|
——場(chǎng)的電動(dòng)力學(xué) 二十世紀(jì)是物理學(xué)極快發(fā)展的時(shí)代，它不僅發(fā)展了人類的認(rèn)識(shí)，并突破了過(guò)去經(jīng)典力學(xué)的認(rèn)識(shí)，建立起了全新的認(rèn)識(shí)領(lǐng)域。而這種認(rèn)識(shí)都與場(chǎng)的概念有關(guān)。 在十九世紀(jì)中后期，隨電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，以太學(xué)說(shuō)盛行，并力圖尋找以太的絕對(duì)坐標(biāo)系，結(jié)果是以否定了以太的存在，相對(duì)論與量子力學(xué)的建立而結(jié)束。與此同時(shí)，電磁場(chǎng)的概念出現(xiàn)了，它替代了填充時(shí)空的以太，作為電磁相互作用的介質(zhì)而被人引入。這是場(chǎng)作為自然的存在首次被認(rèn)識(shí)。隨后場(chǎng)的概念在很多場(chǎng)合被應(yīng)用，尤其是在量子力學(xué)中，場(chǎng)起到了十分重要的作用。 場(chǎng)是指實(shí)物質(zhì)相互作用過(guò)程中的時(shí)空中的存在，它是運(yùn)動(dòng)物質(zhì)存在形式的體現(xiàn)。即只要是有運(yùn)動(dòng)物質(zhì)存在，就一定存在場(chǎng)，但它又是與實(shí)物質(zhì)相輔相承的不同存在，是與實(shí)物質(zhì)相對(duì)不同且矛盾的一種物質(zhì)存在形式。如實(shí)物粒子是有的話，場(chǎng)則相對(duì)為無(wú)。如實(shí)物粒子有質(zhì)量，在時(shí)空中有實(shí)在確且的位置顯示，可相對(duì)運(yùn)動(dòng)也可相對(duì)靜止，可與其它物質(zhì)發(fā)生相作用，且是具有一定能量的凝聚體；而場(chǎng)則沒(méi)有質(zhì)量，沒(méi)有實(shí)在位置的顯示，它在時(shí)空中到處存在，只是作為實(shí)物質(zhì)相互作用的一種類似介質(zhì)形式的存在而以，其實(shí)是什么實(shí)在的東西也沒(méi)有的存在。但在場(chǎng)中如果能量凝聚卻可產(chǎn)生實(shí)物粒子。 宇宙中存在一些基本的規(guī)律，這就如人們經(jīng)常談到的科學(xué)美?？茖W(xué)美也確實(shí)啟迪了人的思想及使人的思想更加明晰?？茖W(xué)美無(wú)非是指部分與部分、部分與整體的固有協(xié)調(diào)，也即它們間的適度、雅致、和諧、對(duì)稱、平衡、有序、統(tǒng)一、簡(jiǎn)單性、思維經(jīng)濟(jì)等等。而普遍和諧是眾美之源，是宇宙的普遍規(guī)律，即宇宙的內(nèi)部和諧是唯一的美、是最根本的規(guī)律。 場(chǎng)當(dāng)然也是如此，因?yàn)閳?chǎng)也是宇宙中的運(yùn)動(dòng)物質(zhì)存在形式。但到目前為止，對(duì)場(chǎng)的模寫并沒(méi)有注意到這些。比如電磁場(chǎng)到目前為止仍是不對(duì)稱的。 現(xiàn)代科學(xué)已發(fā)展到要從整體上認(rèn)識(shí)自然，即要回到從自然的整體統(tǒng)觀認(rèn)識(shí)的道路上來(lái)。現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展很多都是在過(guò)去科學(xué)分區(qū)的銜接處出現(xiàn)的，就是明顯的例證。也只有統(tǒng)覧全局，才能找到適用范圍更廣的有序規(guī)律。 對(duì)稱，是指事物或運(yùn)動(dòng)以一定的中間環(huán)節(jié)進(jìn)行某種變化時(shí)所保持的不變性。而對(duì)稱破缺則是與之相反，是指事物或運(yùn)動(dòng)以一定的中間環(huán)節(jié)進(jìn)行某種變化時(shí)出現(xiàn)的變化性。即對(duì)稱是變化中的同一性，而對(duì)稱破缺是變化中的差異性?；?qū)ΨQ是矛盾雙方的靜態(tài)鏡象顯示，而對(duì)稱破缺是矛盾雙方的運(yùn)動(dòng)演化顯示。 1905年愛(ài)因斯坦發(fā)表了“論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)”[1]，討論了關(guān)于時(shí)間的電動(dòng)力學(xué)，他從運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)不對(duì)稱討論起，引出了空間中同時(shí)性事件的判斷，最終得到了現(xiàn)在廣為人知的相對(duì)論。但時(shí)至現(xiàn)今關(guān)于空間的電動(dòng)力學(xué)還不曾有人討論。其實(shí)現(xiàn)在的電動(dòng)力學(xué)不僅在時(shí)間中有對(duì)稱性問(wèn)題，在空間中同樣存在不對(duì)稱問(wèn)題。這里要討論的則是空間的電動(dòng)力學(xué)。 1864年麥克斯韋爾（James Clerk Maxwell）集前人之大成，創(chuàng)立了聞名于世的麥克斯韋爾方程組，從而奠定了電磁學(xué)的基礎(chǔ)，為人類社會(huì)的電磁學(xué)應(yīng)用開拓了道路。此方程在1888年赫茲（Heinrich Rudoly Hertz）發(fā)現(xiàn)電磁波后被確認(rèn)，尤其在愛(ài)因斯坦的相對(duì)論確立后，時(shí)至今日麥克斯韋爾方程已被確認(rèn)是正確無(wú)疑的。 但麥克斯韋爾方程是缺乏對(duì)稱性的。這在麥克斯韋爾自己建立經(jīng)典電磁理論時(shí)已發(fā)現(xiàn)了，但限于當(dāng)時(shí)的歷史科學(xué)發(fā)展水平，他自己也只好留下了這一缺憾。而隨后的愛(ài)因斯坦（Albet Einstein）在“論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)”中，從這不對(duì)稱性出發(fā)，經(jīng)過(guò)分析，最終創(chuàng)立了狹義相對(duì)論，從而解決了麥克斯韋爾方程在時(shí)空（坐標(biāo)）變換下的不變性（對(duì)稱性）問(wèn)題，并完全否定了有機(jī)械性質(zhì)的以太存在。 其實(shí)麥克斯韋爾方程的不對(duì)稱性表現(xiàn)為兩個(gè)方面。第一為由運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性引起的問(wèn)題，這正如愛(ài)因斯坦在論文中所闡述的，“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。”[2]從而最終以狹義相對(duì)論解決了不存在決對(duì)靜止坐標(biāo)系（特殊優(yōu)越的參考系），使麥克斯韋爾方程具有了時(shí)間變換的協(xié)變性，開創(chuàng)了物理學(xué)的新天地。第二為在空間中麥克斯韋爾方程本身的電、磁場(chǎng)不對(duì)稱性，這是十分明顯的，也在運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性中顯示的更清楚，但這一問(wèn)題至今并末獲得解決。 在真空中，即在ρ=0 的情況下，麥克斯韋爾方程為（在高斯單位制下）： （1） 式中： 其中Ｅ為電場(chǎng)強(qiáng)度，Ｈ為磁場(chǎng)強(qiáng)度，Ｄ為電通量密度，Ｂ為磁通量密度，ρ為電荷密度，ε為介電常數(shù)，μ為導(dǎo)磁率。 可以看出，在真空中電、磁場(chǎng)完全是對(duì)稱的，其在任何坐標(biāo)系中的形式都是相同的。