电磁理论的极限与扩展

志勰

本文说明了电磁理论的缺陷,传统的电磁理论不能应用于电磁波的描述。


一、引言

    对于物质世界的描述系统追根溯源,从牛顿力学的时间、空间和物质质量绝对性的理想定义系统,到相对论的相对的结构定义系统,惯性参照系统的存在属性则成为一个重要的描述问题。在相对论的终结中,已经证明了狭义相对论没有定量的价值和意义,但另一方面,也揭露了狭义相对论描述物质世界的一个重要的目的,就是牛顿力学和电磁理论的调谐作用。但很遗憾,这种作用没有任何的物理意义。也不具有客观实际的定量价值。那么,这将映射到基本概念的定义问题。关于牛顿力学的观念问题,在时间和空间的逻辑结构之六——时间、空间与物质的运动(下)——2中已经就牛顿力学的结构本身作了部分的说明,牛顿力学本身存在一定的缺陷,这种缺陷来自于基本概念的定义范围不够。那么麦克斯韦的电磁理论对于确定性的物质结构及它所描述的极限与发展则成为另一个重要的问题,麦克斯韦电磁理论的描述极限和发展是否具有狭义相对论所调谐的可能性。这里我们主要来讨论这些问题。

二、惯性参照系统

1、惯性参照系和两种定义系统的启示

    在牛顿力学中,一个物体不论在任何惯性参照系中去定量,这个物体的质量是没有任何区别的。然而,在相对论中,这个物体的质量会随着定量惯性参照系统的改变而改变。很显然,两种质量的定义是决然的不同,我们从这两个定义中,不能找到两种质量存在任何相同的可能性。还不仅仅与此,在定量模式的本身上,也存在基本概念的很大的区别。

    这种区别就在于定义的本身。我们知道,牛顿力学和相对论都是采用力学的方法进行定义的,主要采用两种定义方法,一种方法是物体本身所具有的惯性,另一种方法则是物体在引力场中所受到的作用力。前者是惯性质量,后者则是引力质量。

    对于惯性质量,牛顿力学说明其定义模式——物体的惯性在不同的惯性参照系中没有任何的区别。而相对论定义模式——物体的惯性在不同的惯性参照系中存在着本质的区别。

    对于引力质量,牛顿力学说明质量的本身同引力场强度是无关的。相对论则认为随着引力场强度的不同惯性质量存在着不同。

    在惯性质量上所揭露了质量和惯性参照系存在的关系,或者说相对运动状态和质量的关系。在引力质量上所揭露了质量和引力场的关系,或者更进一步的说质量和引力作用的关系。那么两者只要一联想一下就不难得到:牛顿力学和相对论其定义系统的根本区别就在于质量和相对运动、引力作用的关系。

    在相对论中,只要是相同的概念就可以做等量的替换,比如相对论中的静止参照系中的一千克的质量和运动参照系中一千克的质量,都可以看作相同的一千克。物理概念的内涵上是混乱的。这些至少到现在为止还未曾确立,对于作为科学而言,这是缺陷。

2、电磁理论的电磁作用和惯性参照系的关系

    相对运动和引力作用在物体存在的本身所具有的惯性上存在着这种定义系统的区别。两种传统的定义系统表明两种处理方法。一方面需要鉴别哪一种处理方法更为适用,另一方面,我们需要针对物体本身的存在属性来确立是否还存在其它的模式构成对物体质量的影响。物质之间是通过电荷间的作用而结构到一起,那么这种电的作用是否会对质量产生影响呢?

