梁昌洪，陳 曦

(西安電子科技大學(xué)，天線與微波技術(shù)實驗室，陜西西安，710071)

0 引言

本文是電磁場理論教學(xué)系列札記之十八。

著名雕刻大師羅丹曾說過:“生活中并不缺少美，而是缺少對美的發(fā)現(xiàn)”［1]?？梢姡藗兊乃季S，人們的品味是何等重要。只有品味提高了，才能自實踐中發(fā)現(xiàn)和揭示事物的內(nèi)部本質(zhì)，才能得到45真正的創(chuàng)新。

本文試圖以電磁理論發(fā)展史作為具體的研究對象。從中討論簡單美，對稱美，轉(zhuǎn)換美和統(tǒng)一美。

正如世界上一切事物都存在兩重性，美也不例外?？梢哉f“科學(xué)是美的，但是美并不一定能代表科學(xué)”。或者進一步表述為“美可以帶我們升上天堂，但是美也可以帶我們誤下地獄?！边@就是美的兩重性。

即使如此，過去，現(xiàn)在和未來仍有無數(shù)學(xué)者去發(fā)現(xiàn)美和追求美。1983年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者查德拉塞卡作了概括:“我們每個人都可以用自己的方式在追求美，科學(xué)在美中得到滿足”。

1 電磁理論的簡單美

諾貝爾物理學(xué)獎獲得者李政道多次說過:“最重要的東西往往都是最簡單的”?？v觀電磁理論的發(fā)展史，情況果真如此。最簡單而最重要的概念就是建立場(Field)而摒棄以太(ether)。

諾貝爾物理學(xué)獎獲得者楊振寧在著名演講《場與對稱性》中明確認(rèn)為場是剛過去20世紀(jì)最重要的概念之一。事實上，幾乎是同樣一個實驗:都證明了電流I的周圍存在磁場，Oersted采用小磁針，法拉第Faraday則撒上鐵粉實驗來證明磁粉的存在，如圖1所示。

圖1 Faraday發(fā)現(xiàn)場和力線

正是這一看來毫不顯眼的差別，使法拉第宣稱電流I周圍的空間任何一點均存在磁場，而且形象地采用力線表示。

由此，法拉第建立起了電磁世界的空間舞臺。從而使電磁學(xué)從根本上有別于牛頓超距作用的力學(xué)。也正是有了法拉第的場，才造就了麥克斯韋萌生波的思想，才有了今天全球通信、授時和航天事業(yè)。

倘若說，建立一個簡單而重要的概念不容易，那么要摒棄習(xí)慣上錯誤的概念更不容易。在電磁理論中，最典型的是以太的概念。人們在科學(xué)中最常用比采用較法，見圖2所示。

圖2 人們的比較法—習(xí)慣思維

水波中的流體和聲波中的空氣都是波傳播的載體。它們是不動的。波在載體中傳播。于是，人們由于習(xí)慣思維得出了電磁波必然也應(yīng)該有“載體”—稱之為以太(ether)。

愛因斯坦發(fā)現(xiàn)狹義相對論，從根本上徹底否定以太。電磁波不需要以太，這是它區(qū)別于其它波的最重要特征。也是光速不變原理之本質(zhì)。

至于整個麥克斯韋體系更具體的反映電磁現(xiàn)象中的簡單美。

愛因斯坦對此做了總結(jié):“自然規(guī)律的簡單性也是一種事實，而且正確的概念體系必須使這種簡單性的主觀方面和客觀方面保持平衡”。

2 電磁理論的對稱美

首先我們要提及，一個重要的領(lǐng)域和體系的形成，往往隨之出現(xiàn)一對互補人物，后世評價稱之為絕配，例如Newton、Kepler和Galileo。

在電磁理論領(lǐng)域，則首推法拉第和麥克斯韋。他們兩個人正可謂一對絕配。

當(dāng)Oersted發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線電流I的周圍存在磁性之后。年輕的法拉第想:既然電能夠產(chǎn)生磁，那么作為對稱思想，磁也應(yīng)該能產(chǎn)生電。1822年，法拉第在筆記中給自己提出一個目標(biāo):“把磁變成電?！保?]就因為這一堅定地追求，花了他年輕生命的10年時間(1821-1831)。