而在存在電荷的情況下電磁學(xué)方程的形式成為（在高斯單位下）： 這些則構(gòu)成了現(xiàn)代經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。但可以明顯的看出這時(shí)的電場(chǎng)與磁場(chǎng)是不對(duì)稱的了。 這時(shí)在真空中可以得到： （3） 同樣可得到 這就是電磁波方程。其解為： 由于赫茲在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了電磁波的存在，從而麥克斯韋爾方程的正確性也就被人確認(rèn)，使麥克斯韋爾方程成為電磁學(xué)的基礎(chǔ)。但僅就電動(dòng)力學(xué)方程而言，在所謂的真空中其電場(chǎng)與磁場(chǎng)是完全對(duì)稱的，但在有了物質(zhì)以后就不對(duì)稱了，這是為什么？ 從上面的討論可以看出，電場(chǎng)與磁場(chǎng)可以是分立的，其各自獨(dú)立存在，即電磁波可以是獨(dú)立的電波或獨(dú)立的磁波（如圖一所示），并不存在其之間的必然聯(lián)系，這就是問(wèn)題的所在。我們知道波是一種能量的傳播過(guò)程，它的傳播過(guò)程實(shí)際上是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)能量由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式的連續(xù)變化的結(jié)果。如水波、聲波等都是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與勢(shì)能不停轉(zhuǎn)化的結(jié)果。那么這單獨(dú)的電波、磁波又是如何轉(zhuǎn)播的呢？ 同時(shí)隨著人類認(rèn)識(shí)的發(fā)展，又提出了磁單極 （Magnetic monopole）的問(wèn)題。 一九三一年狄喇克 （Paul Adrien Maurice Dirac ）從分析量子系統(tǒng)波函數(shù)相位的不確定性出發(fā)，指出現(xiàn)有理論允許只帶一種磁荷的粒子單獨(dú)存在，并在尋求電荷的量子化解釋時(shí)，導(dǎo)出了相應(yīng)的狄喇克量子化條件[3] : （4） 其中ｇ為磁單極的磁荷，ｑ為帶電粒子的電荷， ?為約化普朗克常數(shù)， ?＝ｈ／２π，ｃ光速，ｎ為自然數(shù)。當(dāng) ｎ＝１ 時(shí)，對(duì)應(yīng)最小的電荷與磁荷，稱單位電荷與單位磁荷 。 由于狄喇克在理論物理學(xué)領(lǐng)域中取得的一系列成功，使他的威望極大的提高，在這種背景下，他提出磁單極的概念，很快引起人們的注意，并對(duì)這一概念十分著迷。幾十年來(lái)，直到最近的大統(tǒng)一理論，對(duì)磁單極的興趣都有增無(wú)減，并用各種理論試圖證明磁單極的存在，同時(shí)想盡一切辦法進(jìn)行對(duì)磁單極的找尋。 作為物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的客觀存在，其確證必須是能被人在實(shí)踐中觀測(cè)到。由此人們對(duì)磁單極進(jìn)行了廣泛的搜尋，如在宇宙線中、磁鐵礦中、海底沉積物中、隕石中、月球巖樣中、加速器的轟擊產(chǎn)物中等等進(jìn)行了尋找，但至今一無(wú)所獲。只有在一九八二年美國(guó)斯坦福大學(xué)物理學(xué)家布拉斯·卡布雷（ B.Cabrera ）等人，用超導(dǎo)線圈進(jìn)行了五個(gè)多月的測(cè)量，在情人節(jié)（２月１４日）這天下午一點(diǎn)五十三分，超導(dǎo)線圈突然出現(xiàn)了持續(xù)電流，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。而據(jù)測(cè)得的電流值推算出的磁單極的磁場(chǎng)強(qiáng)度，與狄喇克量子化條件所預(yù)言的數(shù)值完全吻合〔4〕。但這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表后，很多人重復(fù)實(shí)驗(yàn)卻得不到結(jié)果。他們自己也改進(jìn)了儀器靈敏度，也沒(méi)再獲得其它結(jié)果。經(jīng)過(guò)八年后，他們自己又在一九九0年〈 物理評(píng)論通訊 〉二月號(hào)上宣稱，對(duì)一九八二年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果今后應(yīng)不予理會(huì)〔5〕，即又否定了前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。也就是說(shuō)，直到現(xiàn)在，磁單極作為運(yùn)動(dòng)物質(zhì)的客觀存在并沒(méi)有獲得確認(rèn)或證實(shí)，當(dāng)然也沒(méi)有證偽 。 據(jù)一些理論家分析，之所以會(huì)如此，原因可能 : 1.磁單極質(zhì)量特別大，據(jù)一些人的估計(jì)，它只能在宇宙大爆炸發(fā)生后的10-35秒內(nèi)產(chǎn)生，我們現(xiàn)在的加速器要產(chǎn)生磁單極在能量上是既不可望又不可及 。 2 .磁單極在產(chǎn)生后保留下的數(shù)量很少，有人估計(jì)每平方公里面積上每天約有 200 個(gè)磁單極通過(guò)[6] 。 可以預(yù)見(jiàn)，磁單極的性質(zhì)與荷電粒子的性質(zhì)是相似的。正如一七八五年庫(kù)侖（Charler Augustin Coulomb）用扭秤實(shí)驗(yàn)推定的磁庫(kù)侖定律與電庫(kù)侖定律完全相似一樣。這也就是說(shuō)，在相互作用上磁單極與荷電粒子的規(guī)律是相同的。 盡管現(xiàn)在尚未找到磁單極， 但現(xiàn)在的經(jīng)典理論和量子理論都不排除磁單極的存在，且磁單極可以很自然地融于現(xiàn)有理論中， 又能較順利地解釋電荷量子化現(xiàn)象。 故磁單極目前仍吸引著理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家進(jìn)行廣泛地探討和深入地研究 。 磁單極究竟在那里呢 ? 磁單極為什么與電荷的量子化條件緊密地聯(lián)系在一起呢 ? 空間是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)存在的形式。只有存在運(yùn)動(dòng)物質(zhì)，才有運(yùn)動(dòng)物質(zhì)賴以存在的形式空間，沒(méi)有了運(yùn)動(dòng)物質(zhì)也就不存在其存在形式的空間。同時(shí)也可以說(shuō)，有空間存在，就必然有物質(zhì)在其內(nèi)運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有了空間，也就必定不存在什么物質(zhì)運(yùn)動(dòng)了。而坐標(biāo)系則是對(duì)確定空間的描寫，用以表述物質(zhì)在空間中的運(yùn)動(dòng)，不同的坐標(biāo)系則表示了不同的空間。 電磁場(chǎng)是充滿空間的，電磁波也已作為物質(zhì)運(yùn)動(dòng)被公認(rèn)。由此作為運(yùn)動(dòng)物質(zhì)客觀存在的電磁場(chǎng)，是不會(huì)隨所選坐標(biāo)系的變化而出現(xiàn)有無(wú)變化的。即實(shí)際上并不存在一個(gè)特殊優(yōu)越的參考系（空間），每個(gè)參考系均是等價(jià)的，這是相對(duì)論的基礎(chǔ)。而由于麥克斯韋爾方程的不對(duì)稱性，電磁場(chǎng)卻會(huì)出現(xiàn)在不同的坐標(biāo)系中有不同的表現(xiàn)。