    电荷和相对运动存在确定的关系,我们知道它会在垂直于电荷的运动方向上产生磁场,那么在不同的电场作用强度上呢?我想这是一个需要探索的问题。依据相对运动和引力的作用的类比上,对于相对论不能否认这样的可能性的关系。即:物体的质量和电的作用强度存在一定的关系。可是这样的关系在实际定量方法上存在很大的不确定因素。我们不能采用常规的方法来检验。可以反映在如下的几方面:

  第一、物质本身就无时不刻的处于微观的电场中,电子、原子核。物质的本身就是由无数的电场点源构成。

  第二、不论我们建立什么样的电场,其实质是抽掉某一个物质中的负电荷,或者增加负电荷来实现。是物质的正负电场的作用平衡状态被打破。这是对于宏观的电场现象,对于原子、分子、基本粒子例外。

  第三、运动的电荷除了电的作用之外,还存在磁的作用。在电与磁的转化关系上来说,这是经验约定。(在后面电磁理论的内容中,还要讨论这个问题)在经验约定的本身之后,是否还存在其它的模式。

  第四、在相对论中,质量的改变同物质的背景或者说定量参照系统是分不开的,那么在电场中,是否也需要针对这样的参照系统呢?由于电子、原子核、原子都处于一种运动状态,那么精确的状态将是无法确定的。

  如上是采用相对论的观念来看电场中的物质属性问题。

  在牛顿力学中,质量是一个不变的量,它不随作用强度的改变而改变。

3、客观实际的问题

   对于引力场而言,其作用是广域的,被看作是长程作用。而电磁作用则通常被看作是中程的。对于引力场,我们在定量过程中,所采用的定量手段和工具都不能跨出引力场的作用范围,不论是我们采用对天体运行规律的测量,还是对一个运动物体测量。我们所测定对象和测量工具都会受到万有引力的影响。相对论对这个问题是持肯定的态度。那么,在电场中我们对物体状态的测量呢?我们可以肯定,这种磁场对定量手段和工具的影响相对的要弱一些。

  但是,由于引力场的长程作用,定量手段、工具和引力场的关系是可以采用协变系统来进行数学上的近似处理的,而电磁场的近距离作用,则不能采用协变系统来处理。因为对于磁场而言,我们可以找到一种不受磁场影响的定量工具。对于电场,我们也可以采用对电场影响较弱的定量工具来最低限度的降低这种影响。那么对于这种局域性的作用,电磁场对物质定量系统的影响则不具有普适性。

  这样,电磁场对物质的作用则不能采用类似于万有引力的协变系统来处理。必须将物质系统因此的改变完全归结到这种电磁作用上,而不是定量系统的其它的形式。对于矢量的纯粹的电磁作用,这是一种必然的方法。虽然这种作用会改变物质的存在状态和微观结构。

  对于引力场而言,采用广域的协变形式在物理上来说并不是合理的。因为物质间的作用形式并不支持这样的一种广域协变。在狭义相对论的观念中,时间、空间的协变性同运动方向无关可以说明这个问题(可参见相对论的终结),而对于非惯性参照系空间,加速方向和引力场方向的矢量属性也是同样的不具有普适性的特征。

  建立一种广域的协变系统来描述作用给于物质存在状态的关系是失效的。在这样广域的协变系统上,至少应该是同矢量无关的属性。然而,运动的本身就具有方向性,同样作用的本身也具有方向性。因此,不能建立一种协变系统来应用于对广域的物质运动状态和属性进行描述。

  这样,质量的惯性参照系统问题在定量系统上可以告一段落。我们不能采用协变系统的方案来处理惯性参照系统的电磁理论问题。

三、麦克斯韦电磁理论的极限

  关于电磁理论的极限问题,在空间的介质问题之三——光的本性与麦克尔逊—莫雷实验(上)(光的波动性)中已经进行了部分的讨论,这里我们来讨论细节的问题。

1、电磁理论的描述方法

(一)电磁理论的定义系统

   (1)电磁定义系统的理念基础

       电磁理论是表现为电和磁的两种作用规律的理论。因此,我们可以从电和磁两种作用上着手。

    提供电的作用的源体叫做电荷,在普通的物质中,是电子和原子核。此外,通过磁场的变化也可以获得电的作用。这个问题我们后面讨论。

    提供磁的作用的源体目前还是一个争议的问题。有的学者认为在物质世界中存在磁核,而有的学者认为磁的作用是通过电荷的运动来实现的,分子电流理论对磁现象的解释使这种观念成为主流。当然,这和寻找磁核的失败是不无关系的。但两种理论被看作是等效的理论。传统来看,两种解释模式对磁现象的解释是等效的。我认为两种理论对磁现象的解释是不同的。分子电流理论对磁现象的解释,理论上可以存在永动机,而磁核理论对磁现象的解释,永动机则不能存在。可参见磁动力能源原理之一——可能性的一种磁动力能源结构

