鄧衛(wèi)鵬

（陽(yáng)泉高等師范?？茖W(xué)校，山西 陽(yáng)泉 045000）

電與磁的分、合到再分、再合

鄧衛(wèi)鵬

（陽(yáng)泉高等師范?？茖W(xué)校，山西 陽(yáng)泉 045000）

論文首先介紹了早期的相互獨(dú)立的電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象，接著從物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)和法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象以及麥克斯韋簡(jiǎn)潔的電磁場(chǎng)理論三個(gè)事實(shí)，論述了電和磁的內(nèi)在聯(lián)系與完美對(duì)稱（即電、磁理論實(shí)現(xiàn)了第一次偉大的綜合），最后從愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論出發(fā)，闡明了磁場(chǎng)不過(guò)是運(yùn)動(dòng)電荷所產(chǎn)生的相對(duì)論效應(yīng)的一種非常良好的等效，電場(chǎng)與磁場(chǎng)實(shí)際上是一回事（即電、磁理論實(shí)現(xiàn)了第二次偉大的綜合）。

電現(xiàn)象；磁現(xiàn)象；電場(chǎng)；磁場(chǎng)

一、電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的早期研究

對(duì)電、磁現(xiàn)象進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究，是從文藝復(fù)興時(shí)期開(kāi)始的。英國(guó)科學(xué)家W·吉伯做了第一批系統(tǒng)的研究工作。1600年，吉伯系統(tǒng)總結(jié)他長(zhǎng)期研究的成果，出版了他的巨著《磁石》，這是英國(guó)誕生的第一部科學(xué)著作。吉伯反對(duì)虛妄的臆測(cè)，他認(rèn)為科學(xué)應(yīng)該帶來(lái)益處，為此就必須把科學(xué)建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。吉伯是把用實(shí)驗(yàn)方法探索自然和從理論上解釋自然這兩者相結(jié)合起來(lái)的典范。吉伯做了許多演示電和磁性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。例如，吉伯的磁球?qū)嶒?yàn)；吉伯制作了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)用驗(yàn)電器。通過(guò)大量細(xì)致的實(shí)驗(yàn)，吉伯發(fā)現(xiàn)不僅摩擦后的琥珀有吸引輕小物體的性質(zhì)，還有一系列其他物體如金剛石、藍(lán)寶石、水晶、硫磺、明礬、樹(shù)脂等等也有這種性質(zhì)，他把這種性質(zhì)稱為電性。吉伯把電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象進(jìn)行比較，他認(rèn)為電和磁是兩種截然無(wú)關(guān)的現(xiàn)象。這個(gè)結(jié)論對(duì)后來(lái)的電磁學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。1660年左右，德國(guó)科學(xué)家里凱發(fā)明了能夠產(chǎn)生大量電荷的摩擦起電機(jī)。1729年，英國(guó)科學(xué)家格雷仔細(xì)研究了電沿某些物體傳播的事實(shí)，并引入了導(dǎo)體的概念。1733年，法國(guó)科學(xué)家杜菲發(fā)現(xiàn)絕緣的金屬也可以通過(guò)摩擦的辦法起電，他認(rèn)為所有的物體都可以摩擦起電。德國(guó)物理學(xué)家克萊斯特和荷蘭物理學(xué)家穆欣布羅克于1745年、1746年幾乎同時(shí)發(fā)明了萊頓瓶。1746年，在美國(guó)費(fèi)城的富蘭克林通過(guò)一位英國(guó)朋友得到了萊頓瓶等電學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，開(kāi)始了他近10年的電學(xué)研究。庫(kù)侖定律是電磁學(xué)中的一個(gè)基本定律，它的建立使電磁學(xué)進(jìn)入了定量的研究，從而使電磁學(xué)真正成為一門科學(xué)，為繼續(xù)發(fā)展電動(dòng)力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。從18世紀(jì)末到19世紀(jì)初這一段時(shí)期，由于數(shù)學(xué)的應(yīng)用，有關(guān)靜電學(xué)和靜磁學(xué)的分析理論取得了十分有意義的進(jìn)展。所謂靜電學(xué)與靜磁學(xué)的分析理論，就是借助引力理論所建立起來(lái)的勢(shì)函數(shù)的理論來(lái)表達(dá)靜電學(xué)和靜磁學(xué)的數(shù)學(xué)方法。我們知道，通過(guò)歐拉、拉格朗日和拉普拉斯等人的工作，位函數(shù)v已被證明滿足下述微分方程

