地球磁场—人类赖以生存的必须环境—第七章电(5)
《电学和磁学通论》虽然抢购一空,麦克斯韦的电磁理论又具有内在的完美性,并和已知的电磁现象相符,却在相当长的时间里没有得到认可,许多科学家都抱着怀疑的态度。主要原因是,麦克斯韦的电磁理论观点新颖,数学深奥;电磁波是检验电磁理论的关键,麦克斯韦预言存在的电磁波一直没有得到实验的验证。
1879年11月5日,年仅49岁的麦克斯韦因患癌症去世。1888年,德国物理学家赫兹(Heinrich Rudolf Hertz, 1857~1894)根据电容器放电的振荡性质,设计制作了电磁波源和电磁波检测器,检测到电磁波,测定了电磁波的波速,与光波一样。之后,科学家们才开始重视麦克斯韦的理论,公认他是“牛顿以后世界上最伟大的科学家”。《电学和磁学通论》成为一部可以同牛顿的《自然哲学中的数学原理》、达尔文的《物种起源》和莱伊尔的《地质学原理》相媲美的物理里程碑式的著作,具有划时代的意义。
意大利科学家马可尼(Guglielmo Marconi 1874~1937)首先想到利用电磁波来传递信息,根据电报密码来按发报机的电键进行无线电报通信。1897年5月,他第一次实现了距离9英里的无线电联系。1899年,实现了横跨英吉利海峡之间的无线电通讯,这是人类第一次用电磁波传送信息,电文是:“你的来电收妥无误,而且很清楚。”1901年,他成功地从英国科尔努埃尔发出电报,越过大西洋上空,与加拿大纽芬兰建立了联系。马可尼因此成为世界上第一位发现电磁波可以传递信息,并实现了无线电通讯的科学家。人类的生活因为电磁波的广泛应用发生巨大的改变。
麦克斯韦以高斯、奥斯特、法拉第等人的实验成果和理论思想为基础建立的电磁理论,被认为是电动力学世界观对牛顿力学世界观的一次进步,它指示人们用场的概念来想问题。
牛顿力学的物质观(对物质结构的认识)是所谓“机械论”,它认为“现象世界”的五光十色的运动形式都可以归结为原子的机械运动(即位置移动)。古希腊的原子论哲学家德谟克里特对这种世界观作或许是最早的表述:“按照意见存在着温暖,按照意见存在着寒冷,按照意见存在着颜色、甜味、苦味;但按照真理,则只存在原子与虚空。”1842年,机械论的基本观点才获得第一次证实。“热的唯动说”把热现象归结为分子的机械运动,形成了把一切运动归结为机械运动的狂热。可是,把电磁运动归结为机械运动的尝试失败了。法拉第和麦克斯韦的电磁场论却把电磁现象统一于一组场数学方程。
1895年,荷兰物理学家、数学家洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz 1853~1928)提出了后人称为“经典电子论”的思想,认为电具有“原子性”,电的本身是由微小的实体组成的(后称为“电子”),电子是基本的带电粒子,作为电磁场的场源,它激发一个电磁场,这是电子的“固有电磁场”,是电子的自身的组成部分。电子是一个带电粒子与一个电磁场的统一体。带电粒子的运动是机械运动,而电磁场的运动则是电磁运动,两者统一于“电子的运动”。电子论把一切物理运动归结为机械运动与电磁运动,把一切运动归结为电子的运动。电流可以看作电子的一种运动的集合。
作为基本假设,洛伦兹引入了洛伦兹力,认为运动电荷在电磁场中会受到力的作用。洛仑兹力垂直于电荷的运动方向,不改变电荷速度的大小,只改变电荷速度的方向;洛仑兹力不做功,只是充当了电荷在磁场中运动的向心力。
洛伦兹用波动方程(非齐次波动方程,也称达朗贝尔方程)取代泊松方程来描述电磁过程。泊松方程表示电磁作用是“瞬时”的超距作用,与牛顿、库仑、安培等人的思想吻合;波动方程则表示电磁作用是接触作用,与笛卡尔、法拉第、麦克斯韦等人的思想吻合。泊松方程遵循的伽利略变换,波动方程则遵循洛伦兹变换,伽利略变换表现牛顿力学的时空观,洛伦兹变换则表现电动力学的时空观。因此,用波动方程取代泊松方程来表现电磁过程已经蕴含着物理学史上的一次空前的大变革。
奥斯特发现电流的磁效应之后,有些物理学家认为,有些物质(如铁)所表现的宏观磁性也来源于电流。(那时还未发现电子。)1822年,安培提出分子电流假说来解释物质的磁性。磁性物质的分子中,存在着回路电流,称为分子电流(“安培电流”)。分子电流的磁效应相当于一个小磁针。当分子处于杂乱无章的状态,各个分子之间磁效应相互抵消,对外不表现磁性;当分子处于有序状态,各个分子之间磁效应相互加强,对外表现磁性。物质磁性决定于物质内的分子电流。电流是磁现象起源的思想影响至今。
文章来源:《地球与环境》 网址: http://www.dqyhjzz.cn/zonghexinwen/2020/1008/340.html