    因此,对于磁的作用理论,在提供磁作用的源体上,是存在分歧的。存在两种方案。

  一种方案是将磁的作用建立在电荷的基础上,或者说磁的作用源体就是电荷,在电荷的相对运动参照系中、电荷的非惯性参照系中才会提供磁的作用。磁的作用是电的作用的不同的表现形式。电的作用是沿电荷的运动方向,而磁的作用则是垂直于电荷的运动方向。现代的物理学中通常将电磁作用当作一种作用(大自然界中存在四种相互作用,万有引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用),和这样的观念是很接近的。但并没有明却确定这样的关系。

  第二种方案是将磁的作用当作不同的电的作用表现形式单独的作用,虽然不能发现磁核的存在,但仍然将磁的作用并列为类似于磁核原体发出的相互作用。它是和电荷所提供的相互作用决然不同的相互作用。

     因此,在定义系统上,传统物理学中将磁的作用的定义建立在电的作用的基础上。通过电荷的运动来实现的磁的作用,这种磁的作用的源体为电荷。

  (2)电磁理论定义系统的模式

  在传统的电磁理论定义系统中,采用电荷作为作用的源体,主要通过如下的定义模式来完成电磁理论的定义系统:

   第一、建立静态电荷对外作用的关系。

  做库仑定律,静止点电荷间的作用力,正比于它们之间电量的乘积,反比于它们之间距离的平方。它表示电荷和其它静态电荷之间的空间位置间的作用关系。对于大量的群电荷对外作用的关系则是通过一个叫做电场高斯定律来实现的。即:通过任何一个闭合曲面的电通量与该闭合面包围的总自由电荷成正比。电场高斯定律是将库仑定律推广到任意电荷分布的情况。

   第二、建立电流和磁场的转换关系。

   建立电流和磁场的转化关系,这个关系叫做毕奥-萨伐尔定律,它表示一个电流和它在空间转化磁场的关系。在实用上,还存在另一个定律对这个关系进行描述,这个定律叫做安培环路定律,这个定律我们应用的也最多,在电磁理论中也是关键的一个关系。即:磁场强度沿任意闭合回路的线积分等于穿过这闭合回路所有电流强度的代数和。

   第三、建立非恒稳电流和磁场的相互转化关系

   非恒稳电流和磁场的转化关系又可以叫做电场和磁场的转化关系。它是通过两个定律来实现的。

   一个定律叫做楞次定律,它是确定感应电流方向的定律。感应电流的方向是使它所产生的磁场与引起感应的原有磁场的变化方向相反。

   另一个定律则叫做法拉第电磁感应定律。回路中的感应电动势于通过该回路的磁通量的变化率成正比的定律。

    现有的电磁理论通过建立如上的三个关系:建立静态电荷对外作用的关系、建立电流和磁场的转换关系、建立非恒稳电流和磁场的转化关系建立了电磁理论。此外,再加上判断电场和磁场间相互转化方向的两个法则:左手定则和右手定则,就可以推导出现在所有的电磁理论的内容。或者换句话说,现在所有电磁现象都可以通过如上的三个关系来实现解释。

  我们换用一种角度,我们所建立的这些定律和定则,都是建立在如上三种关系所描述的现象上的经验约定。那么对于理论而言,必须基于如上的三方面的经验事实。这就是电磁理论定义的系统思路。

(二)电磁理论中的结构关系

  我们通过电磁理论定义的系统思路,则不难发现电磁理论的结构关系,下面我们来探讨电磁理论的结构关系:

