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物理学的进化 作者:[美]艾.爱因斯坦利.英费尔德-第章

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    场的图示法结出了它的第一个果实,如果我们不画出场作为启发,我们很难看出通过螺线管的电流和磁捧之间有什么相似之处。
    现在场的概念将经受更严格的考验,我们很快就将知道它不仅仅是一种关于作用力的新的图示法。我们可以这样想:暂且假设场惟一地表征由它的源所规定的一切作用。这只是一个猜测。这句话的意思是,假如螺线管的场与磁棒的相同,则它们所有的作用也一定相同。也就是说,两个通电的螺线管的行为会跟两根磁棒的一样,它们相互吸引或推斥,而引力或斥力与距离有关,这完全和两根磁棒所发生的情况一样。这句话还表示一个螺线管和一根磁捧之间也会像两根磁棒一样地吸引或推斥。简单地说,通电的螺线管所有的作用和磁棒的相应作用是一样的,因为只有场能起这些作用,而场在这两种情况里具有相同的性质。实验完全确认了我们的猜测。
    没有场的概念要想找出这些论据会是多么困难呀!要把作用于通电的金属线与磁极间的力表示出来是非常复杂的。假如是两个螺线管,便须研究两个电流相互作用的力。但是一旦利用场的概念,我们发现螺线管的场和磁棒的场是相似的,我们就可以立刻认识所有这些作用的性质了。
    我们现在有理由更加重视场了。对描述现象来说,似乎只有场的性质最为重要,场源不同是无关重要的。场概念的重要性在于它能够引导我们发现新的实验论据。
    场已经被证明是一个很有用处的概念。它起初只是当作在源与磁针间的某种东西,用来描述两者之间的作用力。它被想象为电流的“经纪人”,电流的一切作用都靠它来完成。但是现在经纪人还兼充翻译员,它把定律翻译成简单、明确、易懂的语言。
    场的描述的最大功绩意味着用它来间接地考察电流、磁棒、带电体的所有作用将变得很方便,亦即可借助于场作翻译员。我们可以认为场总是跟电流连在一起的某种东西,即使没有一个磁极去检验它是否存在,它总是存在的。我们还要把这个新的线索加以引申。

    带电导体的场可以用描述引力场、电流的场或磁棒的场的同样方法来叙述。我们同样再举出一个最简单的例子,要画出一个带正电的圆球的场,我们必须提出这样一个问题:当一个小的带正电的检验体放在作为场源的带电圆球附近,它会受到什么样的力的作用?我们之所以用一个带正电的检验体而不用一个带负电的,这只是一个惯例,它只是决定力线的箭头应该朝哪一个方向画(图47)。因为库仑定律与牛顿定律相似,所以这个模型跟前面引力场的模型(图42)也相似。两个模型的惟一不同之点便是箭头的方向相反。两个物体的正电荷相互推斥,而两个物体的质量相互吸引。可是一个带负电的圆球的场会跟引力场相同(图48),因为小的带正电的检验体会受场源的吸引。

    假使电极与磁极都处于静止状态,那么它们之间不会有任何相互作用,既没有吸引,也没有推斥。若用场的语言来表述这种情况,我们可以这样说:一个静电的场对一个静磁的场没有影响,反过来说也一样。“静场”是指不依时间而变化的场。假如没有外力的干扰,磁棒与带电体可以放在一处而永不发生作用。静电场、静磁场和引力场的性质各不相同,它们不会互相混合;不论有无其他的场存在,各自保持自己的个性。
    现在我们回到带电圆球上来,它原来一直处于静止状态,现在假定由于受某种外力的作用而开始运动。带电圆球运动了,这句话用场的语言来说便是:带电体的场随时间而变化。但是根据罗兰的实验,我们知道带电的圆球的运动相当于电流,而每一电流必有一磁场相伴存在。因此我们论证的程序便是:
带电体的运动→电场的变化
↓
电流→伴随有磁场
    因此我们断定:由带电体的运动而产生的一个电场的变化,永远由一个磁场相伴。
    我们的结论是根据奥斯特的实验作出来的,但是这一结论所包含的意义还不止这些,它使我们认识到一个随时间而变化的电场与伴随着的一个磁场对于我们作进一步的论证是非常重要的。
    带电体在静止的时候只有静电场,而带电体一旦运动,磁场就出现了。我们还可以进一步说,假使带电体更大,或运动得更快,则由带电体运动所产生的磁场也更强。这也是罗兰实验的一个结果。用场的语言来说,电场变化愈快,相伴的磁场便愈强。
    电流体的学说是依照机械观建立起来的,这里我们已把熟知的论据由电流体的语言译成场的新语言了。我们在后面还会看到,这种新语言是多么清晰,多么有用处!
场论的两大台柱
    “一个电场的变化永远由一个磁场相伴。”假使我们把“电”与“磁”两个字互换一下,这句话便变成:“一个磁场的变化永远由一个电场相伴。”这种说法是否正确,只有实验才能决定。但是,这是由于使用了场的语言,所以才形成了提出这个问题的观念。
    在100多年以前,法拉第做了一个实验,这个实验导致了感生电流的伟大发现。

