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标  题: 第三章　场，相对论(1)
发信站: 哈工大紫丁香 (Thu Jun 13 18:57:33 2002) , 转信



３　场，相对论（１）

场的图示法--场论的两大台柱--场的实在性

场的图示法

　　在１９世纪中后期，物理学中引入了新的、革命性的观念，
它们打开了一条通往新的哲学观点的道路，这个新的观点与旧
的机械观不同。法拉第（Faraday）、麦克斯韦（Maxwell）与赫兹
（Hertz）的成就使现代物理学得以发展，使新概念得以诞生，新
的“实在”的图景也形成了。
　　现在我们来描述这些新概念如何在科学上引起突然的变
化，并阐明它们怎样逐渐地得到澄清和加强。我们将用逻辑推
理的程序来叙述它的发展，不一定完全依照年代的先后来叙述。
　　这些新概念的起源与解释电的现象有关，但是为简便起
见，我们不如首先从力学中介绍它们。我们知道两个粒子会相
互吸引，而它们的吸引力跟距离的平方成反比。我们可以把这
一情况用一种新的方法来表示，但这样做有什么好处还一时很
 
难看出来。图４２中的小圆代表一个吸引体，譬如太阳就是一个
吸引体。实际上你应该把这个图想象为空间中的一个模型，而
不是一个平面图。因此图中的小圆实际上代表在空间中的一个
圆球，例如太阳。把一个所谓检验体的物体放在太阳的附近，
它就会被太阳所吸引，而引力发生在连接这两个物体的直线
上。因此图上的线表示太阳对于检验体在各个位置上的引力。
每根线的箭头表示这个力是朝着太阳的，就是说，这种力是引
力。这些线都是引力场的力线。目前看来，这不过是一个名
词，没有什么理由让我们十分重视它。我们的图中有一个特
色，以后将加以发挥。力线是在空间没有任何物质的地方形成
的，目前，所有的力线（或简单地说成为场）只表示一个检验体
放在构成场的圆球附近时会有何种行为。
　　在我们的空间模型中，力线总是跟圆球的表面垂直的。因
为它们都是由一点发散出去的，因此离圆球最近的地方最密，
愈远愈疏。如果我们把离球的距离增加到２倍或３倍，则在我
们的立体模型中（并不是在我们的图上）力线的密度会减小为１／４
或１／９。因此力线有两个作用，它们一方面表示作用在一个圆
球（例如太阳）附近的物体上的力的方向，另一方面空间力线的
密度又表示力如何随距离的大小而变化。
　　场的图，若正确地解释，它表示引力的方向及其与距离的
关系。从这样的一个图中可以看出引力定律来，正如从描写引
力作用的文字中，或确切而简略的数学语言中可以看出引力定
律来一样。这个场的图示法，虽然我们这样称呼它，并且觉得
它清楚而有趣，但是我们没有什么理由相信它会表示出任何真
实的意义。在引力的例子中很难看出它有什么用处。这些线不
过是图形而已，有人想象确有许多真实的力的作用沿着这些线
通过，这样想象自然可以，但是你必须同时想象沿着这些线，
作用力的传递速率是无限大的。根据牛顿定律，两物体间的力只
与距离有关，与时间毫无关系。力从物体传到另一个物体竟不需
要时间！但是，任何理智的人都是不会相信速率无限大的运动的，
因此要使这个图起到比模型更大的作用是不会有什么结果的。
　　我们现在并不准备讨论引力问题，我们介绍这些，只不过为
了对电学理论中相似的推理方法作一个简化的解释而已。
　　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
切他说，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棒之间有什么相似
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
和一根磁棒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，其中有感生电流可以检验出来。我们可以
像前面移动磁棒一样移动小的螺线管，结果在较大的螺线管中便
会产生感生电流。此外，我们可以不用移动小的螺线管的方法而用
产生和消除电流，也就是用接上和断开电路的方法来激起和消除
磁场。我们又一次看到，场论所提出的新论据又被实验所确认了！
我们来举一个比较简单的例子。我们取一个没有任何电源的
闭合导线，在它的附近有一个磁场。至于磁场的源是另一个通电
 