  (1)建立静态电荷对外作用的关系

   关于电荷对外作用的关系,在电荷的属性——以及基本电荷相互作用的特点中已经作了较为深入的讨论,主要基于三点:

第一点、物质对外界的作用可以当作一个点源处理。

  第二点、物质对外界的作用在空间(不得不使用传统的用语,因为这样便于理解)的延伸过程中可以当作各向同性。

  第三点、物质对外界的作用在延伸过程中其总量没有损耗。

   (可参见时间和空间的逻辑结构之六——时间、空间与物质的运动(下)——8)电场高斯定律将单电荷系统扩展到群电荷分布系统。实际上是单电荷系统的叠加普及。在处理作用模式的内容上,可以认为没有任何的改进。

   在对电荷对外作用的处理上,似乎已经非常完备了。其实则不然,不论是在物理上,还是在数学上,都存在结构衔接的问题。

   首先我们看第一点,物质对外界的作用可以当作一个点源处理。这样的一点已经限制了物质作用的处理范围,就是可以当作点源处理作用源。如果不能当作点源处理的作用源,则不在此规律的范围之内。在电磁理论扩展的过程中,点源的问题就是一个关键问题。在基本粒子间的碰撞过程中,两个粒子接近到非常近的距离,作用关系已经不能当作点源看待,那么这样处理模式则不在适用。那么这就是说,经典的电磁理论(也包括现在的电磁理论)不能处理粒子间电磁作用问题。

   第二点、物质对外界的作用在空间的延伸过程中可以当作各向同性。对于电磁理论而言,电磁的作用在空间延伸过程中的各向同性是没有实证的,它仅仅是作为一个经验约定。其中的理由除了空间的各向同性之外,还在于对空间的属性的认识,我们找不到其它的理由来做除此之外的推断。因此也可以看作假设的模式。这也是作为作用结构的节点。

   第三点、物质对外界的作用在延伸过程中其总量没有损耗。也是作为一种假设,也是一种守恒的模式,我们知道,在19世纪,守恒的模式是非常流行的。人们求证各种守恒规律。力的守恒、质量的守恒、动量的守恒、能量的守恒等等。这是一种观念的渗溶。在纯粹空间的问题上,我想我们还是应该将它看作假设。当然,不论是假设,还是一种理论应该的结论,这都需要求证。

   因此在电磁理论中,我们不能随意的将电磁理论应用于所有可能的空间模式,在基本粒子层次上,这是不能适用的,另一方面,空间的问题对作用的传递,还是一种假设的状态。对于长程的作用以及短程的作用,理论上仅仅是假设的模式,而只有在常规的传递空间里才可以认为经过实验检验。当然,电磁理论的应用范围主要在常规的领域。

      如上的观点是处于在绝对静止的情况,并不适用于相对运动系统间的电荷的作用规律。

  (2)电流和磁场的转换关系

   大家都知道,在电磁理论中,运动的电荷会在静止的参照系统中产生磁场。在传统物理学中将它们当作场物质,采用场物质的方法来区分场的作用属性是存在一定的困难的,尤其是电磁作用。在空间的介质问题之三——光的本性与麦克尔逊—莫雷实验(上)(光的波动性)已经讨论了这个问题,可参见。主要通过如下的途径:

  当一个电荷相对于一个参照系统运动的时候,这个电荷在垂直于运动方向的这个参照系统里会产生磁场,或者说磁的作用。如果磁场是一种物质的话,那么所产生的磁场不能叫做产生了新的物质。因为电子所运动的空间和参照系统的空间,是相同的空间,我们不能说一个参照系统里存在磁的场物质,而另一个参照系统中不存在这种场物质。因为空间是共用的。我们将这种传统的“磁的场物质”看作不同属性的作用是最为合理的。电的作用和磁的作用仅仅看作是不同属性的作用是最为合理的,除此之外,通过物质的模式进行解释是不能合理解释的。

  关于电流和磁场的关系,有一个很著名的现象,这个现象就是电流的磁效应,它是丹麦物理学家奥斯特发现的。这个现象是非常重要的一个现象。电流和磁场的转化关系就建立在这个现象基础上。毕奥-萨伐尔定律就是对这个现象所引起的电流和磁场数值关系。安培环路定律则是在这个基础上的进一步的扩展。

