电与磁的分、合到再分、再合

邓卫鹏

（阳泉高等师范专科学校，山西 阳泉 045000）

电与磁的分、合到再分、再合

邓卫鹏

（阳泉高等师范专科学校，山西 阳泉 045000）

论文首先介绍了早期的相互独立的电现象与磁现象，接着从物理学家奥斯特发现电流的磁效应和法拉第发现电磁感应现象以及麦克斯韦简洁的电磁场理论三个事实，论述了电和磁的内在联系与完美对称（即电、磁理论实现了第一次伟大的综合），最后从爱因斯坦的狭义相对论出发，阐明了磁场不过是运动电荷所产生的相对论效应的一种非常良好的等效，电场与磁场实际上是一回事（即电、磁理论实现了第二次伟大的综合）。

电现象；磁现象；电场；磁场

一、电现象和磁现象的早期研究

对电、磁现象进行比较系统的研究，是从文艺复兴时期开始的。英国科学家W·吉伯做了第一批系统的研究工作。1600年，吉伯系统总结他长期研究的成果，出版了他的巨著《磁石》，这是英国诞生的第一部科学著作。吉伯反对虚妄的臆测，他认为科学应该带来益处，为此就必须把科学建立在实验的基础上。吉伯是把用实验方法探索自然和从理论上解释自然这两者相结合起来的典范。吉伯做了许多演示电和磁性质的实验。例如，吉伯的磁球实验；吉伯制作了第一个实验用验电器。通过大量细致的实验，吉伯发现不仅摩擦后的琥珀有吸引轻小物体的性质，还有一系列其他物体如金刚石、蓝宝石、水晶、硫磺、明矾、树脂等等也有这种性质，他把这种性质称为电性。吉伯把电现象和磁现象进行比较，他认为电和磁是两种截然无关的现象。这个结论对后来的电磁学的发展产生了重大影响。1660年左右，德国科学家里凯发明了能够产生大量电荷的摩擦起电机。1729年，英国科学家格雷仔细研究了电沿某些物体传播的事实，并引入了导体的概念。1733年，法国科学家杜菲发现绝缘的金属也可以通过摩擦的办法起电，他认为所有的物体都可以摩擦起电。德国物理学家克莱斯特和荷兰物理学家穆欣布罗克于1745年、1746年几乎同时发明了莱顿瓶。1746年，在美国费城的富兰克林通过一位英国朋友得到了莱顿瓶等电学实验仪器，开始了他近10年的电学研究。库仑定律是电磁学中的一个基本定律，它的建立使电磁学进入了定量的研究，从而使电磁学真正成为一门科学，为继续发展电动力学奠定了基础。从18世纪末到19世纪初这一段时期，由于数学的应用，有关静电学和静磁学的分析理论取得了十分有意义的进展。所谓静电学与静磁学的分析理论，就是借助引力理论所建立起来的势函数的理论来表达静电学和静磁学的数学方法。我们知道，通过欧拉、拉格朗日和拉普拉斯等人的工作，位函数v已被证明满足下述微分方程

法国科学家泊松于1813年用数学方法严格证明了处于静电平衡的导体内部的任何带电粒子所受的力为零，否则导体内部就会有电荷的流动。他卓有成见地指出，由于万有引力定律和库仑定律都遵从平方反比关系，所以万有引力定律的数学分析方法也可以用来分析静电现象。因此泊松认为，在静电学中同样可以找出与万有引力情况相似的函数v来解静电学问题，并证明在静电学中的拉普拉斯方程为：

二、从电、磁联系的发现到电、磁理论的第一次伟大综合

18世纪，意大利解剖学家伽伐尼关于电流的发现，把电学的研究工作从静电学推进到动电的领域，奏响了电磁学辉煌发展的序曲。伽伐尼的发现引起了意大利物理学家伏打的极大兴趣。伏打的电堆能够提供莱顿瓶无法给出的持续而强大的电流，把电学的研究引入动电的途径。

1.电流磁效应的发现。吉伯在正确地区分了电力和磁力的同时，把它们视作截然无关的两种现象。在这个论断的影响下，200多年的时间里电和磁的分立性一直成为物理学家们的一个普遍认识。例如，库伦虽然确立电力和磁力的平方反比定律，但他却从电荷可以从一个物体传到另一个物体，而磁荷似乎永远固着于磁极上的现象断言，电流体和磁流体是两种完全不同的实体，它们不可能相互转化。法国物理学家安培在1802年宣称，他愿意去“证明电和磁是相互独立的两种不同的实体”；托马斯·杨也在1807年的《自然哲学讲义》中写到：“没有任何理由去设想电与磁之间存在任何直接的联系”。直到1819年，实验物理学家毕奥还坚持说磁作用与电作用之间的独立性“不允许我们设想磁与电具有相同的本质”。但是实际上，电和磁之间相互联系的现象早就引起了人们的注视。直到1820年，丹麦物理学家奥斯特关于电流磁效应的发现，使电磁学的研究进入一个迅速发展的时期。电流磁效应的发现，也打破了电与磁的无关性的传统信条，猛然打开了电磁联系这个科学中长期被闭锁着的黑暗领域的大门，为物理学的一个新的重大综合的实现，开辟了一条广阔的道路。

