[科普中國]-論物理力線

《論物理力線》（英語：On Physical Lines of Force）是詹姆斯·麥克斯韋于1861年發(fā)表的一篇論文。在這篇論文里，他闡述了可以比擬各種電磁現(xiàn)象的“分子渦流理論”，和電勢移的概念，又論定光波為電磁波。麥克斯韋又將各種描述電磁現(xiàn)象的定律整合為麥克斯韋方程組。

簡介《論物理力線》（英語：On Physical Lines of Force）是詹姆斯·麥克斯韋于1861年發(fā)表的一篇論文。在這篇論文里，他闡述了可以比擬各種電磁現(xiàn)象的“分子渦流理論”，和電勢移的概念，又論定光波為電磁波。麥克斯韋又將各種描述電磁現(xiàn)象的定律整合為麥克斯韋方程組。1

主要目標(biāo)引力、電場力和磁場力都遵守平方反比定律。給予一個引力源于空間的某位置，在空間的任何其它位置，放入一個具有質(zhì)量的檢驗粒子，則此檢驗粒子所感受到的引力的大小必定與距離的平方成反比。從檢驗粒子在各個位置所感受到的引力，可以繪出很多條不同的力線，又稱為場線。在這引力線的每一點，引力的方向必定正切于引力線。電場力和磁場力也會產(chǎn)生類似的現(xiàn)像。假設(shè)將一堆鐵粉鋪灑在一塊磁鐵的四周，這些鐵粉會依著磁場力的方向排列，形成一條條的曲線，在曲線的每一點表現(xiàn)出磁場的存在和磁力線的方向。這明確地顯示出磁力線是一種真實現(xiàn)像。假若鐵粉感受到的是直接由磁鐵施加的作用力，則這是一種超距作用（action at a distance）。

麥克斯韋覺得，雖然超距作用能夠滿意地計算出很多電磁現(xiàn)象，但是，超距作用不能解釋整個圖案。麥克斯韋主張用場論解釋：早在鋪灑鐵粉之前，磁鐵就已經(jīng)在四周產(chǎn)生磁場；不論鋪灑鐵粉了沒有，磁場都存在；磁鐵并不是直接施加力量于鐵粉，而是經(jīng)過磁場施加力量于鐵粉；也就是說，鐵粉感受到的是磁場的作用力。在遙遠的那一端的鐵粉怎么知道這一端有一塊磁鐵？超距作用是否違反了定域性能量守恒定律？這兩個電荷之間到底是真空，還是存在著像乙太一類的某種傳遞電磁信息的媒介？麥克斯韋希望能夠給予這諸多問題合理的解答。1

概述由于法拉第效應(yīng)顯示出，在通過介質(zhì)時，偏振光波會因為外磁場的作用，轉(zhuǎn)變偏振的方向，因此，麥克斯韋認(rèn)為磁場是一種旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在他設(shè)計的“分子渦流模型”里，他將力線延伸為“渦流管”。許多單獨的“渦胞”（渦旋分子）組成了一條條的渦流管。在這渦胞內(nèi)部，不可壓縮流體繞著旋轉(zhuǎn)軸以均勻角速度旋轉(zhuǎn)。由于離心力作用，在渦胞內(nèi)部的任意微小元素會感受到不同的壓強。知道這壓強的分布，就可以計算出微小元素感受到的作用力。透過分子渦流模型，麥克斯韋詳細地分析與比擬這作用力內(nèi)每一個項目的物理性質(zhì)，合理地解釋各種磁場現(xiàn)象和其伴隨的作用力。