如圖二所示，若有一個(gè)電荷Q，其在S（空間）坐標(biāo)系中是相對(duì)靜止的，而在S'（空間）坐標(biāo)系中是以直線勻速度V運(yùn)動(dòng)。這時(shí)在S系中的觀測(cè)者只測(cè)量到Q存在靜電場(chǎng)。但在S'系中的觀測(cè)者則測(cè)量到Q不僅有靜電場(chǎng)，還存在有由于電荷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。這兩個(gè)觀測(cè)者那一個(gè)測(cè)量的結(jié)果是正確的呢？按照相對(duì)性原理，S系與S'系是完全等價(jià)的，并不存在那一個(gè)更優(yōu)越。但實(shí)際上就存在著在不同的坐標(biāo)系中，電、磁場(chǎng)究竟是否是客觀存在這一問(wèn)題，即客觀存在的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是否會(huì)因坐標(biāo)系的變換而產(chǎn)生有無(wú)的變化問(wèn)題，這顯然是不對(duì)的。也就是說(shuō)實(shí)際上電荷Q在S空間與在S’空間都存在電磁場(chǎng)，只是在S空間（相對(duì)靜止的空間）中磁場(chǎng)沒(méi)有被觀測(cè)者測(cè)量到而已。 這樣，愛(ài)因斯坦解決了麥克斯韋爾方程的第一個(gè)不對(duì)稱問(wèn)題，從而創(chuàng)立了相對(duì)論的理論體系，但并末討論麥克斯韋爾方程的空間不對(duì)稱的第二個(gè)問(wèn)題。也就是他否定了剛體的以太，同時(shí)也略去了電磁場(chǎng)物質(zhì)的存在，因?yàn)楫?dāng)時(shí)還沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到這點(diǎn)。 1 物質(zhì)的波動(dòng)實(shí)質(zhì)上是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)能量向外傳播的過(guò)程，在傳播過(guò)程中空間中的任一點(diǎn)的總能量是不變的（能量守恒定律），如聲波、水波在傳播路程的任何點(diǎn)上，動(dòng)能與勢(shì)能雖分別是由大到小是連續(xù)變化的，但其動(dòng)能與勢(shì)能之總和是保持不變的，這是能量守恒規(guī)律所決定了的。而電磁波這時(shí)是如何傳播的呢？圖一所示的電磁波為二個(gè)分別相互無(wú)關(guān)的波，從波動(dòng)方程上講，其之間無(wú)任何聯(lián)系，但現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)是電磁波中的電波與磁波是相關(guān)的，是不可分割的統(tǒng)一體，現(xiàn)在一般是將電波與磁波畫到一起，如圖三所示。從這種硬將電波與磁波拼到一起的結(jié)果可以看出，在電磁波的傳播過(guò)程中電能與磁能在不同的位置上能量是不同的，其雖也是不斷變化的，但這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)電能達(dá)到最大值時(shí)磁能也同時(shí)達(dá)到了最大值，即電磁波在傳播過(guò)程中并不是電、磁能之和保持不變的，而是一直大小變化著的。這就違背了波在傳播過(guò)程中總能量保持不變的客觀規(guī)律。而要想改變這種狀況就只能是將電、磁場(chǎng)統(tǒng)一起來(lái)。而將電、磁場(chǎng)統(tǒng)一起來(lái)并不是將其二者拼加在一起那樣簡(jiǎn)單。實(shí)踐表明電磁場(chǎng)是物質(zhì)的客觀存在，電場(chǎng)與磁場(chǎng)是相輔相成的，它們之間是一個(gè)不可分割的統(tǒng)一體，同時(shí)現(xiàn)在已經(jīng)清楚，在任何空間（坐標(biāo)系）中電場(chǎng)與磁場(chǎng)永遠(yuǎn)是同時(shí)存在且彼此是相互正交的，而這種正交也不僅只是相互垂直那樣簡(jiǎn)單，而是如電磁感應(yīng)那樣，一個(gè)是點(diǎn)狀的向外直線輻射，而另一個(gè)則是環(huán)繞著的正交輻射。這樣將電磁場(chǎng)統(tǒng)一起來(lái)就要求有一個(gè)相應(yīng)的表述。 在數(shù)學(xué)中，實(shí)數(shù)與虛數(shù)是永遠(yuǎn)正交的，且這種正交也不是如現(xiàn)在坐標(biāo)中X、Y相互垂直那么簡(jiǎn)單，卻似如電場(chǎng)與磁場(chǎng)那樣，虛數(shù)是環(huán)繞著實(shí)數(shù)的正交，為此就可用復(fù)數(shù)來(lái)表征統(tǒng)一的電磁場(chǎng)。又據(jù)上面的分析靜止的電荷不僅存在電場(chǎng)，同時(shí)還存在一個(gè)不能被人觀測(cè)到的磁場(chǎng)，如此可將磁場(chǎng)用虛數(shù)來(lái)表示（這種表述在電磁學(xué)中已有先例），即電磁場(chǎng)是存在于復(fù)空間中的，故可將電磁場(chǎng)O寫成統(tǒng)一的形式： 這時(shí)電磁場(chǎng)的方程可寫為： （5） 其中 這時(shí)電場(chǎng)、磁場(chǎng)就完全對(duì)稱統(tǒng)一了。這里的虛數(shù)i，是為了表示電磁場(chǎng)是正交的，即電磁場(chǎng)是在復(fù)空間中存在的，電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方程運(yùn)算是按照復(fù)數(shù)的運(yùn)算規(guī)則運(yùn)算的。 這時(shí)由在真空中的電動(dòng)力學(xué)方程： （6） 同樣可以得到： 即 這時(shí)電磁波方的程解為： 這就成如圖四的電磁波形了。這時(shí)電磁波就成為一個(gè)統(tǒng)一的整體，而不是分離的電波或磁波，其在傳播過(guò)程中為電波從大到小變化，而相反磁波由小變大，在傳播的過(guò)程中盡管其二者一直有大小的變化，是電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程，但電、磁場(chǎng)能量之和的總能量在空間中任一點(diǎn)都是一直保持不變的。 利用復(fù)數(shù)相等為實(shí)部相等與虛部相等，（5）式可以簡(jiǎn)單的變化為（2）式，這與在實(shí)物質(zhì)空間中的電磁場(chǎng)方程（2）式相同，但在虛空間中的磁場(chǎng)也變成有源場(chǎng)了，即磁單極出現(xiàn)了。只是這時(shí)在實(shí)空間中正電荷是正源，即場(chǎng)的方向是向外的，而此時(shí)與實(shí)空間對(duì)應(yīng)正交的虛空間中的磁場(chǎng)卻是一個(gè)負(fù)源。這時(shí)磁荷只是存在于虛空間中，且這磁荷與電荷是結(jié)合在一起的。即實(shí)際上現(xiàn)在所謂的電荷粒子實(shí)際上正如我們的老祖宗所稱謂的太極子一樣，其是電荷與磁單極是結(jié)合在一起的，是不可分割的統(tǒng)一在一起的統(tǒng)一體。其實(shí)由于電磁場(chǎng)的對(duì)稱性，在方程（5）中就明顯的表明，現(xiàn)在的電荷粒子同時(shí)就是磁單極子，正電荷粒子是負(fù)磁單極子，負(fù)電荷粒子就是正磁單極子。即電與磁是統(tǒng)一在同一個(gè)粒子之中的。這是由電磁對(duì)稱性中推論出來(lái)的必然結(jié)果。之所以人沒(méi)有觀測(cè)到，是由于電荷粒子與磁單極子是統(tǒng)一在一個(gè)粒子中，且電荷粒子與磁單極子在相互作用的表現(xiàn)上又是完全相同的，及磁單極子只在虛空間中才是一種點(diǎn)輻射形式，而在實(shí)空間中它是環(huán)繞著的正交方式。由此盡管狄喇克已預(yù)言了磁單極，卻至今并沒(méi)有在實(shí)空間被發(fā)現(xiàn)。 