    这个现象的演示是很简单的(图49),只需要一个螺线管或其他电路,一根磁棒以及一种检验电流存在与否的仪器。开始时,在构成一个闭合电路的螺线管附近有一个静止的磁棒。因为不存在电源,导线中没有电流通过,这里只有不随时间变化的一个磁棒的静磁场。现在我们很快地改变磁棒的位置,或者移开些,或者挨近些,在这个时刻,导线内立刻就有电流出现,随即又消失了。每当磁棒的位置改变一次,电流就会重新出现一次,而这种电流可以用相当灵敏的仪器检验出来。但是根据场论的观点看来,一个电流表示有一个电场的存在,这个电场迫使电流体在导线中流动。当磁棒再静止时,电流便消失了,电场也同样消失了。
    设想我们目前还不知道场的语言,而要用机械观的概念定性地和定量地来描写这些实验结果。我们的实验就这样表示:一个磁偶极子的运动产生了一种新的力,这种力使导线中的电流体流动。于是又产生了这样一个问题:这种力与什么有关?这是很难答复的。我们必须研究这种力与磁棒的速度的关系,与它的形状的关系以及与线圈的形状的关系。而且,如果用旧的语言来解释的话,这个实验不能告诉我们是不是用另一个通电电路的运动来代替磁棒的运动,也能产生感生电流。

    假使我们用场的语言,并且相信作用是由场所决定的,那么结果就完全不同了。我们立刻可以看到通电的螺线管会起到磁棒一样的作用。图50上画出了两个螺线管:一个较小,其中有电流通过,另一个较大,其中有感生电流可以检验出来。我们可以像前面移动磁棒一样移动小的螺线管,结果在较大的螺线管中便会产生感生电流。此外,我们可以不用移动小的螺线管的方法而用产生和消除电流,也就是用接上和断开电路的方法来激起和消除磁场。我们又一次看到,场论所提出的新论据又被实验所确认了!

    我们来举一个比较简单的例子。我们取一个没有任何电源的闭合导线,在它的附近有一个磁场。至于磁场的源是另一个通电的电路还是一根磁棒,这是无关重要的。图51中画着闭合电路和磁力线。用场的术语来对感应现象作定性和定量的描述是很简单的。如图所示,有些力线通过线圈所围成的圆,我们必须考察通过线圈所围住的那部分平面的力线。不论场有多强,只要场不变,便不会产生电流。但是一旦通过闭合电路所围住的圆的力线的数目有所变化,那么它上面就立刻引起电流。电流是由通过这个面的力线数目的变化来决定的,而电流也可以引起力线数目的变化。这个力线数目的变化不论对感生电流作定性的或定量的描述都是惟一重要的条件。“力线数目变化”是指力线分布密度在变化,而我们记得,这句话的意思就是场的强度在变化。
    在我们的推理程序中最重要的几点是:磁场的变化→感生电流→带电体的运动→电场的存在。
    因此,一个在变化着的磁场总是由一个电场伴随着的。
    于是我们找到了支持电场和磁场理论的两个最重要的台柱。第一个是
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