   我们知道,大规模电荷的定向移动除了雷电之外,形成电荷的大量定向移动是人类智慧的结晶。电流和磁场之间的转化关系在这种意义上来说完全来自于人类智慧对自然事务的开创。而这些,可以认为是在群电荷的基础上。应用的范围,也是在群电荷的基础上。

   对于一个孤立电荷由于相对运动所在不同的参照系统中产生的磁的现象,我们是不是需要依据电磁理论进行外推而得到确定性的结论,我想应该还为时太早。因为建立在“磁的场物质”基础上的解释,是值得怀疑的。

   如何去描述电荷所产生的磁的现象,并解释微观作用机制,这是值得选择的问题。当然,关于电流和磁场的转化关系,在常规的应用领域已经处理的非常的好了,对这方面,是需要继承传统的物理关系的,对于粒子领域以及磁作用的机制问题,我认为重新进行解释是非常必要的。在这方面,是需要抛弃现有的作用理论模式的。这对于微观物质的解释上,将会非常的至关重要。

   那么,现在我们就来看磁的作用和电的作用的转化的机制。

  (3)建立非恒稳电流和磁场的相互转化关系

  回路中的感应电动势于通过该回路的磁通量的变化率成正比的关系——法拉第电磁感应定律,建立了非恒稳电流和磁场的关系。这也是建立在大量电荷定向移动基础上的规律。并且其形式是经验约定。在这里,电场和磁场的经典理论在微观作用的基础上反映出破缺和无奈,下面我们来看:

  一个稳定的电流可以在电流的周围产生一个稳定的磁场分布,但是,一个稳定的磁场却不能在这个稳定磁场的周围产生稳定的电流(或者说感应电动势)。而只有在匀变化的磁场中才可以产生一个稳定的感应电流(或者说感应电动势)。在这种电磁理论模式中,已经将电磁理论中的微观作用机理建立在电荷的状态属性之上,我们从电荷的定向运动过程中丝毫不能找到另一种磁场物质存在的任何可能性。因为在电磁现象的经验约定规律上,都是采用电荷的运动来定义的。电荷的运动产生磁场成为电磁理论的最基本的经验约定的客观事实。这样,磁作用的定义则和磁核无关了。至少在现在电磁理论的定义体系中是这样的。

  这样的电与磁之间的作用现象通过天然磁场(磁铁)也是同样适用的,和电流产生的磁现象是可以通用的。在经验现象中,仅仅将磁场划归到电流理论中是不完全的,分子电流理论和磁核理论也是为了解释天然磁性物质而设,两者在现在的电磁理论中可以互为通用。当然,在电磁理论中,磁核理论和分子电流理论仍然为一大难题。我在磁动力能源原理之一——可能性的一种磁动力能源结构 中提出一种磁动力方案,该方案磁核理论和分子电流理论存在着区别。

  另一方面,在传统的电磁理论中,对于磁现象的解释,磁核和分子电流理论在解释途径上则得出了一个结论,传统的电磁理论中没有磁核定义的模式,都是通过电荷运动的经验约定定义的。传统的电磁理论对于磁属性的磁核还是具有一定的排斥性的。

  传统的电磁理论既承认磁场是一种物质,并且和电场存在着不同。也将电场和磁场合称为电磁场,以至于我们通常将电领域和磁领域合称为电磁领域。电场和磁场被确认为是两种不同属性的场物质。但是电荷给予在不同惯性参照系中的不同作用属性本身,在作用的机理上就存在这样的矛盾。通过两种场物质去定义两种作用是导致这种作用机理不能协调的原因,也正是这样的原因,使我们不能在作用的本身上合理的处理电与磁的作用。以至于不能将电磁理论在经验约定的基础上前进一步。当然,被认为是理论预言并且在自然界中所没有的东西在经典电磁理论中还是存在的,这就是电磁波。但实际上并不是这样,下面我们来看这个问题。