2.电磁感应现象的发现。奥斯特关于电流的磁效应的发现，揭开了关于电与磁联系的研究的序幕，普遍引起了这种对称性的思考：能不能用磁体使导线中产生出电流来？电磁转动效应实验的成功，大大鼓舞了法拉第在这一领域里继续进行深入探索的信心，并引导他同样想到奥斯特发现的逆效应是否存在的问题。法拉第经过近十年的努力，终于概括出了可以产生感应电流的五种类型：变化着的电流、变化着的磁场、运动的稳恒电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体。法拉第首先创立了场论思想，以其直观的形式孕育出物理学观念和理论的一场重大革命。电磁感应现象的发现是具有划时代意义的，法拉第把电与磁长期分立的两种现象最后联结在一起，揭露出电与磁的本质的联系，找到了机械能与电能之间的转化方法。在理论上，为建立电磁场的理论体系打下了基础；在实践上，开创了电气化时代的新纪元。

这样，麦克斯韦方程组的最简单的微分对偶形式基本上便确定下来，麦克斯韦理论完美的对称性质——电场和磁场的对称性、空间和时间的对称性——在美学上也充分显示了出来。

三、狭义相对论的创立实现了电、磁理论第二次伟大综合

爱因斯坦在《论动体的电动力学》一文的开头写到：“大家知道，麦克斯韦电动力学——像现在通常为人们所理解的那样——应用到运动的物体上时，就要引起一些不对称，而这种不对称似乎不是现象所固有的。”他举例说:“设想一个磁体同一个导体之间的电动力的相互作用。在这里可以观察到的现象只同导体和磁体的相对运动有关，可是按照麦克斯韦的电动力学理论，这两个物体之中，究竟是这个在运动，还是那个在运动，却是截然不同的两回事。”的确，无论磁体或导体谁在运动，导体中都会有相同的感生电流。然而按照麦克斯韦理论，如果是磁体在运动，它的周围就会出现一个具有一定能量的电场；如果是导体在运动，静止磁体周围就没有电场，只是导体中产生电动势，这种电动势本身并不相当于能量，却会引起电流。这个简单的例子，清晰地揭示了运动物体电动力学的“不对称”。这里所说的“不对称”，就是指统一性遭到破坏。因为伽利略相对性原理表明，所有的惯性系对于表述力学规律都是等效的，或者说运动总是相对的，同任何力学实验都无法判断坐标系本身的绝对运动状态。但是，在经典力学中普遍成立的这种运动的相对性，现在在以“以太”为背景的麦克斯韦电动力学中却不成立了。或者说，在讨论运动物体的电磁现象时，就要放弃运动的相对性。爱因斯坦认为，这种不对称似乎不应该是电动力学所固有的，这样爱因斯坦一开始就把讨论引入到实质性问题的思考。追求对称和统一，正是爱因斯坦创立狭义相对论的根本指导思想。

新理论对电动力学现象的应用。爱因斯坦对电场和磁场以及电荷密度和电流密度，都实施了相应的变换；并且指明了，在电磁场中运动的点电荷上的作用力，如何可以通过将场变换到相对于电荷静止的坐标系中而简单地计算出来。他得出结论说：“电场强度和磁场强度本身并不存在，因为在一个地点（更准确地说，在一个点事件的空间——时间附近）是否有电场强度和磁场强度存在，可以取决于坐标系的选择。”他针对在《论动体的电动力学》一文的开头就提出的那个关于一个磁体同一个导体之间电动力的相互作用问题作出回答说：“电力和磁力都不是独立于坐标系的运动状态而存在的”，“那种在考查由磁体同导体的相对运动而产生电流时所出现的不对称性，现在不存在了。”可以看出，在新理论中，电场和磁场都是相对量，和坐标系的选择有关。如果在一个参照系内只有电场或只有磁场，则在另一个相对于它做匀速运动的参照系中既有磁场，也有电场。

电磁学的基本方程为麦克斯韦方程组，此方程组在经典力学的相对运动转换（伽利略变换）下形式会变，在伽利略变换下，光速在不同惯性坐标下会不同。保持麦克斯韦方程组形式不变的变换为洛伦兹变换，在此变换下，不同惯性座标下光速恒定。洛仑兹变换方程：

20世纪，初迈克耳孙—莫雷实验支持光速不变，光速不变亦成为爱因斯坦的狭义相对论的基石。取而代之，洛伦兹变换亦成为较伽利略变换更精密的惯性座标转换方式。若从相对论角度来看，磁场不过是运动电荷所产生的相对论效应的一种非常良好的等效。电场与磁场实际上是一回事。爱因斯坦1905年建立的狭义相对论，第一次把两种自然力——电力与磁力统一起来。

［1］郭奕玲，沈慧君.物理学史［M］.北京：清华大学出版社，1993.

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1673-0046（2010）12-0164-02