁學的分析理論取得了十分有意義的進展。所謂靜電學與靜磁學的分析理論，就是借助引力理論所建立起來的勢函數的理論來表達靜電學和靜磁學的數學方法。我們知道，通過歐拉、拉格朗日和拉普拉斯等人的工作，位函數v已被證明滿足下述微分方程

法國科學家泊松于1813年用數學方法嚴格證明了處于靜電平衡的導體內部的任何帶電粒子所受的力為零，否則導體內部就會有電荷的流動。他卓有成見地指出，由于萬有引力定律和庫侖定律都遵從平方反比關系，所以萬有引力定律的數學分析方法也可以用來分析靜電現象。因此泊松認為，在靜電學中同樣可以找出與萬有引力情況相似的函數v來解靜電學問題，并證明在靜電學中的拉普拉斯方程為：

二、從電、磁聯系的發現到電、磁理論的第一次偉大綜合

18世紀，意大利解剖學家伽伐尼關于電流的發現，把電學的研究工作從靜電學推進到動電的領域，奏響了電磁學輝煌發展的序曲。伽伐尼的發現引起了意大利物理學家伏打的極大興趣。伏打的電堆能夠提供萊頓瓶無法給出的持續而強大的電流，把電學的研究引入動電的途徑。

1.電流磁效應的發現。吉伯在正確地區分了電力和磁力的同時，把它們視作截然無關的兩種現象。在這個論斷的影響下，200多年的時間里電和磁的分立性一直成為物理學家們的一個普遍認識。例如，庫倫雖然確立電力和磁力的平方反比定律，但他卻從電荷可以從一個物體傳到另一個物體，而磁荷似乎永遠固著于磁極上的現象斷言，電流體和磁流體是兩種完全不同的實體，它們不可能相互轉化。法國物理學家安培在1802年宣稱，他愿意去“證明電和磁是相互獨立的兩種不同的實體”；托馬斯·楊也在1807年的《自然哲學講義》中寫到：“沒有任何理由去設想電與磁之間存在任何直接的聯系”。直到1819年，實驗物理學家畢奧還堅持說磁作用與電作用之間的獨立性“不允許我們設想磁與電具有相同的本質”。但是實際上，電和磁之間相互聯系的現象早就引起了人們的注視。直到1820年，丹麥物理學家奧斯特關于電流磁效應的發現，使電磁學的研究進入一個迅速發展的時期。電流磁效應的發現，也打破了電與磁的無關性的傳統信條，猛然打開了電磁聯系這個科學中長期被閉鎖著的黑暗領域的大門，為物理學的一個新的重大綜合的實現，開辟了一條廣闊的道路。

2.電磁感應現象的發現。奧斯特關于電流的磁效應的發現，揭開了關于電與磁聯系的研究的序幕，普遍引起了這種對稱性的思考：能不能用磁體使導線中產生出電流來？電磁轉動效應實驗的成功，大大鼓舞了法拉第在這一領域里繼續進行深入探索的信心，并引導他同樣想到奧斯特發現的逆效應是否存在的問題。法拉第經過近十年的努力，終于概括出了可以產生感應電流的五種類型：變化著的電流、變化著的磁場、運動的穩恒電流、運動的磁鐵、在磁場中運動的導體。法拉第首先創立了場論思想，以其直觀的形式孕育出物理學觀念和理論的一場重大革命。電磁感應現象的發現是具有劃時代意義的，法拉第把電與磁長期分立的兩種現象最后聯結在一起，揭露出電與磁的本質的聯系，找到了機械能與電能之間的轉化方法。在理論上，為建立電磁場的理論體系打下了基礎；在實踐上，開創了電氣化時代的新紀元。

這樣，麥克斯韋方程組的最簡單的微分對偶形式基本上便確定下來，麥克斯韋理論完美的對稱性質——電場和磁場的對稱性、空間和時間的對稱性——在美學上也充分顯示了出來。

三、狹義相對論的創立實現了電、磁理論第二次偉大綜合

愛因斯坦在《論動體的電動力學》一文的開頭寫到：“大家知道，麥克斯韋電動力學——像現在通常為人們所理解的那樣——應用到運動的物體上時，就要引起一些不對稱，而這種不對稱似乎不是現象所固有的。”他舉例說:“設想一個磁體同一個導體之間的電動力的相互作用。在這里可以觀察到的現象只同導體和磁體的相對運動有關，可是按照麥克斯韋的電動力學理論，這兩個物體之中，究竟是這個在運動，還是那個在運動，卻是截然不同的兩回事。”的確，無論磁體或導體誰在運動，導體中都會有相同的感生電流。然而按照麥克斯韋理論，如果是磁體在運動，它的周圍就會出現一個具有一定能量的電場；如果是導體在運動，靜止磁體周圍就沒有電場，只是導體中產生電動勢，這種電動勢本身并不相當于能量，卻會引起電流。這個簡單的例子，清晰地揭示了運動物體電動力學的“不對稱”。這里所說的“不對稱”，就是指統一性遭到破壞。因為伽利略相對性原理表明，所有的慣性系對于表述力學規律都是等效的，或者說運動總是相對的，同任何力學實驗都無法判斷坐標系本身的絕對運動狀態。但是，在經典力學中普遍成立的這種運動的相對性，現在在以“以太”為背景的麥克斯韋電動力學中卻不成立了。或者說，在討論運動物體的電磁現象時，就要放棄運動的相對性。愛因斯坦認為，這種不對稱似乎不應該是電動力學所固有的，這樣愛因斯坦一開始就把討論引入到實質性問題的思考。追求對稱和統一，正是愛因斯坦創立狹義相對論的根本指導思想。

新理論對電動力學現象的應用。愛因斯坦對電場和磁場以及電荷密度和電流密度，都實施了相應的變換；并且指明了，在電磁場中運動的點電荷上的作用力，如何可以通過將場變換到相對于電荷靜止的坐標系中而簡單地計算出來。他得出結論說：“電場強度和磁場強度本身并不存在，因為在一個地點（更準確地說，在一個點事件的空間——時間附近）是否有電場強度和磁場強度存在，可以取決于坐標系的選擇。”他針對在《論動體的電動力學》一文的開頭就提出的那個關于一個磁體同一個導體之間電動力的相互作用問題作出回答說：“電力和磁力都不是獨立于坐標系的運動狀態而存在的”，“那種在考查由磁體同導體的相對運動而產生電流時所出現的不對稱性，現在不存在了。”可以看出，在新理論中，電場和磁場都是相對量，和坐標系的選擇有關。如果在一個參照系內只有電場或只有磁場，則在另一個相對于它做勻速運動的參照系中既有磁場，也有電場。

電磁學的基本方程為麥克斯韋方程組，此方程組在經典力學的相對運動轉換（伽利略變換）下形式會變，在伽利略變換下，光速在不同慣性坐標下會不同。保持麥克斯韋方程組形式不變的變換為洛倫茲變換，在此變換下，不同慣性座標下光速恒定。洛侖茲變換方程：

20世紀，初邁克耳孫—莫雷實驗支持光速不變，光速不變亦成為愛因斯坦的狹義相對論的基石。取而代之，洛倫茲變換亦成為較伽利略變換更精密的慣性座標轉換方式。若從相對論角度來看，磁場不過是運動電荷所產生的相對論效應的一種非常良好的等效。電場與磁場實際上是一回事。愛因斯坦1905年建立的狹義相對論，第一次把兩種自然力——電力與磁力統一起來。

［1］郭奕玲，沈慧君.物理學史［M］.北京：清華大學出版社，1993.

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1673-0046（2010）12-0164-02