2、电磁理论的描述范围

(1)电磁波的预言

  我们知道,在一个世纪以前电磁规律中,人们所获得的经验感觉都来自于群电荷的运动以及磁铁的运动,磁场可以采用线圈来实现。这样采用电源和导线就构建了电磁理论的经验约定。电与磁之间的转化关系也完全依赖于此。非恒稳电流和磁场的相互转化关系——法拉第电磁感应定律以及楞次定律,就提供了这样一种模式,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场。麦克斯韦先生在总结电磁理论的规律时所建立的麦克斯韦方程组将这一现象发挥到了极致。他认为电场和磁场可以通过空间进行传递,位移电流的引入将电磁作用形式扩展到普遍的空间中。变化的电场产生磁场以及变化的磁场产生电场可以相互感应的传递下去,可以说感应电场和位移电流对电磁理论的推广作出了非常重要的贡献,大家知道,这直接导致电磁波的预言。这一预言在1886年被赫兹所证实。

  但是,由于电与磁的作用现象不是通过实物的某一过程来进行的,通过我们不能直接观测到的场的作用来实现的,实际的作用途径我们是未知的,对此只能是猜测。对磁场的描述,从法拉第的磁力线的概念可见一斑。通过电力线的特点——其起源于正电荷而止于负电荷,我们不难看到这样的思路,即:电力线仅仅是一种辅助说明的工具。赫兹所采用的实验——电磁波的发射,其原理叫做偶极子震荡发射,从电力线和磁力线的垂直相互感应似乎可以给予电磁波发射原理一个很好的说明。在原理的应用上,我们恰恰忽略了电力线和磁力线仅仅是为了方便说明的一个工具。

  现在,麦克斯韦先生的电磁理论被看作是完善的电磁理论,对于电磁现象的广泛应用似乎说明了这样的理论的正确性。也许这就是导致现代物理数学化趋势之一。但也正是这样的完美的数学表述的物理理论,导致物理走入了数学描述的主要方向。也正是这样的方向,导致了物理走入了一条漫长的弯路,直到现在,我们还不能从这种弯路中走出来,也许还需要很长的一段时间。因为观念的改变和接受需要时间。

  (2)麦克斯韦电磁理论的局限性

  在现代物理学中,通常将原子发出的光和震荡电流产生的电磁波统统叫做电磁波。可是在原理的解释上,原子发出的光在原子物理中采用量子论的解释方案,这种解释方案和震荡电流所产生的电磁波的途径是绝然不同的。我们从两种方案中不能找到同样作为电磁波的共性。量子化原子轨道理论的建立将光和电磁波完全分割开来。

  在近代物理的发展过程中,提供光和电磁波解释的现象是很多的。比如伦琴发现阴极发射的电子在靶上打出的X射线。但是很少能有人考虑到光和电磁波发射过程中的共性。在电磁波发射理论中,偶极子震荡形象地采用力线获得了形式上的解释、原子理论中电子轨道的跃迁同样的不能去研究发射过程,因为这超乎我们的想象和理解、同样的电子在阴极靶上所打出的X射线也被解释为电子能量的释放。同样都是电磁波,然而,麦克斯韦电磁理论确是无能为力,无法统一的描述。这只能说明,麦克斯韦电磁理论不具有电磁描述的普适性。

(3)电磁现象的共性

  对于静电场而言:

  抽掉某一个物质中的电子,或者增加电子,就可以得到电场。普通的电场现象可以认为是物质的正负电荷的作用平衡状态被打破。那么微观带电粒子对外界的作用就形成静电场的作用。在电磁理论中,我们计算这个电场给予外界作用通常采用场强等带电粒子整体对外界的作用,虽然在计算过程中也对空间电粒子对外作用采用积分的方法。但是其思路是群电荷对外作用。在实验的验证上,也是群电荷对外界的作用。不能被认为是孤立带电粒子对外界作用规律经过实验验证。

  对于电流而言:

