爱因斯坦-物理学的进化-第14章

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现在来讨论一个实验，这个实验用机械观来解释会有很大的困难。假设电流在一个环形导体通过，在这个环的中央放上一个磁针。在电流通过的瞬间，产生了一种新的力，这种力作用于磁极上，并且与连接导线和磁极的直线垂直。如果这个力是由一个作圆运动的带电体产生的，则罗兰的实验告诉我们，这个力与带电体的速度有关。这些实验情况与任何力都只在两个粒子的连线上作用而且只与距离有关这一哲学观点相矛盾。
电流作用于磁极上的力要精确地表示出来是很复杂的，事实上这比表示引力要复杂得多，可是我们也能把这种作用跟引力的作用同样清楚地想象出来。我们的问题是：电流用怎样的一种力作用于放在它附近的磁极上的呢？要用文字来描述这种力是相当困难的，即使用数学公式来表示也一定是复杂而笨拙的。最好是把我们所知道的所有作用力用带有力线的图表示出来，或者更确切地说，用带有力线的空间模型表示出来。但是也有一些困难，因为一个磁极总是跟另一个磁极同时存在的，它们共同构成一个偶极子。不过我们往往把磁针想象得很长，使得只须计及作用于与电流比较靠近的这个磁极上的力。另一极因为离得太远，作用于它的力可以忽略。为了避免混淆起见，我们假定靠近导线的磁极是正的。
作用于正磁极上的力的性质可以从图43中看出来。
绘在导线旁边的箭头表示电流从较高电势流向较低电势的方向。所有其余的线都表示属于这个电流的力线，这些力线都处在某一平面上。假如图画得恰当，那么这些力线既能表示出电流在给定的正磁极上的作用力的矢量的方向，同时还能表示出矢量的长度。我们知道力是一个矢量，要决定它必须知道它的方向和长度。我们主要是讨论作用在磁极上的力的方向问题，这个问题是：怎样从图中去找出空间中任何一点的力的方向呢？
在这样一个模型中要看出一个力的方向，不会像前面的例子那样简单，因为在前例中力线是直线。为了方便起见，图44中只画了一根力线。图中指出，力的矢量在力线的切线上，力的矢量的箭头和力线上的箭头所指的方向相同。这样，箭头的方向就是在这一点上作用于磁极上的力的方向，一个好的图，或更确切地说，一个好的模型，也能够把任何一点上力的矢量长度表示出来。这种矢量在力线稠密的地方，也就是靠近导线的地方较长，而在力线较疏，亦即离导线较远的地方较短。
用这种方法，力线或场就使我们能够决定在空间中任何一点作用于磁极的力。以目前来说，这是我们煞费苦心地绘出一个场的惟一论据了。知道了场表示什么，我们就会以更浓厚的兴趣来考查相应于电流的力线。这些线都是围绕着导线的一些圆圈，它们所处的平面跟导线所处的平面相垂直。从图上看到力的特征以后，我们再一次得出这样的结论，力作用的方向垂直于连接导线与磁极间的任何直线，因为圆的切线总是与半径垂直的。我们对于作用力的全部知识，都可以总结在场的构图中。我们把场的概念插入在电流与磁极的概念之间，以便用简单的方式把这些作用力表示出来。
任何一个电流都有一个磁场，换句话说，在有电流通过的导线附近的磁极上总是受到一种力的作用。我们不妨顺便提一提，电流的这种性质使我们能够制造出一种灵敏的仪器来探测是否有电流存在。我们一旦知道了如何从电流的场的模型来看磁力的特征，我们就能绘出通电导线周围的场来表示空间任何点上磁力的作用。作为第一个例子，我们来研究一下所谓螺线管。它实际上就是一卷金属线，如图45所示。我们的目的就是要用实验来掌握关于与通过螺线管中的电流相关连的磁场的知识，并把知识结合在场的构图中。图上已经把结果显示出来了，弯曲的力线是闭合的，它们围绕着螺线管，表征着电流的磁场。
磁棒的磁场，也可以用表示电流的磁场的同样方法来表示。如图46所示，力线是从正极到负极的。力的矢量总处在力线的切线方向上，而且近极处最大，因为在这些地方力线最密。力的矢量表示磁棒对正磁极的作用。在这个情况里，场的〃源〃是磁棒而不是电流。
应该仔细地比较一下前面的两个图，在图45中的是通过螺线管的电流的磁场，图46中的是磁棒的场。我们且不管是螺线管还是磁棒，而只注意它们外面的两个场。我们立刻会注意到它们的性质是一模一样的，两者的力线都是从螺线管或磁棒的一端延伸到另一端。
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