圖3 Faraday對稱思想

1831年10月17日，法拉第依然采用導(dǎo)線把電流計和空心線圈聯(lián)接起來。千百次坎坷涌上心頭，他并不對這次試驗抱有任何希望。當(dāng)法拉第把一根磁鐵猛地插進線圈，電流計突然發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。經(jīng)過了多次重復(fù)，終于迎來了電磁感應(yīng)定律的產(chǎn)生:電能不僅產(chǎn)生磁，而且磁(的運動)也能產(chǎn)生電。法拉第也為對稱思想發(fā)現(xiàn)這一重大成果而歡欣鼓舞［1-3]。

接著走上歷史舞臺的正是“對稱性”人物麥克斯韋。當(dāng)他決心要攻克電磁體系的難關(guān)時，法拉第作為長輩不無擔(dān)心:他生怕數(shù)學(xué)形式淹沒電磁現(xiàn)象的實質(zhì)。

然而事實恰恰相反，麥克斯韋首先發(fā)現(xiàn)Oersted和Faraday的不對稱性，如圖4所示。

換句話說，法拉第利用對稱性思想發(fā)現(xiàn)了一種不對稱性。麥克斯韋在條件不成熟的情況下，大膽補充了法拉第的對稱性，即提出了如圖5所示的位移電流

圖4 Oersted和Faraday的不對稱性

圖5 Maxwell補充對稱性

人類在電磁理論中追求對稱美的過程一直在繼續(xù)。

3 電磁理論的轉(zhuǎn)化美

3.1 電和磁的相互轉(zhuǎn)化

電磁理論的主要目標(biāo)是研究電和磁的變化規(guī)律。這里寫出麥克斯韋兩個旋度方程［4]:

上式的左邊是磁或電，而右邊則是電或磁，中間用等號連接。它深刻揭示了電與磁的相互轉(zhuǎn)化，相互依賴，相互對立。它們共存在一個電磁場整體中，如圖6所示。

圖6 電與磁的相互轉(zhuǎn)化

3.2 空間變化與時間變化的相互轉(zhuǎn)化

圖7 波在空間與時間的變化

所有這些轉(zhuǎn)化都是以它神奇的面孔來顯示其轉(zhuǎn)化美。

4 電磁理論的統(tǒng)一美

統(tǒng)一是很多學(xué)者在研究工作中的最高追求。作為典型例子，偉大的愛因斯坦為了統(tǒng)一場論，花費了20多年的生命。

縱觀電磁理論發(fā)展史，無不滲透著種種統(tǒng)一思想，早期美國的富蘭克林在大雷雨中放風(fēng)箏以此證明天電與地電的統(tǒng)一性。

再說電磁理論的帶頭人愛因期坦更是如此。1864年，他向英國皇家學(xué)會宣讀一篇著名的論文《電磁場的動力理論》，直接提出:“我的理論可以稱之為電磁場理論，因為這種理論必須處理電或磁體周圍的空間問題?！彼谷粡姆匠探M導(dǎo)出了波動方程:

麥克斯韋登上了學(xué)術(shù)頂峰:正式提出了光電統(tǒng)一理論。他說:“使我們幾乎不可能拒絕下述結(jié)論:光是由一種媒質(zhì)的橫波振動組成，這種媒質(zhì)乃是電和磁現(xiàn)象存在的原因”。最通俗的語言即光就是波長很短的電磁波，見圖8所示。

也正是這一發(fā)現(xiàn)給了我們極大的啟示:物理世界是客觀的，但是人類認(rèn)識物理世界卻有主觀的成份。光和電磁波的統(tǒng)一表明兩者之間毫無差異。只是人們可以看得見光，卻看不見電磁波。

圖8 光與電磁波的統(tǒng)一

筆者想提出一個尖銳的問題:既然光與電磁波是統(tǒng)一的，那么，光有波粒兩重性，電磁波的粒子性在哪里呢?