  至少现在被看作大量电荷定向移动的现象。电流在空间中产生的磁场可以看作大量电荷给予空间中的作用,或者更确切的说是大量电子在导线中定向移动过程中给予空间的作用。由于导线中正电荷和负电荷的数量相同,因此导线对外界的作用仅仅是电荷的移动所形成的垂直导线方向的磁的作用。大量运动电荷给予空间的作用有些不同,其不同之处在于除了这种磁的作用还存在电荷电的作用。这是因为在电荷通过的空间里没有等量的异种电荷。

  对于电磁波而言:

  导线所产生的电磁波就在于导线中的电流存在强烈的变化,通常我们所采用的电磁波发射是采用导线中的电流高频震荡。由于导线中的电流不断的往返震荡,那么给与外界的磁的作用也是相同的周期的往返震荡。

  电子或者带电粒子所产生的电磁波(光、X射线等),是高能带电粒子的和物质的碰撞行为,热发光等都可以看作是带电粒子在相互作用过程中所产生的剧烈的变速行为。

  通过以上三个方面,在传统的电磁理论中,所有的电磁现象都可以看作电荷对外界的作用。其中电流的变化对外界的作用产生电磁波。电荷的变速行为对外界的作用也可以产生电磁波。(当然,这样的看法还不是很全面,比如磁铁对外界磁的作用,但是对于经典的电磁理论或者说麦克斯韦电磁理论来说,这样看法还是比较合适的。因为在传统的电磁理论中并没有定义磁的作用源体,采用电荷运动定义的磁场是等效的)

  这样,电磁现象的共性就在于两方面,一方面在于电粒子静止状态对外界的作用。另一方面在于电粒子运动状态给与外界的作用。

  细划分到电磁波的解释也同样可以划归到两方面,一方面是以群电荷在导线中的运动,运动方向、电荷数量的大小发生剧烈变动的时候,电流给与外界的作用。另一方面是以孤立电荷的运动状态发生剧烈改变的时候,电荷给与外界的作用。

  而这些却是传统的电磁理论所不能做到的。下面我们来看这个问题。

(4)电磁理论的描述范围

  电磁理论未曾从群电荷的电磁行为扩展到孤立电荷的电磁行为,主要在于一个定律阻碍了电磁理论的扩展,这个定律就叫做法拉第电磁感应定律,即:回路中的感应电动势于通过该回路的磁通量的变化率成正比。

  这个定律导致人们关于电和磁之间相互转化的关系为感应的模式,麦克斯韦感应电场和位移电流对这种感应的模式进行了进一步的扩展。更为关键的是,在电磁理论中建立了严密的数学,这种严密的数学严重的对微观电磁属性的进一步认识构成障碍。而这些,都是建立在群电荷的基础上。

  因此,麦克斯韦的电磁理论主要适用于导线中的电流对外界作用现象、群电荷对外界作用现象。

此外,扭称试验对库仑定律的证明范围中证明了库仑定律不能适用于原子领域,可参见该文。

  其实,只要我们采用作用的模式,那么一切都是非常简单了。这个问题我们将在第四部分电磁理论的发展中去讨论。

3、电磁理论的极限

    除了采用经验约定的几类现象导致的定律范围作为电磁理论的基础之外,电磁理论并未曾在电磁理论中进行扩展,当然,数学上的扩展还是存在的,比如我们前面所提到的麦克斯韦电磁理论中位移电流和感应电场对电磁波的扩展。从物质间的作用角度来说,这种扩展是不存在的。对这个问题,我在2000年2月份的一篇文章中讨论过这个作用问题,可参见电磁理论与原子论栏目中的电磁波,下面我们来详细的讨论其中的关键部分。

  在传统的电磁理论中采用电场强度和磁场强度来描述一个电荷系统对空间激发的对外界的作用。电力线的概念则是这种观念的代表。但是,电力线是一个电荷在电场中受力点的连线。它和电荷在电场中所受到的群电荷的合力作用是相吻合的。根据场强叠加原理,那么电力线仅仅是一个电荷在电场中受力作用的形象描述。磁力线在磁场强度和方向上是相类似的。采用这种形象地描述方法对于静态场的描述是非常吻合的,然而对于动态场的描述则是错误的了。