麥克斯韋對于分子渦流模型提出幾點質(zhì)疑。假設(shè)鄰近兩條磁力線的渦胞的旋轉(zhuǎn)方向相同。假若這些渦胞之間會發(fā)生摩擦，則渦胞的旋轉(zhuǎn)會越來越慢，終究會停止旋轉(zhuǎn)；假若這些渦胞之間是平滑的，則渦胞會失去傳播信息的能力。為了要避免這些棘手的問題，麥克斯韋想出一個絕妙的點子：他假設(shè)在兩個相鄰渦胞之間，有一排微小圓珠，將這兩個渦胞隔離分開。這些圓珠只能滾動（rolling），不能滑動。圓珠旋轉(zhuǎn)的方向相反于這兩個渦胞的旋轉(zhuǎn)方向，這樣，就不會引起摩擦。圓珠的平移速度是兩個渦胞的周邊速度的平均值。這是一種運動關(guān)系，不是動力關(guān)系。麥克斯韋將這些圓珠的運動比擬為電流。從這模型，經(jīng)過一番復(fù)雜的運算，麥克斯韋能夠推導(dǎo)出安培定律、法拉第感應(yīng)定律等等。

麥克斯韋又給予這些渦胞一種彈性性質(zhì)。假設(shè)施加某種外力于圓珠，則這些圓珠會轉(zhuǎn)而施加切力于渦胞，使得渦胞變形。這代表了一種靜電狀態(tài)。假設(shè)外力與時間有關(guān)，則渦胞的變形也會與時間有關(guān)，因而形成了電流。這樣，麥克斯韋可以比擬出電勢移和位移電流。不但是在介質(zhì)內(nèi)，甚至在真空（麥克斯韋認(rèn)為完美真空不存在，乙太彌漫于整個宇宙。與普通物質(zhì)不同，麥克斯韋假想的乙太具有能量與動量，因此可以說具有質(zhì)量，但是牛頓萬有引力定律不適用于它，因為它沒有重量。），只要有磁力線，就有渦胞，位移電流就可以存在。因此，麥克斯韋將安培定律加以延伸，增加了一個有關(guān)于位移電流的項目，稱為“麥克斯韋修正項目”。聰明睿智的麥克斯韋很快地聯(lián)想到，既然彈性物質(zhì)會以波動形式傳播能量于空間，那么，這彈性模型所比擬的電磁場應(yīng)該也會以波動形式傳播能量于空間。不但如此，電磁波還會產(chǎn)生反射，折射等等波動行為。麥克斯韋計算出電磁波的傳播速度，發(fā)覺這數(shù)值非常接近于，先前從天文學(xué)得到的，光波傳播于行星際空間的速度。因此，麥克斯韋斷定光波就是一種電磁波。1

彈性固體模型在那時候，已經(jīng)存在有很多試著解釋電磁現(xiàn)象的物理模型，例如，流體模型，波動模型，熱傳導(dǎo)模型等等。麥克斯韋特別提到了物理大師威廉·湯姆孫的“彈性固體模型”。在這模型里，感受到磁場力的作用，固體的每一顆粒子都會產(chǎn)生角位移（Angular displacement），其轉(zhuǎn)動軸與磁場力同方向，其大小與磁場力的大小成正比；感受到電場力的作用，固體的每一顆粒子都會產(chǎn)生絕對位移，其方向與電場力相同，其大小與電場力的大小成正比；感受到電流的作用，電流經(jīng)過的每一顆粒子都會產(chǎn)生相對于鄰居粒子的相對位移，其方向與電流相同，其大小與電流的大小成正比。由于具有彈性，這個模型可以比擬電場和磁場的傳播，又由于固體粒子會因為磁場的作用而產(chǎn)生角位移，這個模型也可以解釋法拉第效應(yīng)。但是，湯姆孫并沒有對電場力和磁場力的產(chǎn)生給予解釋。1

參閱《論法拉第力線》

《電磁場的動力學(xué)理論》

斐索-傅科儀

羅默測定光速

電磁波方程

麥克斯韋方程組

彎曲時空中的麥克斯韋方程組

麥克斯韋應(yīng)力張量

麥克斯韋方程組的歷史

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

尹維龍 - 副教授 - 哈爾濱工業(yè)大學(xué)