統(tǒng)一的追求是美的，也是極為艱難的。

5 美的兩重性

事實上，物理學(xué)中美的概念不是固定的，物理學(xué)中美的含義是不斷發(fā)展的。它不僅是以簡單、對稱和統(tǒng)一等為主要標(biāo)志，而且可能是多樣、奇異、崇高和浪漫的。

更重要的是美和世間的所有事物一樣，也存在著兩重性:不僅美使電磁理論迅猛發(fā)展，而且若一不注意美亦會使研究者誤入歧途。

1968年，我國東海某地掀起一股“發(fā)明”小天線的高潮:金魚天線，荷花天線，青草天線，花籃天線，真是五花八門。據(jù)說其性能“很好”。過后經(jīng)過研究和測試所有樣品發(fā)現(xiàn)，這些天線性能改善最多僅僅是線天線加載所致，并沒有任何新的原理產(chǎn)生。我們不能為上述“美的熱鬧”所迷惑。

上個世紀(jì)80年代所掀起的“電磁導(dǎo)彈”研究熱，振奮了很多學(xué)者(包括筆者本人)。其追求的目標(biāo)明確為“只要這種電磁波的波形參數(shù)選得合適，就有可能使它的空間衰減任意慢”［5]，即打破1/r2的平方反比規(guī)律。值得指出:筆者本人為此在那時也寫過兩篇研究文章［6，7]。

現(xiàn)在，30多年過去了。當(dāng)人們用冷靜的目光再一次反思和審視自身的行為時，發(fā)現(xiàn)“陣列瞬態(tài)電磁脈沖的確具有不衰減、慢衰減和快衰減的三段式能量傳輸特性”［8]。同時，根據(jù)研究者的典型數(shù)據(jù)“z＞100m對應(yīng)1.8ns脈沖的遠(yuǎn)區(qū)，將出現(xiàn)快衰減［8]”。

一旦我們的認(rèn)識深刻了，卻離最初的電磁導(dǎo)彈目標(biāo)卻越來越遠(yuǎn)。而且雷達(dá)方程也還沒有改寫。值得指出的是，筆者尚未查詢到2000年之后國外學(xué)者的相應(yīng)工作。

6 結(jié)語

幾年前，教育部《創(chuàng)新教學(xué)團隊》基金項目給我們帶來的與其說是喜悅，倒不如說是沉甸甸的責(zé)任感壓力:在教學(xué)上如何創(chuàng)新?創(chuàng)什么新?這幾乎像一個抓不住的目標(biāo)，始終在腦海里翻騰。

好像在一個初春的日子，生命之綠色激勵且撥動了筆者的神經(jīng)。想起了多年教學(xué)經(jīng)歷，想起了教學(xué)中遇到的種種不解和疑惑。突然地，有一個大膽的挑戰(zhàn)思想涌上心頭。筆者清醒地意識到這正是創(chuàng)新的欲望在心中燃燒。

能不能向陳舊的思想提出明確的挑戰(zhàn):這種教學(xué)思想是教師居高臨下，傳道授業(yè)，甚至企圖扮演“真理的化身”的角色。而挑戰(zhàn)者希望提出一種教學(xué)相長，推心置腹，平等討論的正常教學(xué)思想。

這就是18篇《電磁理論教學(xué)系列札記》出現(xiàn)的思想和根源。它代表教師的心聲，它是與讀者的平等交流。

筆者深切感謝《電工電子教學(xué)學(xué)報》各位編輯的信任，理解和支持，允許我們?nèi)绱舜竽懙谋硎鲇掠谔魬?zhàn)的思想與見解。

系列札記將暫告一段落，札記中出現(xiàn)的各種錯誤和不當(dāng)，尚請讀者諒解。

［1] 梁昌洪，《話說對稱》，［M] .北京:科學(xué)出版社，2010

［2] 夏宗徑，《簡單.對稱.和諧》［M] .武漢:湖北教育出版社，1989

［3] 梁昌洪，《矢量場論札記》，［M] .北京:科學(xué)出版社，2007

［4] 梁昌洪，《簡明微波》，［M] .北京:高等教育出版社，2006

［5] 阮成禮，《電磁導(dǎo)彈概論》，［M] .北京:人民郵電出版社，1992

［6] Wang Gang，Liang Chang Hong.A remark on fast decay effect in the electromagnetic missile theory.Journal of Applied Physics，Vol.82，pp:893-895，Jul 1997

［7] Gang Wang，Wen Bing Wang and Chang Hong Liang.Beam characteristics of short-pulse radiation with electromagnetic missile effect.Journal of Applied Physics，Vol.83，pp:5040-5044，May 1998

［8] 崔海娟，楊宏春，阮成禮，吳明和.陣列瞬態(tài)電磁脈沖傳輸特性研究［J] .北京:科學(xué)通報，Vol.56，No.11.pp:874-880.2011