當(dāng)然這種電磁場(chǎng)的電動(dòng)力學(xué)方程是否成立，還必須要靠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 那么在上述的不同坐標(biāo)系的選擇中，為什么會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)的不同顯示呢？這是因?yàn)樵赟坐標(biāo)（空間）中，其電荷是相對(duì)靜止的，電荷所形成的電磁場(chǎng)是球?qū)ΨQ各向同性的，由此在虛空間中渦旋的磁場(chǎng)是不會(huì)被測(cè)量到的。但在S’空間（坐標(biāo)系）中，電荷 Q是運(yùn)動(dòng)的，由此在S空間中看S’空間就是運(yùn)動(dòng)著的，這時(shí)由相對(duì)論的空間變換，在空間S’空間中運(yùn)動(dòng)方向上距離就會(huì)變短： 其中c為光速，v 為Q的運(yùn)動(dòng)速度，且運(yùn)動(dòng)速度越快這種收縮越大。也就是在S空間中Q所形成的各向同性的球?qū)ΨQ的電磁場(chǎng)，在S’空間中就變成在運(yùn)動(dòng)方向距離收縮了，但與之正交的所有方向上，距離并不發(fā)生變化，這樣在S空間中看Q所形成的電磁場(chǎng)就不再是各向同性的球?qū)ΨQ形，而是成了一個(gè)以運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槎贪胼S的橢球了，從而就在以運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檩S顯現(xiàn)出了渦旋的磁場(chǎng)，被人測(cè)量到，而并不是無(wú)中生有產(chǎn)生了磁場(chǎng)。 電磁場(chǎng)是物質(zhì)，由此它必然的存在于空間中，同時(shí)它是存在于一切空間中，宇宙中所有空間中都存在電磁場(chǎng)，這也正是電磁波（光）能在宇宙所有空間傳播的原因。也就是說(shuō)在所有物理坐標(biāo)系（空間）中都有電磁場(chǎng)存在。 在空間中電磁場(chǎng)的強(qiáng)度是該空間中所有物質(zhì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的迭加，由于真空中沒(méi)有實(shí)物粒子的電磁場(chǎng)源，故在真空中的電磁場(chǎng)是最基礎(chǔ)的電磁場(chǎng)。這時(shí)電磁場(chǎng)的強(qiáng)度為一個(gè)常數(shù)，即所有電磁場(chǎng)的波動(dòng)振幅都只能是這個(gè)常數(shù)值，由此不同電磁波的差別只能是其頻率上的差別。在真空中電磁波為： 即在真空中電磁波的振幅○為一個(gè)常數(shù)，即E與H為一個(gè)常數(shù)，是電磁場(chǎng)的基態(tài)，所有的電磁波振幅都是相同的，這時(shí)所有電磁波的差別只是波頻率的不同，故所有電磁波的能量也就只與其頻率相關(guān)了。這也正是量子化的始原。 在物理學(xué)的研究中，空間內(nèi)必然有運(yùn)動(dòng)物質(zhì)存在，至少有電磁場(chǎng)物質(zhì)存在，由此光才能在所有的空間中傳播。這時(shí)空間（坐標(biāo)）中的電磁場(chǎng)就是在這個(gè)空間中所有物質(zhì)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的迭加，就不會(huì)再是真空的電磁場(chǎng)強(qiáng)了，由此電磁場(chǎng)會(huì)隨空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)物質(zhì)的多少不同而有所不同，即電磁場(chǎng)所具有的能量也是隨空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)物質(zhì)的不同而有所不同的。這樣每個(gè)物理空間中電磁場(chǎng)Ｏ是各不相同的，當(dāng)光由一個(gè)空間傳入另一空間時(shí)，就必然的要發(fā)生一定的變化。這種變化也必然是尊守能量守恒定律的。由此當(dāng)光由一個(gè)空間S（其電磁場(chǎng)為Ｏ）進(jìn)入空間S’（其電磁場(chǎng)為Ｏ’）時(shí)，這時(shí)光波的振幅也就由Ｏ變成了Ｏ’，為了保持能量守恒，這時(shí)只有光的頻率發(fā)生相應(yīng)的變化了，這時(shí)光若由電磁場(chǎng)能量密度高的空間進(jìn)入電磁場(chǎng)能量密度低的空間，則頻率就會(huì)變高，產(chǎn)生蘭移效應(yīng)，若由電磁場(chǎng)能量密度低的空間進(jìn)入電磁場(chǎng)能量密度高的空間，則頻率就會(huì)變低，產(chǎn)生紅移效應(yīng)。 這種光頻率變化與多卜勒效應(yīng)光頻率發(fā)生的變化是不同的，其不是由于時(shí)空（坐標(biāo)）相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的，而是由于時(shí)空內(nèi)埸運(yùn)動(dòng)物質(zhì)形態(tài)不同而造成的。這種光頻率的變化可命名為未名頻移。其實(shí)這種未名頻移還可由能量守恒簡(jiǎn)單求得。由于埸物質(zhì)在時(shí)空中有確定的能量密度，在S系中能量密度為w，在S'系中能量密度為w'，據(jù)能量守恒這時(shí)有： 即光從S系到S'系要發(fā)生頻率移動(dòng)，其移動(dòng)量與兩坐標(biāo)系中場(chǎng)物質(zhì)能量密度差相關(guān)。這種移動(dòng)命名為未名紅移，以與多卜勒紅移相區(qū)別。紅移量與兩坐標(biāo)系（空間）中能量密度差為線性正比關(guān)系，從而使一束光由S系進(jìn)入S'系后，不同頻率的光都會(huì)是相同能量頻率的移動(dòng)，造成不同頻率的光移動(dòng)的相對(duì)數(shù)不同，形成了色散的結(jié)果。 未名紅移是可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量確定的。如電磁場(chǎng)在空氣中與在水中能量密度不同，由此光在空氣中進(jìn)入水中后會(huì)測(cè)量到光的紅移。還可用到天體觀測(cè)中，由于太陽(yáng)光球發(fā)出的光與太陽(yáng)外層大氣發(fā)出的光，其間電磁場(chǎng)能量密度相差很大，故在地球上測(cè)量太陽(yáng)不同層次發(fā)出的光，會(huì)測(cè)量到有不同大小的光頻率的變化，且太陽(yáng)不同層發(fā)出的光，頻率變化是各不相同的。這種測(cè)量在日蝕時(shí)是容易測(cè)量到的，在未發(fā)生日蝕時(shí)可測(cè)到太陽(yáng)光譜，而當(dāng)日蝕發(fā)生后，又可以測(cè)到太陽(yáng)外層不同層次大氣發(fā)出光的光譜，兩相比較，則會(huì)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光球不同位置下光譜紅移的差異。并可通過(guò)這一結(jié)果分析出一些太陽(yáng)結(jié)構(gòu)的情況。而太陽(yáng)發(fā)出的光之所以會(huì)是紅橙黃綠青蘭紫的不同色彩，也正可能是由于它是由不同發(fā)光層發(fā)光混合的結(jié)果。 參考文獻(xiàn) A.愛(ài)因斯坦 ，“愛(ài)因斯坦文集” ，商務(wù)印書館，1977年，第二卷，83頁(yè)。 A.愛(ài)因斯坦 ，“愛(ài)因斯坦文集” ，商務(wù)印書館，1977年，第二卷，86頁(yè)。 中國(guó)大百科全書 第一版 物理學(xué) Ⅰ 110頁(yè) Blas Cabrera,Phys. Rev. Lett. 48,1378（1982）。 