的电路还是一根磁棒，这是无关重要的。图５１中画着闭合电路
和磁力线。用场的术语来对感应现象作定性和定量的描述是很简
单的。如图所示，有些力线通过线圈所围成的圆，我们必须考察
通过线圈所围住的那部分平面的力线。不论场有多强，只要场不
变，便不会产生电流。但是一旦通过闭合电路所围住的圆的力线
的数目有所变化，那么它上面就立刻引起电流。电流是由通过这
个面的力线数目的变化来决定的，而电流也可以引起力线数目的
变化。这个力线数目的变化不论对感生电流作定性的或定量的描
述都是惟一重要的条件。“力线数目变化”是指力线分布密度在变
化，而我们记得，这句话的意思就是场的强度在变化。
　　在我们的推理程序中最重要的几点是：磁场的变化——感生
电流——带电体的运动——电场的存在。
　　因此，一个在变化着的磁场总是由一个电场伴随着的。
　　于是我们找到了支持电场和磁场理论的两个最重要的台柱。
第一个是变化着的电场跟磁场相结合，它是从奥斯特的关于磁针
发生偏转的实验中形成的，并且它得出了这样的结论：变化着的
电场总是由磁场伴随着的。
　　第二个是把变化着的磁场跟感生电流结合起来，它是从法拉
第的实验中形成的。两者便成为定量描述的根据。
　　伴随着变化磁场的电场也似乎是真实的。我们在前面已经设
想过，即使没有检验磁极的话，电流的磁场仍然是存在的。同
样，我们可以认为即使没有闭合的导线来检验有没有感生电流，
电场还是存在的。
　　事实上，这两个台柱可以化成一个，就是说，化成以奥斯特
实验为根据的那个。法拉第的实验结果可以根据能量守恒定律从
奥斯特实验推论出来。我们所以采用两个台柱的说法只是为了明
白与省事。
　　我们再来讲一个描述场的结果。假设有一个通有电流的电
路，电流的源是伏打电池。如果将导线与电源之间的连结突然断
开，当然不会再有电流了！但是在电流中断的这一瞬间却发生了
一种复杂的过程，这种过程只有用场论才能预言。在电流中断之
前，导线周围存在着磁场，电流中断了以后，这个磁场便不存在
了，因此是由于电流的中断，磁场才消失，这样通过导线所包围
的面的磁力线的数目变化得很快。但是不管这种迅速的变化是怎
样产生的，它一定会产生感生电流。更有意义的是，激起感生电
流的磁场的变化愈大，则感生电流愈强。这个结果又是对场论的
另一个考验。电流的突然中断一定伴随着产生强烈而短暂的感生
电流的现象。实验又确认了这个理论的预言，任何人把电流弄断
都会注意到有一个火花产生，这个火花正好显示由于磁场的迅速
变化而产生了很强的电势差。
　　这个过程也可以从另一观点，即从能的观点去看。磁场消
失，却产生了火花。这个火花代表能，因而磁场也一定代表能。
为了一致地应用场的概念和它的语言，我们必须将磁场当作能的
储存所，只有这样才能使我们能够按照能量守恒定律来描述磁和
电的现象。
　　最初，场不过是一个颇有用处的模型而已，现在看来却愈来
愈真实了，它帮助我们了解旧的论据并且引导我们认识新的论据。
把能归结到场是物理学发展中向前迈进的一大步，场的概念愈显
得重要，使机械观中最重要的物质的概念则愈来愈遭到抑制。