法國(guó)科學(xué)家泊松于1813年用數(shù)學(xué)方法嚴(yán)格證明了處于靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部的任何帶電粒子所受的力為零，否則導(dǎo)體內(nèi)部就會(huì)有電荷的流動(dòng)。他卓有成見(jiàn)地指出，由于萬(wàn)有引力定律和庫(kù)侖定律都遵從平方反比關(guān)系，所以萬(wàn)有引力定律的數(shù)學(xué)分析方法也可以用來(lái)分析靜電現(xiàn)象。因此泊松認(rèn)為，在靜電學(xué)中同樣可以找出與萬(wàn)有引力情況相似的函數(shù)v來(lái)解靜電學(xué)問(wèn)題，并證明在靜電學(xué)中的拉普拉斯方程為：

二、從電、磁聯(lián)系的發(fā)現(xiàn)到電、磁理論的第一次偉大綜合

18世紀(jì)，意大利解剖學(xué)家伽伐尼關(guān)于電流的發(fā)現(xiàn)，把電學(xué)的研究工作從靜電學(xué)推進(jìn)到動(dòng)電的領(lǐng)域，奏響了電磁學(xué)輝煌發(fā)展的序曲。伽伐尼的發(fā)現(xiàn)引起了意大利物理學(xué)家伏打的極大興趣。伏打的電堆能夠提供萊頓瓶無(wú)法給出的持續(xù)而強(qiáng)大的電流，把電學(xué)的研究引入動(dòng)電的途徑。

1.電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。吉伯在正確地區(qū)分了電力和磁力的同時(shí)，把它們視作截然無(wú)關(guān)的兩種現(xiàn)象。在這個(gè)論斷的影響下，200多年的時(shí)間里電和磁的分立性一直成為物理學(xué)家們的一個(gè)普遍認(rèn)識(shí)。例如，庫(kù)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(gè)物體傳到另一個(gè)物體，而磁荷似乎永遠(yuǎn)固著于磁極上的現(xiàn)象斷言，電流體和磁流體是兩種完全不同的實(shí)體，它們不可能相互轉(zhuǎn)化。法國(guó)物理學(xué)家安培在1802年宣稱，他愿意去“證明電和磁是相互獨(dú)立的兩種不同的實(shí)體”；托馬斯·楊也在1807年的《自然哲學(xué)講義》中寫(xiě)到：“沒(méi)有任何理由去設(shè)想電與磁之間存在任何直接的聯(lián)系”。直到1819年，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家畢奧還堅(jiān)持說(shuō)磁作用與電作用之間的獨(dú)立性“不允許我們?cè)O(shè)想磁與電具有相同的本質(zhì)”。但是實(shí)際上，電和磁之間相互聯(lián)系的現(xiàn)象早就引起了人們的注視。直到1820年，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特關(guān)于電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使電磁學(xué)的研究進(jìn)入一個(gè)迅速發(fā)展的時(shí)期。電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，也打破了電與磁的無(wú)關(guān)性的傳統(tǒng)信條，猛然打開(kāi)了電磁聯(lián)系這個(gè)科學(xué)中長(zhǎng)期被閉鎖著的黑暗領(lǐng)域的大門，為物理學(xué)的一個(gè)新的重大綜合的實(shí)現(xiàn)，開(kāi)辟了一條廣闊的道路。

2.電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。奧斯特關(guān)于電流的磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，揭開(kāi)了關(guān)于電與磁聯(lián)系的研究的序幕，普遍引起了這種對(duì)稱性的思考：能不能用磁體使導(dǎo)線中產(chǎn)生出電流來(lái)？電磁轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的成功，大大鼓舞了法拉第在這一領(lǐng)域里繼續(xù)進(jìn)行深入探索的信心，并引導(dǎo)他同樣想到奧斯特發(fā)現(xiàn)的逆效應(yīng)是否存在的問(wèn)題。法拉第經(jīng)過(guò)近十年的努力，終于概括出了可以產(chǎn)生感應(yīng)電流的五種類型：變化著的電流、變化著的磁場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流、運(yùn)動(dòng)的磁鐵、在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體。法拉第首先創(chuàng)立了場(chǎng)論思想，以其直觀的形式孕育出物理學(xué)觀念和理論的一場(chǎng)重大革命。電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是具有劃時(shí)代意義的，法拉第把電與磁長(zhǎng)期分立的兩種現(xiàn)象最后聯(lián)結(jié)在一起，揭露出電與磁的本質(zhì)的聯(lián)系，找到了機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)化方法。在理論上，為建立電磁場(chǎng)的理論體系打下了基礎(chǔ)；在實(shí)踐上，開(kāi)創(chuàng)了電氣化時(shí)代的新紀(jì)元。

這樣，麥克斯韋方程組的最簡(jiǎn)單的微分對(duì)偶形式基本上便確定下來(lái)，麥克斯韋理論完美的對(duì)稱性質(zhì)——電場(chǎng)和磁場(chǎng)的對(duì)稱性、空間和時(shí)間的對(duì)稱性——在美學(xué)上也充分顯示了出來(lái)。