對(duì)物理學(xué)的思考（十） ——場(chǎng)的電動(dòng)力學(xué) 二十世紀(jì)是物理學(xué)極快發(fā)展的時(shí)代，它不僅發(fā)展了人類的認(rèn)識(shí)，并突破了過(guò)去經(jīng)典力學(xué)的認(rèn)識(shí)，建立起了全新的認(rèn)識(shí)領(lǐng)域。而這種認(rèn)識(shí)都與場(chǎng)的概念有關(guān)。 在十九世紀(jì)中后期，隨電動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，以太學(xué)說(shuō)盛行，并力圖尋找以太的絕對(duì)坐標(biāo)系，結(jié)果是以否定了以太的存在，相對(duì)論與量子力學(xué)的建立而結(jié)束。與此同時(shí)，電磁場(chǎng)的概念出現(xiàn)了，它替代了填充時(shí)空的以太，作為電磁相互作用的介質(zhì)而被人引入。這是場(chǎng)作為自然的存在首次被認(rèn)識(shí)。隨后場(chǎng)的概念在很多場(chǎng)合被應(yīng)用，尤其是在量子力學(xué)中，場(chǎng)起到了十分重要的作用。 場(chǎng)是指實(shí)物質(zhì)相互作用過(guò)程中的時(shí)空中的存在，它是運(yùn)動(dòng)物質(zhì)存在形式的體現(xiàn)。即只要是有運(yùn)動(dòng)物質(zhì)存在，就一定存在場(chǎng)，但它又是與實(shí)物質(zhì)相輔相承的不同存在，是與實(shí)物質(zhì)相對(duì)不同且矛盾的一種物質(zhì)存在形式。如實(shí)物粒子是有的話，場(chǎng)則相對(duì)為無(wú)。如實(shí)物粒子有質(zhì)量，在時(shí)空中有實(shí)在確且的位置顯示，可相對(duì)運(yùn)動(dòng)也可相對(duì)靜止，可與其它物質(zhì)發(fā)生相作用，且是具有一定能量的凝聚體；而場(chǎng)則沒(méi)有質(zhì)量，沒(méi)有實(shí)在位置的顯示，它在時(shí)空中到處存在，只是作為實(shí)物質(zhì)相互作用的一種類似介質(zhì)形式的存在而以，其實(shí)是什么實(shí)在的東西也沒(méi)有的存在。但在場(chǎng)中如果能量凝聚卻可產(chǎn)生實(shí)物粒子。 宇宙中存在一些基本的規(guī)律，這就如人們經(jīng)常談到的科學(xué)美?？茖W(xué)美也確實(shí)啟迪了人的思想及使人的思想更加明晰?？茖W(xué)美無(wú)非是指部分與部分、部分與整體的固有協(xié)調(diào)，也即它們間的適度、雅致、和諧、對(duì)稱、平衡、有序、統(tǒng)一、簡(jiǎn)單性、思維經(jīng)濟(jì)等等。而普遍和諧是眾美之源，是宇宙的普遍規(guī)律，即宇宙的內(nèi)部和諧是唯一的美、是最根本的規(guī)律。 場(chǎng)當(dāng)然也是如此，因?yàn)閳?chǎng)也是宇宙中的運(yùn)動(dòng)物質(zhì)存在形式。但到目前為止，對(duì)場(chǎng)的模寫并沒(méi)有注意到這些。比如電磁場(chǎng)到目前為止仍是不對(duì)稱的。 現(xiàn)代科學(xué)已發(fā)展到要從整體上認(rèn)識(shí)自然，即要回到從自然的整體統(tǒng)觀認(rèn)識(shí)的道路上來(lái)?，F(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展很多都是在過(guò)去科學(xué)分區(qū)的銜接處出現(xiàn)的，就是明顯的例證。也只有統(tǒng)覧全局，才能找到適用范圍更廣的有序規(guī)律。 對(duì)稱，是指事物或運(yùn)動(dòng)以一定的中間環(huán)節(jié)進(jìn)行某種變化時(shí)所保持的不變性。而對(duì)稱破缺則是與之相反，是指事物或運(yùn)動(dòng)以一定的中間環(huán)節(jié)進(jìn)行某種變化時(shí)出現(xiàn)的變化性。即對(duì)稱是變化中的同一性，而對(duì)稱破缺是變化中的差異性。或?qū)ΨQ是矛盾雙方的靜態(tài)鏡象顯示，而對(duì)稱破缺是矛盾雙方的運(yùn)動(dòng)演化顯示。 1905年愛(ài)因斯坦發(fā)表了“論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)”[1]，討論了關(guān)于時(shí)間的電動(dòng)力學(xué)，他從運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)不對(duì)稱討論起，引出了空間中同時(shí)性事件的判斷，最終得到了現(xiàn)在廣為人知的相對(duì)論。但時(shí)至現(xiàn)今關(guān)于空間的電動(dòng)力學(xué)還不曾有人討論。其實(shí)現(xiàn)在的電動(dòng)力學(xué)不僅在時(shí)間中有對(duì)稱性問(wèn)題，在空間中同樣存在不對(duì)稱問(wèn)題。這里要討論的則是空間的電動(dòng)力學(xué)。 1864年麥克斯韋爾（James Clerk Maxwell）集前人之大成，創(chuàng)立了聞名于世的麥克斯韋爾方程組，從而奠定了電磁學(xué)的基礎(chǔ)，為人類社會(huì)的電磁學(xué)應(yīng)用開拓了道路。此方程在1888年赫茲（Heinrich Rudoly Hertz）發(fā)現(xiàn)電磁波后被確認(rèn)，尤其在愛(ài)因斯坦的相對(duì)論確立后，時(shí)至今日麥克斯韋爾方程已被確認(rèn)是正確無(wú)疑的。 但麥克斯韋爾方程是缺乏對(duì)稱性的。這在麥克斯韋爾自己建立經(jīng)典電磁理論時(shí)已發(fā)現(xiàn)了，但限于當(dāng)時(shí)的歷史科學(xué)發(fā)展水平，他自己也只好留下了這一缺憾。而隨后的愛(ài)因斯坦（Albet Einstein）在“論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)”中，從這不對(duì)稱性出發(fā)，經(jīng)過(guò)分析，最終創(chuàng)立了狹義相對(duì)論，從而解決了麥克斯韋爾方程在時(shí)空（坐標(biāo)）變換下的不變性（對(duì)稱性）問(wèn)題，并完全否定了有機(jī)械性質(zhì)的以太存在。 其實(shí)麥克斯韋爾方程的不對(duì)稱性表現(xiàn)為兩個(gè)方面。第一為由運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性引起的問(wèn)題，這正如愛(ài)因斯坦在論文中所闡述的，“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。”[2]從而最終以狹義相對(duì)論解決了不存在決對(duì)靜止坐標(biāo)系（特殊優(yōu)越的參考系），使麥克斯韋爾方程具有了時(shí)間變換的協(xié)變性，開創(chuàng)了物理學(xué)的新天地。第二為在空間中麥克斯韋爾方程本身的電、磁場(chǎng)不對(duì)稱性，這是十分明顯的，也在運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性中顯示的更清楚，但這一問(wèn)題至今并末獲得解決。 在真空中，即在ρ=0 的情況下，麥克斯韋爾方程為（在高斯單位制下）： （1） 式中： 其中Ｅ為電場(chǎng)強(qiáng)度，Ｈ為磁場(chǎng)強(qiáng)度，Ｄ為電通量密度，Ｂ為磁通量密度，ρ為電荷密度，ε為介電常數(shù)，μ為導(dǎo)磁率。 可以看出，在真空中電、磁場(chǎng)完全是對(duì)稱的，其在任何坐標(biāo)系中的形式都是相同的。