场的实在性

　　电磁学中，关于场的定律的定量数学描述都总括在所谓的麦
克斯韦方程内。上面所说的论据导致了这些方程的建立，但是方
程中所包括的内容比我们所能指出的要丰富得多。在它们的简单
的形式下隐藏着深奥的内容，这些内容只有靠仔细的研究才能显
示出来。
　　这些方程的提出是牛顿时代以来物理学上一个最重要的事
件，这不仅是因为它的内容丰富，并且还因为它构成了一种新型
定律的典范。
　　麦克斯韦方程的特色显现在现代物理学的所有其他方程式
中，这种特色可以用一句话来概括，即麦克斯韦方程是表示场的
结构的定律。
　　麦克斯韦方程何以在形式上和性质上都跟经典力学中的方程
不同？我们说这些方程在描述场的结构是什么意思呢？我们怎样
才能够从奥斯特和法拉第的实验中构成一个新型的定律，这个定
律在物理学的往后发展中又重要到什么样的程度呢？
　　从奥斯特的实验中，我们已经看到磁场环绕着变化的电场闭
合起来。从法拉第的实验中，我们又看到电场环绕着变化的磁场
闭合起来。为了概括地描述麦克斯韦理论的某些特色，我们暂且
集中注意力于这两个实验中的一个，譬如法拉第的实验。现在再
把图５１复习一下。我们已经知道，如果穿过导线包围的面的力
线的数目发生变化，便会产生感生电流。因此当磁场变化，或电
路变形，或电路移动都会有电流产生，就是说：不论穿过表面的
磁力线的数目是因为什么缘故变化的，只要有了这种变化，便会
有电流。要把这种种可能性都计算在内来研究它们的特殊影响，
那么必定会引出一种极为复杂的理论来。但是我们能不能使这个
问题简化呢；我们试把牵涉到电路的形式。长度以及导线所包围
的面等方面的一切因素都不加考虑。我们可以想象图５１中所画
的线圈逐渐缩小，最后变成一个极小的线圈，只包围空间的某一
点。这样，关于形状和大小的问题就完全没有关系了。在闭合曲
线缩成一点的极限情况下，线圈的大小和形状就自然而然地从我
们的考虑中消失，于是我们就得到把任何时刻及空间中任何一点
的磁场和电场的变化连结起来的定律。
　　这是得出麦克斯韦方程的主要步骤中的一步，这又是在想象
中把法拉第实验中的线圈缩成一点所做的一个理想实验。
　　事实上我们应该叫它半步而不是一整步，因为到目前为止，
我们的注意力只一直集中在法拉第的实验上。但是以奥斯特的实
验为根据的场论的另一个台柱也必须用同样的方式很细致地加以
研究。在这个实验中磁力线围绕着电流的周围闭合起来。把磁力
线的圈缩成一点以后，其余的半步就完成了。而这整个一步便得
出，在空间中任何一点以及任何时刻的磁场和电场的变化之间的
联系。
　　现在还需要有另一个很重要的步骤。根据法拉第的实验，必
须有导线来检验电场是否存在，正像在奥斯特的实验中也必须有
磁极或磁针来检验磁场是否存在一样。麦克斯韦的新的理论观念
却超越了这些实验论据。在麦克斯韦的理论中，电场和磁场，或
简单些说电磁场，是一种实在的东西。一个变化的磁场总产生电
场，而不管有没有一根导线去检验它是否存在；一个变化的电场
也总会产生磁场，不管有没有一个磁极去检验它是否存在。
　　这样，要有两个重要的步骤导致麦克斯韦方程的成立。第
一，必须使奥斯特和罗兰实验中的围绕电流及变化的电场周围的
磁场的闭合力线缩成一点；必须使法拉第实验中的围绕变化的磁
场周围的电场的闭合力线缩成一点。第二，是把场看成实在的东
西。一旦产生了电磁场，必须按照麦克斯韦定律而存在、作用和
变化。
　　麦克斯韦方程是描述电磁场结构的。这些定律的描述对象是
整个空间，不像力学定律那样，只以物体或带电体所在的一些点
为描述的对象。
　　我们记得在力学中只要知道了一个粒子在某一时刻的位置和
速度，又知道了作用于它的力，便可以预知这个粒子的未来的行
经路程。在麦克斯韦的理论中，假如知道了场在某一时刻的情
况，便可以根据这个理论的方程推出整个场在空间和时间中会怎
样变化。麦克斯韦方程使我们能够了解场的来历，正如力学方程
能使我们了解物质粒子的来历一样。
　　但是在力学定律和麦克斯韦定律之间仍然有一个重要的不同
点，把牛顿的引力定律和麦克斯韦的场定律作一比较，便更能显
出这些方程所表达的一些特色来。
　　利用牛顿定律，我们就可以从作用于太阳和地球之间的力，
把地球的运动推论出来。这个定律使地球的运动跟远离地球的太
