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论电磁体间的相互作用和场概念的起源

摘要

人类在几千年前就已经发现了磁石和磁石相互吸引和排斥的现象,也发现了用丝绸摩擦过的琥珀可以吸引轻小的物体。在漫长的历史进程中,我们积累足够多的关于电和磁现象的实验发现。但是始终有一个问题困扰着科学家们,那就是电和磁是非接触力,这种作用是如何跨越时空影响磁体和带电体的。在法拉第提出场概念之前,我们无法解释电磁体的相互作用,所以科学家只能把这种非接触力称为“超距作用”。场的概念提出后,物理学因此而发生了翻天覆地的改变。

1.电磁作用的现象

1.1磁石

磁石可以吸引铁钉,很多人小时候都玩过磁铁,磁石可以将铁钉隔空吸引起来。

1.2磁极

我们还知道磁铁有不同的磁极,同极排斥,异极相吸。

现在我们知道地球本身也是一个巨大的磁体,也有两个磁极,指南针的核心部分也是一个磁体。利用磁极作用的规律来辨别地理方位,中国古人发明了指南针,古时候也叫司南,是我们中国人引以为豪的四大发明之一。

2.静电

2.1琥珀

静电现象最早发现的是摩擦起电,古希腊时期的贵族妇人喜欢佩戴琥珀首饰,由于她们在走路时,穿着的丝绸衣物会与琥珀不断摩擦,导致琥珀带电,从而吸引灰尘。但是那个时候的人们并不了解为什么琥珀明明擦的很干净了,却还是很容易变脏。直到古希腊学者泰勒斯经过实验,发现丝绸摩擦可以使琥珀能够吸引轻小物体,并把琥珀经过摩擦而具有吸引轻小物体的能力称之为“电”,所以后来电被称为“electron(类似琥珀,意指摩擦后吸引小物体的性质)。

同样电作用和磁作用都是非接触力,这种力可以跨越空间发生,在法拉第提出场概念之前这种无法解释的作用力我们把他们称之为“超距力”。

2.2闪电

还有一种现象我们都见过,那就是闪电,闪电是自然界的大规模放电现象。

如今在人们掌握了电的科学理论以后,这样的放电现象已经可以在实验室中或者家中制作出来,比如特斯拉线圈。

3.超距概念的废弃

电磁体之间的相互作用,可以不用接触就可以瞬间发生,不需要媒介传递。法拉第以及同时代很多物理学家,和牛顿一样觉得超距作用是无法想象的,超距作用在经典力学体系里的存在,让这些最聪明的头脑很是不安。可以想象超距作用和超自然现象一样,不是科学家想要的答案。

法拉第通过引入场的概念,想来来摆脱神秘的超距作用,他认为带电体之间的相互作用、磁体之间的相互作用,都是通过场发生的。法拉第并进一步引入了场线(他称之为“力线”)来直观的描述场强的分布规律。

场的概念的提出是一项革命性的进步,对物理学的发展和研究对象造成了深远的影响。现代物理学就是以场和粒子作为物质存在的两种基本形式而建构的。

4.场是物理实体

法拉第提出力线的概念,是为了解释电磁相互作用,实际上他并不确定场是实物。后来伟大的麦克斯韦诞生了,一举建立了电磁场的统一理论,并且预言了电磁波的存在。

赫兹通过实验,从装置中发射出电磁场,电磁场脱离装置,飞跃空间,直到被另外一个接受装置探测到,这就是赫兹的火花实验。这是一个脱离了装置而独立存在的场,原来场是真实的物理存在,不再是法拉第假象的力线。

生活在信息社会的我们,每天使用手机,而在我们的周围空间,弥漫着电磁场,他们有着各种各样的频率,携带着信息,维持社会的信息流通。虽然我们无法看见和触摸,但是通过我们电子装置可以检测到他们的存在。这些不同频率的电磁波,构成一个电磁频谱大家族,在我们生活的方方面面发挥着巨大作用。

比如可见光让我们能够看到这个世界,赋予我们一个五彩斑斓的世界。看不见的红外线给我们带来温暖。我们这个世界已经离不开场了,场已经变成了我们赖以生存的物质存在。

总结

人类探索电磁作用的历程跨越了千年,从令人困惑的超距力到力线的概念,再到场的物理实体得到验证,可以说后来的物理学已经变成了场的物理。爱因斯坦给自己的统一物理理论起名“统一场论”,描述引力的广义相对论被称为引力场理论,描述微观粒子的理论是量子场论。我们已经看到场已经登上了历史的主角。物理学因为场的概念发生了翻天覆地的变化,场和粒子一样成为物理学的两大基本对象,甚至很多时候粒子更像是场的从属,而场概念的提出距离现在也才不过区区一百多年。

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