而在存在電荷的情況下電磁學(xué)方程的形式成為（在高斯單位下）： 這些則構(gòu)成了現(xiàn)代經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。但可以明顯的看出這時(shí)的電場(chǎng)與磁場(chǎng)是不對(duì)稱的了。 這時(shí)在真空中可以得到： （3） 同樣可得到 這就是電磁波方程。其解為： 由于赫茲在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了電磁波的存在，從而麥克斯韋爾方程的正確性也就被人確認(rèn)，使麥克斯韋爾方程成為電磁學(xué)的基礎(chǔ)。但僅就電動(dòng)力學(xué)方程而言，在所謂的真空中其電場(chǎng)與磁場(chǎng)是完全對(duì)稱的，但在有了物質(zhì)以后就不對(duì)稱了，這是為什么？ 從上面的討論可以看出，電場(chǎng)與磁場(chǎng)可以是分立的，其各自獨(dú)立存在，即電磁波可以是獨(dú)立的電波或獨(dú)立的磁波（如圖一所示），并不存在其之間的必然聯(lián)系，這就是問(wèn)題的所在。我們知道波是一種能量的傳播過(guò)程，它的傳播過(guò)程實(shí)際上是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)能量由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式的連續(xù)變化的結(jié)果。如水波、聲波等都是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)能與勢(shì)能不停轉(zhuǎn)化的結(jié)果。那么這單獨(dú)的電波、磁波又是如何轉(zhuǎn)播的呢？ 同時(shí)隨著人類認(rèn)識(shí)的發(fā)展，又提出了磁單極 （Magnetic monopole）的問(wèn)題。 一九三一年狄喇克 （Paul Adrien Maurice Dirac ）從分析量子系統(tǒng)波函數(shù)相位的不確定性出發(fā)，指出現(xiàn)有理論允許只帶一種磁荷的粒子單獨(dú)存在，并在尋求電荷的量子化解釋時(shí)，導(dǎo)出了相應(yīng)的狄喇克量子化條件[3] : （4） 其中ｇ為磁單極的磁荷，ｑ為帶電粒子的電荷， ?為約化普朗克常數(shù)， ?＝ｈ／２π，ｃ光速，ｎ為自然數(shù)。當(dāng) ｎ＝１ 時(shí)，對(duì)應(yīng)最小的電荷與磁荷，稱單位電荷與單位磁荷 。 由于狄喇克在理論物理學(xué)領(lǐng)域中取得的一系列成功，使他的威望極大的提高，在這種背景下，他提出磁單極的概念，很快引起人們的注意，并對(duì)這一概念十分著迷。幾十年來(lái)，直到最近的大統(tǒng)一理論，對(duì)磁單極的興趣都有增無(wú)減，并用各種理論試圖證明磁單極的存在，同時(shí)想盡一切辦法進(jìn)行對(duì)磁單極的找尋。 作為物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的客觀存在，其確證必須是能被人在實(shí)踐中觀測(cè)到。由此人們對(duì)磁單極進(jìn)行了廣泛的搜尋，如在宇宙線中、磁鐵礦中、海底沉積物中、隕石中、月球巖樣中、加速器的轟擊產(chǎn)物中等等進(jìn)行了尋找，但至今一無(wú)所獲。只有在一九八二年美國(guó)斯坦福大學(xué)物理學(xué)家布拉斯·卡布雷（ B.Cabrera ）等人，用超導(dǎo)線圈進(jìn)行了五個(gè)多月的測(cè)量，在情人節(jié)（２月１４日）這天下午一點(diǎn)五十三分，超導(dǎo)線圈突然出現(xiàn)了持續(xù)電流，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。而據(jù)測(cè)得的電流值推算出的磁單極的磁場(chǎng)強(qiáng)度，與狄喇克量子化條件所預(yù)言的數(shù)值完全吻合〔4〕。但這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表后，很多人重復(fù)實(shí)驗(yàn)卻得不到結(jié)果。他們自己也改進(jìn)了儀器靈敏度，也沒(méi)再獲得其它結(jié)果。經(jīng)過(guò)八年后，他們自己又在一九九0年〈 物理評(píng)論通訊 〉二月號(hào)上宣稱，對(duì)一九八二年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果今后應(yīng)不予理會(huì)〔5〕，即又否定了前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。也就是說(shuō)，直到現(xiàn)在，磁單極作為運(yùn)動(dòng)物質(zhì)的客觀存在并沒(méi)有獲得確認(rèn)或證實(shí)，當(dāng)然也沒(méi)有證偽 。 據(jù)一些理論家分析，之所以會(huì)如此，原因可能 : 1.磁單極質(zhì)量特別大，據(jù)一些人的估計(jì)，它只能在宇宙大爆炸發(fā)生后的10-35秒內(nèi)產(chǎn)生，我們現(xiàn)在的加速器要產(chǎn)生磁單極在能量上是既不可望又不可及 。 2 .磁單極在產(chǎn)生后保留下的數(shù)量很少，有人估計(jì)每平方公里面積上每天約有 200 個(gè)磁單極通過(guò)[6] 。 可以預(yù)見(jiàn)，磁單極的性質(zhì)與荷電粒子的性質(zhì)是相似的。正如一七八五年庫(kù)侖（Charler Augustin Coulomb）用扭秤實(shí)驗(yàn)推定的磁庫(kù)侖定律與電庫(kù)侖定律完全相似一樣。這也就是說(shuō)，在相互作用上磁單極與荷電粒子的規(guī)律是相同的。 盡管現(xiàn)在尚未找到磁單極， 但現(xiàn)在的經(jīng)典理論和量子理論都不排除磁單極的存在，且磁單極可以很自然地融于現(xiàn)有理論中， 又能較順利地解釋電荷量子化現(xiàn)象。 故磁單極目前仍吸引著理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家進(jìn)行廣泛地探討和深入地研究 。 磁單極究竟在那里呢 ? 磁單極為什么與電荷的量子化條件緊密地聯(lián)系在一起呢 ? 空間是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)存在的形式。只有存在運(yùn)動(dòng)物質(zhì)，才有運(yùn)動(dòng)物質(zhì)賴以存在的形式空間，沒(méi)有了運(yùn)動(dòng)物質(zhì)也就不存在其存在形式的空間。同時(shí)也可以說(shuō)，有空間存在，就必然有物質(zhì)在其內(nèi)運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有了空間，也就必定不存在什么物質(zhì)運(yùn)動(dòng)了。而坐標(biāo)系則是對(duì)確定空間的描寫，用以表述物質(zhì)在空間中的運(yùn)動(dòng)，不同的坐標(biāo)系則表示了不同的空間。 電磁場(chǎng)是充滿空間的，電磁波也已作為物質(zhì)運(yùn)動(dòng)被公認(rèn)。由此作為運(yùn)動(dòng)物質(zhì)客觀存在的電磁場(chǎng)，是不會(huì)隨所選坐標(biāo)系的變化而出現(xiàn)有無(wú)變化的。即實(shí)際上并不存在一個(gè)特殊優(yōu)越的參考系（空間），每個(gè)參考系均是等價(jià)的，這是相對(duì)論的基礎(chǔ)。而由于麥克斯韋爾方程的不對(duì)稱性，電磁場(chǎng)卻會(huì)出現(xiàn)在不同的坐標(biāo)系中有不同的表現(xiàn)。