阳的作用联系在一起了。地球和太阳虽然相隔很远，但在力的表
演中它们都是演员。
　　在麦克斯韦的理论中，根本没有这种具体的演员。这个理论
的数学方程表述了电磁场的定律。它们不像牛顿定律中那样联系
两个相隔很远的事件，它们不是把此处所发生的事情跟彼处的条
件联系起来，此处的与现在的场只与最邻近的以及刚过去的场发
生关系。假使我们知道此处和现在所发生的事件，这些方程便可
以帮助我们预测在空间上稍为远一些。在时间上稍为迟一些会发
生什么。它们能使我们用一些小步骤来增加场的知识，把这些小
步骤加起来，我们便可以由远处所发生的事件推出此处所发生的
事件。牛顿的理论恰恰相反，它只允许把距离很远的事件联系起
来的大步骤。奥斯特和法拉第的实验都可以用麦克斯韦的理论来
加以重演，但是只能用把一些小步骤总加起来的办法，而每一个
小步骤都是由麦克斯韦方程确定的。
　　如果从数学上更全面地对麦克斯韦方程加以研究就能推出一
些新的实际上是出乎意料之外的结论，而使这整个理论在一个更
高的水平上受到考验，因为这些理论上的结果，现在已具有定量
的性质，而且是由一系列的逻辑推理得出来的。
　　我们再来设想一个理想实验，用某种外部影响迫使一个带有
电荷的小圆球很快而且有韵律地像钟摆一样振荡起来。根据我们
已经具备的关于场的变化的知识，我们怎样用场的语言来描写这
里所讨论的一切事情呢？
　　带电体的振荡产生了一个变化的电场，它总是由一个变化的
磁场伴随着的。假如把一个形成闭合电路的导线放在附近，于是
与变化的磁场相伴而发生的便是电路中的电流。这些话无非是复
述已知的论据，但是研究麦克斯韦方程以后，对振荡带电体的问
题便会有一种更深的了解。根据麦克斯韦方程所作的数学推理，
我们便可以发现围绕在一个振荡带电体周围的场的性质。它在场
源近处和远处的结构以及它随时间的变化。这种推理的结果就是
电磁波。能是从振动的带电体中以一定的速率经过空间而辐射出
去的，能的转移，状态的运动，是一切波动现象的特性。
　　我们已经研究过几种不同的波，其中有由圆球的脉动所产生
的纵波，它的密度的变化由介质传播。又有一种胶状的介质，横
波就是在这种介质中传播的，由于圆球的转动而引起球面上的胶
状物的形变，这种形变在介质中向外传播。但是现在在电磁波的
例子中，传播的是哪一类变化呢？这正是一个电磁场的变化。电
场的每一次变化都产生磁场，这个磁场的每一次变化又产生电
场，就这样一次一次地反复变化下去。因为场代表能，所以所有
这些在空间中以一定速度传播的变化就形成一个波。从理论可以
推出，这些磁力线与电力线都处在与传播方向相垂直的平面上，
因此所形成的波是横波。我们从奥斯特和法拉第的实验中所构成
的场的图景的原来面貌仍然保留不变，但是我们现在来看它就具
有更深远的意义了。
　　电磁波是在空间传播的，这又是一个麦克斯韦理论的结果。
假使振动着的带电体突然停止运动，它的场便变成静电场了。但
是由带电体振动所产生的一系列波还是继续在传播。这些波独立。
地存在着，而我们可以像了解任何其他具体事物的过程一样来研
究它们变化的过程。
　　由于麦克斯韦方程是描述电磁场在空间中任何一点、在任何
时刻的情况的，这样就导出如下的结论：电磁波是在空间中以一
定的速度传播，并随着时间而变化的。
　　还有另外一个非常重要的问题，电磁波在空中是以多大的速
率传播的呢？麦克斯韦的理论，在一些与波的实际传播完全无关
的简单实验中的数据的支持下，作了一个明确的答复：电磁波的
递度等于光速。
　　奥斯特和法拉第的实验是建立麦克斯韦定律的根据。上面所
有的结果都是由于仔细地研究了用场的语言来表述的定律中得来
的。从理论上发现以光速传播的电磁波，这是科学史上最伟大的
成就之一。
　　实验确认了理论的预测，５０年前赫兹第一次证明了电磁波
的存在，而且用实验证明了它的速度等于光速。今天，千千万万
人都已经知道电磁波的发送和接收。他们所用的仪器已经比赫兹
所用的要复杂得多，这些仪器甚至能在离波源几千公里处发现波
的存在，而当时赫兹的仪器只能在几米以外发现它。


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※ 来源:．哈工大紫丁香 http://bbs.hit.edu.cn [FROM: 211.93.34.115]