三、狹義相對(duì)論的創(chuàng)立實(shí)現(xiàn)了電、磁理論第二次偉大綜合

愛(ài)因斯坦在《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》一文的開(kāi)頭寫(xiě)到：“大家知道，麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)——像現(xiàn)在通常為人們所理解的那樣——應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)的物體上時(shí)，就要引起一些不對(duì)稱，而這種不對(duì)稱似乎不是現(xiàn)象所固有的?！彼e例說(shuō):“設(shè)想一個(gè)磁體同一個(gè)導(dǎo)體之間的電動(dòng)力的相互作用。在這里可以觀察到的現(xiàn)象只同導(dǎo)體和磁體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，可是按照麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué)理論，這兩個(gè)物體之中，究竟是這個(gè)在運(yùn)動(dòng)，還是那個(gè)在運(yùn)動(dòng)，卻是截然不同的兩回事。”的確，無(wú)論磁體或?qū)w誰(shuí)在運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中都會(huì)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(yùn)動(dòng)，它的周圍就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)具有一定能量的電場(chǎng)；如果是導(dǎo)體在運(yùn)動(dòng)，靜止磁體周圍就沒(méi)有電場(chǎng)，只是導(dǎo)體中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種電動(dòng)勢(shì)本身并不相當(dāng)于能量，卻會(huì)引起電流。這個(gè)簡(jiǎn)單的例子，清晰地揭示了運(yùn)動(dòng)物體電動(dòng)力學(xué)的“不對(duì)稱”。這里所說(shuō)的“不對(duì)稱”，就是指統(tǒng)一性遭到破壞。因?yàn)橘だ韵鄬?duì)性原理表明，所有的慣性系對(duì)于表述力學(xué)規(guī)律都是等效的，或者說(shuō)運(yùn)動(dòng)總是相對(duì)的，同任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都無(wú)法判斷坐標(biāo)系本身的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但是，在經(jīng)典力學(xué)中普遍成立的這種運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，現(xiàn)在在以“以太”為背景的麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)中卻不成立了?；蛘哒f(shuō)，在討論運(yùn)動(dòng)物體的電磁現(xiàn)象時(shí)，就要放棄運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，這種不對(duì)稱似乎不應(yīng)該是電動(dòng)力學(xué)所固有的，這樣愛(ài)因斯坦一開(kāi)始就把討論引入到實(shí)質(zhì)性問(wèn)題的思考。追求對(duì)稱和統(tǒng)一，正是愛(ài)因斯坦創(chuàng)立狹義相對(duì)論的根本指導(dǎo)思想。

新理論對(duì)電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的應(yīng)用。愛(ài)因斯坦對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)以及電荷密度和電流密度，都實(shí)施了相應(yīng)的變換；并且指明了，在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)電荷上的作用力，如何可以通過(guò)將場(chǎng)變換到相對(duì)于電荷靜止的坐標(biāo)系中而簡(jiǎn)單地計(jì)算出來(lái)。他得出結(jié)論說(shuō)：“電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度本身并不存在，因?yàn)樵谝粋€(gè)地點(diǎn)（更準(zhǔn)確地說(shuō)，在一個(gè)點(diǎn)事件的空間——時(shí)間附近）是否有電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度存在，可以取決于坐標(biāo)系的選擇?！彼槍?duì)在《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》一文的開(kāi)頭就提出的那個(gè)關(guān)于一個(gè)磁體同一個(gè)導(dǎo)體之間電動(dòng)力的相互作用問(wèn)題作出回答說(shuō)：“電力和磁力都不是獨(dú)立于坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而存在的”，“那種在考查由磁體同導(dǎo)體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電流時(shí)所出現(xiàn)的不對(duì)稱性，現(xiàn)在不存在了?！笨梢钥闯?，在新理論中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)都是相對(duì)量，和坐標(biāo)系的選擇有關(guān)。如果在一個(gè)參照系內(nèi)只有電場(chǎng)或只有磁場(chǎng)，則在另一個(gè)相對(duì)于它做勻速運(yùn)動(dòng)的參照系中既有磁場(chǎng)，也有電場(chǎng)。

電磁學(xué)的基本方程為麥克斯韋方程組，此方程組在經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換（伽利略變換）下形式會(huì)變，在伽利略變換下，光速在不同慣性坐標(biāo)下會(huì)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(biāo)下光速恒定。洛侖茲變換方程：

20世紀(jì)，初邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)支持光速不變，光速不變亦成為愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)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(biāo)轉(zhuǎn)換方式。若從相對(duì)論角度來(lái)看，磁場(chǎng)不過(guò)是運(yùn)動(dòng)電荷所產(chǎn)生的相對(duì)論效應(yīng)的一種非常良好的等效。電場(chǎng)與磁場(chǎng)實(shí)際上是一回事。愛(ài)因斯坦1905年建立的狹義相對(duì)論，第一次把兩種自然力——電力與磁力統(tǒng)一起來(lái)。

［1］郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1993.

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