如圖二所示，若有一個(gè)電荷Q，其在S（空間）坐標(biāo)系中是相對(duì)靜止的，而在S'（空間）坐標(biāo)系中是以直線勻速度V運(yùn)動(dòng)。這時(shí)在S系中的觀測(cè)者只測(cè)量到Q存在靜電場(chǎng)。但在S'系中的觀測(cè)者則測(cè)量到Q不僅有靜電場(chǎng)，還存在有由于電荷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。這兩個(gè)觀測(cè)者那一個(gè)測(cè)量的結(jié)果是正確的呢？按照相對(duì)性原理，S系與S'系是完全等價(jià)的，并不存在那一個(gè)更優(yōu)越。但實(shí)際上就存在著在不同的坐標(biāo)系中，電、磁場(chǎng)究竟是否是客觀存在這一問(wèn)題，即客觀存在的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是否會(huì)因坐標(biāo)系的變換而產(chǎn)生有無(wú)的變化問(wèn)題，這顯然是不對(duì)的。也就是說(shuō)實(shí)際上電荷Q在S空間與在S’空間都存在電磁場(chǎng)，只是在S空間（相對(duì)靜止的空間）中磁場(chǎng)沒(méi)有被觀測(cè)者測(cè)量到而已。 這樣，愛(ài)因斯坦解決了麥克斯韋爾方程的第一個(gè)不對(duì)稱問(wèn)題，從而創(chuàng)立了相對(duì)論的理論體系，但并末討論麥克斯韋爾方程的空間不對(duì)稱的第二個(gè)問(wèn)題。也就是他否定了剛體的以太，同時(shí)也略去了電磁場(chǎng)物質(zhì)的存在，因?yàn)楫?dāng)時(shí)還沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到這點(diǎn)。 電、磁場(chǎng)是否是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的客觀存在？其會(huì)隨坐標(biāo)系（空間）的變化而改變有無(wú)嗎？自然界中的電場(chǎng)、磁場(chǎng)是對(duì)稱的嗎？ 物質(zhì)的波動(dòng)實(shí)質(zhì)上是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)能量向外傳播的過(guò)程，在傳播過(guò)程中空間中的任一點(diǎn)的總能量是不變的（能量守恒定律），如聲波、水波在傳播路程的任何點(diǎn)上，動(dòng)能與勢(shì)能雖分別是由大到小是連續(xù)變化的，但其動(dòng)能與勢(shì)能之總和是保持不變的，這是能量守恒規(guī)律所決定了的。而電磁波這時(shí)是如何傳播的呢？圖一所示的電磁波為二個(gè)分別相互無(wú)關(guān)的波，從波動(dòng)方程上講，其之間無(wú)任何聯(lián)系，但現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)是電磁波中的電波與磁波是相關(guān)的，是不可分割的統(tǒng)一體，現(xiàn)在一般是將電波與磁波畫到一起，如圖三所示。從這種硬將電波與磁波拼到一起的結(jié)果可以看出，在電磁波的傳播過(guò)程中電能與磁能在不同的位置上能量是不同的，其雖也是不斷變化的，但這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)電能達(dá)到最大值時(shí)磁能也同時(shí)達(dá)到了最大值，即電磁波在傳播過(guò)程中并不是電、磁能之和保持不變的，而是一直大小變化著的。這就違背了波在傳播過(guò)程中總能量保持不變的客觀規(guī)律。而要想改變這種狀況就只能是將電、磁場(chǎng)統(tǒng)一起來(lái)。而將電、磁場(chǎng)統(tǒng)一起來(lái)并不是將其二者拼加在一起那樣簡(jiǎn)單。實(shí)踐表明電磁場(chǎng)是物質(zhì)的客觀存在，電場(chǎng)與磁場(chǎng)是相輔相成的，它們之間是一個(gè)不可分割的統(tǒng)一體，同時(shí)現(xiàn)在已經(jīng)清楚，在任何空間（坐標(biāo)系）中電場(chǎng)與磁場(chǎng)永遠(yuǎn)是同時(shí)存在且彼此是相互正交的，而這種正交也不僅只是相互垂直那樣簡(jiǎn)單，而是如電磁感應(yīng)那樣，一個(gè)是點(diǎn)狀的向外直線輻射，而另一個(gè)則是環(huán)繞著的正交輻射。這樣將電磁場(chǎng)統(tǒng)一起來(lái)就要求有一個(gè)相應(yīng)的表述。 在數(shù)學(xué)中，實(shí)數(shù)與虛數(shù)是永遠(yuǎn)正交的，且這種正交也不是如現(xiàn)在坐標(biāo)中X、Y相互垂直那么簡(jiǎn)單，卻似如電場(chǎng)與磁場(chǎng)那樣，虛數(shù)是環(huán)繞著實(shí)數(shù)的正交，為此就可用復(fù)數(shù)來(lái)表征統(tǒng)一的電磁場(chǎng)。又據(jù)上面的分析靜止的電荷不僅存在電場(chǎng)，同時(shí)還存在一個(gè)不能被人觀測(cè)到的磁場(chǎng)，如此可將磁場(chǎng)用虛數(shù)來(lái)表示（這種表述在電磁學(xué)中已有先例），即電磁場(chǎng)是存在于復(fù)空間中的，故可將電磁場(chǎng)O寫成統(tǒng)一的形式： 這時(shí)電磁場(chǎng)的方程可寫為： （5） 其中 這時(shí)電場(chǎng)、磁場(chǎng)就完全對(duì)稱統(tǒng)一了。這里的虛數(shù)i，是為了表示電磁場(chǎng)是正交的，即電磁場(chǎng)是在復(fù)空間中存在的，電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方程運(yùn)算是按照復(fù)數(shù)的運(yùn)算規(guī)則運(yùn)算的。 這時(shí)由在真空中的電動(dòng)力學(xué)方程： （6） 同樣可以得到： 即 這時(shí)電磁波方的程解為： 這就成如圖四的電磁波形了。這時(shí)電磁波就成為一個(gè)統(tǒng)一的整體，而不是分離的電波或磁波，其在傳播過(guò)程中為電波從大到小變化，而相反磁波由小變大，在傳播的過(guò)程中盡管其二者一直有大小的變化，是電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程，但電、磁場(chǎng)能量之和的總能量在空間中任一點(diǎn)都是一直保持不變的。 利用復(fù)數(shù)相等為實(shí)部相等與虛部相等，（5）式可以簡(jiǎn)單的變化為（2）式，這與在實(shí)物質(zhì)空間中的電磁場(chǎng)方程（2）式相同，但在虛空間中的磁場(chǎng)也變成有源場(chǎng)了，即磁單極出現(xiàn)了。只是這時(shí)在實(shí)空間中正電荷是正源，即場(chǎng)的方向是向外的，而此時(shí)與實(shí)空間對(duì)應(yīng)正交的虛空間中的磁場(chǎng)卻是一個(gè)負(fù)源。這時(shí)磁荷只是存在于虛空間中，且這磁荷與電荷是結(jié)合在一起的。即實(shí)際上現(xiàn)在所謂的電荷粒子實(shí)際上正如我們的老祖宗所稱謂的太極子一樣，其是電荷與磁單極是結(jié)合在一起的，是不可分割的統(tǒng)一在一起的統(tǒng)一體。其實(shí)由于電磁場(chǎng)的對(duì)稱性，在方程（5）中就明顯的表明，現(xiàn)在的電荷粒子同時(shí)就是磁單極子，正電荷粒子是負(fù)磁單極子，負(fù)電荷粒子就是正磁單極子。即電與磁是統(tǒng)一在同一個(gè)粒子之中的。這是由電磁對(duì)稱性中推論出來(lái)的必然結(jié)果。