  首先,动态的电场或者磁场都可以导致电磁波的传递,那么电磁波是一种波,在电磁波的传递形式上,是要遵守一个原理的,这个原理就是惠更斯原理。但是在作用原理上确是电磁场间的感应。关于惠更斯原理的问题可参见速度的问题之二——震动与波(上)。惠更斯原理内容如下:

  波所到达的任一点,都可以看作是发射子波的波源,在其后的任意时刻,这些子波的包迹(共切面),就是新的波前。

  惠更斯原理关于电磁波的传递方向是不能适用的。在这个问题上,就是电磁场间的感应模式是错误的电磁场传递模式。我们不能采用法拉第电磁感应定律来对变化电磁场间的转换进行物质间的作用描述。对于群电荷的运动变化,是可以在群电荷运动方向的周围产生磁场的作用,这是以电荷作用原体对外作用而产生的作用,如果没有电荷呢,这是很难想象的。没有作用原体,何来的作用。传统物理教材中都采用下图对电磁波进行描述:

mkswdclldjxyfzh-1.gif (4840 字节)

  真空中的位移电流是不存在的,没有电荷怎么来的电流呢?电场作用的原体是电荷,如果真空中没有电荷的存在,感应电场又是如何的存在呢?只要我们从物质间的作用思考一下这个问题,就不能发现麦克斯韦电磁理论中所引入的两个概念感应电场和位移电流是不存在的。它们只是上图中电磁波传递的辅助性的说明工具。不具有任何实在的意义。也可以这样说,如果真空中不存在电荷,那么电磁波就不能传递下去,这显然不具有客观实在的意义。

  我们可以看到,经典的电磁理论在引入的两个概念上,是一种形式上的数学描述。不具有任何实际的意义。当然,这个问题的追根溯源,当然要划归到法拉第电磁感应定律上。我们当然也可以说,法拉第电磁感应定律是一种形式上的描述。它不具有物质作用的特征,只具有形式上的描述。

  这样,电磁理论在电磁波的领域里是失效的。或者严格的说,经典的电磁理论不能对电磁波的传递、电磁波的作用进行描述,它所描述的电磁波仅仅是数学上的描述,不具有客观实在的意义。

四、电磁理论的发展

  电磁理论的发展似乎已经非常的完备了,但是在物质间作用的角度来看待电磁理论问题,那么传统的电磁理论存在一定的片面性。这种片面性就在于电磁理论所适用的范围。

  电磁理论在静态场中不能适用于孤立电荷。在电荷间线度比大于1012数量级范围是适用的,这是库仑定律经过试验严格检验的范围(大于原子的尺度。可参见电磁理论与原子论之一库仑定律的适用范围)。电磁理论在小于1012数量级范围是可以进行扩展的范围。

  电磁理论在动态场中不适用于描述(就是我们通常所说的电磁波),前面我们已经提到这个问题。建立新的电磁理论描述途径是需要的。实际上采用新的电磁理论描述途径应该采用作用的角度去出发。这样具有更为广域的适用性。实际上,采用作用的角度去描述电磁问题,可以适用于所有的电磁领域。它会弥补现有电磁理论的不足,并且更为简单。关于这部分我已经作了最简单的尝试,可参见扭称试验对库仑定律的证明范围、电的作用、电磁波等。从微观上,可以推广到带电粒子,同时也可适用于宏观,从静态场可以推广到动态场。并且和现有的电磁理论相接轨。从方法上来说,几乎可以满足所有的电磁现象的描述。当然,这是我的看法。

2002年12月2日

后语:关于本文,原计划是在一个月前和大家见面,但是由于有一些烦心的事情,不能让心情静下来,也就无法去搞这些分析了。所以拖延到现在。从思路上也不是很连贯。到后来就从简了,有什么问题和想法请发email:zhixie@netease.com


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