之所以人沒(méi)有觀測(cè)到，是由于電荷粒子與磁單極子是統(tǒng)一在一個(gè)粒子中，且電荷粒子與磁單極子在相互作用的表現(xiàn)上又是完全相同的，及磁單極子只在虛空間中才是一種點(diǎn)輻射形式，而在實(shí)空間中它是環(huán)繞著的正交方式。由此盡管狄喇克已預(yù)言了磁單極，卻至今并沒(méi)有在實(shí)空間被發(fā)現(xiàn)。 當(dāng)然這種電磁場(chǎng)的電動(dòng)力學(xué)方程是否成立，還必須要靠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 那么在上述的不同坐標(biāo)系的選擇中，為什么會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)的不同顯示呢？這是因?yàn)樵赟坐標(biāo)（空間）中，其電荷是相對(duì)靜止的，電荷所形成的電磁場(chǎng)是球?qū)ΨQ各向同性的，由此在虛空間中渦旋的磁場(chǎng)是不會(huì)被測(cè)量到的。但在S’空間（坐標(biāo)系）中，電荷 Q是運(yùn)動(dòng)的，由此在S空間中看S’空間就是運(yùn)動(dòng)著的，這時(shí)由相對(duì)論的空間變換，在空間S’空間中運(yùn)動(dòng)方向上距離就會(huì)變短： 其中c為光速，v 為Q的運(yùn)動(dòng)速度，且運(yùn)動(dòng)速度越快這種收縮越大。也就是在S空間中Q所形成的各向同性的球?qū)ΨQ的電磁場(chǎng)，在S’空間中就變成在運(yùn)動(dòng)方向距離收縮了，但與之正交的所有方向上，距離并不發(fā)生變化，這樣在S空間中看Q所形成的電磁場(chǎng)就不再是各向同性的球?qū)ΨQ形，而是成了一個(gè)以運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槎贪胼S的橢球了，從而就在以運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檩S顯現(xiàn)出了渦旋的磁場(chǎng)，被人測(cè)量到，而并不是無(wú)中生有產(chǎn)生了磁場(chǎng)。 電磁場(chǎng)是物質(zhì)，由此它必然的存在于空間中，同時(shí)它是存在于一切空間中，宇宙中所有空間中都存在電磁場(chǎng)，這也正是電磁波（光）能在宇宙所有空間傳播的原因。也就是說(shuō)在所有物理坐標(biāo)系（空間）中都有電磁場(chǎng)存在。 在空間中電磁場(chǎng)的強(qiáng)度是該空間中所有物質(zhì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的迭加，由于真空中沒(méi)有實(shí)物粒子的電磁場(chǎng)源，故在真空中的電磁場(chǎng)是最基礎(chǔ)的電磁場(chǎng)。這時(shí)電磁場(chǎng)的強(qiáng)度為一個(gè)常數(shù)，即所有電磁場(chǎng)的波動(dòng)振幅都只能是這個(gè)常數(shù)值，由此不同電磁波的差別只能是其頻率上的差別。在真空中電磁波為： 即在真空中電磁波的振幅○為一個(gè)常數(shù)，即E與H為一個(gè)常數(shù)，是電磁場(chǎng)的基態(tài)，所有的電磁波振幅都是相同的，這時(shí)所有電磁波的差別只是波頻率的不同，故所有電磁波的能量也就只與其頻率相關(guān)了。這也正是量子化的始原。 在物理學(xué)的研究中，空間內(nèi)必然有運(yùn)動(dòng)物質(zhì)存在，至少有電磁場(chǎng)物質(zhì)存在，由此光才能在所有的空間中傳播。這時(shí)空間（坐標(biāo)）中的電磁場(chǎng)就是在這個(gè)空間中所有物質(zhì)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的迭加，就不會(huì)再是真空的電磁場(chǎng)強(qiáng)了，由此電磁場(chǎng)會(huì)隨空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)物質(zhì)的多少不同而有所不同，即電磁場(chǎng)所具有的能量也是隨空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)物質(zhì)的不同而有所不同的。這樣每個(gè)物理空間中電磁場(chǎng)Ｏ是各不相同的，當(dāng)光由一個(gè)空間傳入另一空間時(shí)，就必然的要發(fā)生一定的變化。這種變化也必然是尊守能量守恒定律的。由此當(dāng)光由一個(gè)空間S（其電磁場(chǎng)為Ｏ）進(jìn)入空間S’（其電磁場(chǎng)為Ｏ’）時(shí)，這時(shí)光波的振幅也就由Ｏ變成了Ｏ’，為了保持能量守恒，這時(shí)只有光的頻率發(fā)生相應(yīng)的變化了，這時(shí)光若由電磁場(chǎng)能量密度高的空間進(jìn)入電磁場(chǎng)能量密度低的空間，則頻率就會(huì)變高，產(chǎn)生蘭移效應(yīng)，若由電磁場(chǎng)能量密度低的空間進(jìn)入電磁場(chǎng)能量密度高的空間，則頻率就會(huì)變低，產(chǎn)生紅移效應(yīng)。 這種光頻率變化與多卜勒效應(yīng)光頻率發(fā)生的變化是不同的，其不是由于時(shí)空（坐標(biāo)）相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的，而是由于時(shí)空內(nèi)埸運(yùn)動(dòng)物質(zhì)形態(tài)不同而造成的。這種光頻率的變化可命名為未名頻移。其實(shí)這種未名頻移還可由能量守恒簡(jiǎn)單求得。由于埸物質(zhì)在時(shí)空中有確定的能量密度，在S系中能量密度為w，在S'系中能量密度為w'，據(jù)能量守恒這時(shí)有： 即光從S系到S'系要發(fā)生頻率移動(dòng)，其移動(dòng)量與兩坐標(biāo)系中場(chǎng)物質(zhì)能量密度差相關(guān)。這種移動(dòng)命名為未名紅移，以與多卜勒紅移相區(qū)別。紅移量與兩坐標(biāo)系（空間）中能量密度差為線性正比關(guān)系，從而使一束光由S系進(jìn)入S'系后，不同頻率的光都會(huì)是相同能量頻率的移動(dòng)，造成不同頻率的光移動(dòng)的相對(duì)數(shù)不同，形成了色散的結(jié)果。 未名紅移是可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量確定的。如電磁場(chǎng)在空氣中與在水中能量密度不同，由此光在空氣中進(jìn)入水中后會(huì)測(cè)量到光的紅移。還可用到天體觀測(cè)中，由于太陽(yáng)光球發(fā)出的光與太陽(yáng)外層大氣發(fā)出的光，其間電磁場(chǎng)能量密度相差很大，故在地球上測(cè)量太陽(yáng)不同層次發(fā)出的光，會(huì)測(cè)量到有不同大小的光頻率的變化，且太陽(yáng)不同層發(fā)出的光，頻率變化是各不相同的。這種測(cè)量在日蝕時(shí)是容易測(cè)量到的，在未發(fā)生日蝕時(shí)可測(cè)到太陽(yáng)光譜，而當(dāng)日蝕發(fā)生后，又可以測(cè)到太陽(yáng)外層不同層次大氣發(fā)出光的光譜，兩相比較，則會(huì)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光球不同位置下光譜紅移的差異。并可通過(guò)這一結(jié)果分析出一些太陽(yáng)結(jié)構(gòu)的情況。而太陽(yáng)發(fā)出的光之所以會(huì)是紅橙黃綠青蘭紫的不同色彩，也正可能是由于它是由不同發(fā)光層發(fā)光混合的結(jié)果。 |
|
|
來(lái)自： 強(qiáng)哥的書屋 > 《理化》
