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从低速现象得到的电磁理论，为什么会透露相对论的秘密？: 热度 9 mayaoji 2018-10-4 13:48; 从低速现象得到的电磁理论，为什么会透露相对论的秘密？马耀基人们通过电磁学的研究发现了相对论。相对论是对经典时空观的颠覆，它的效应在高速运动的时候才显著。而电磁学是在低速运动下得到的理论，为什么它会蕴藏着相对论的秘密，导致人们发现时空的奥秘？ 1 、相对论效应众所周知，相对论非常神奇，它远远超出我们的生活经验。根据相对论，运动的物体时间变慢，空间收缩。比如，母亲在 20 岁生下孩子后，乘坐宇宙飞船以 0.995 倍的光速离开地球。宇宙飞船一直以这样的速度运动， 3 年后再回来。这时地球已经过了 30 年，孩子 30 岁，而母亲才 23 岁。在日常生活中，相对论效应非常微弱，无法察觉，否则我们乘车的时候，就会发现时间变慢了。相对论效应只有接近光速时才显著，所以人类在地球上生活了这么多年，一直以为时间像匀速的河流一样均匀流过。既然现实生活中相对论效应很微弱，那人类是怎样发现相对论的呢？物理学家通过摆弄导线、电池、磁铁等玩意发展出了电磁学。这是一种不寻常的理论，它的不寻常导致了一系列的实验，最后通向了相对论的发现。电磁学并不是研究高速运动得到的理论，但它在高速世界里仍然适用（这里速度的高低，是指与光速相比）。同样，牛顿物理也是从低速的世界发展出来的，但它不适用于高速运动的物体。为什么同样是研究低速的现象，电磁学就蕴含了相对论的奥秘，最后颠覆经典时空观呢？本文后面的内容包括两部分：电磁学异常的地方是什么？为什么会出现这种异常？ 2 、电磁学的异常 A 、相对性原理在 19 世纪人们就发现电磁定律和其他的物理理论不同，认为它不符合相对性原理。什么是相对性原理？坐过火车的朋友都知道，当火车匀速行驶的时候，拉上窗帘，我们就无法判断车在向前还是向后开。事实上，如果不是火车颠簸，我们根本不知道火车是静止还是运动。这时候火车上的一切现象，都无法帮助我们判断火车如何运动。比如车上水龙头的滴水，并不会因为车向前运动，它就滴在后面。将这种经验总结推广，人们得到了相对性原理。按这个原理，物理规律在所有惯性系中都相同。（牛顿力学成立的参照系就是惯性系。比如，静止在地面上的火车是惯性系，而突然加速的火车就不是惯性系。粗略地说，相对地面静止或匀速直线运动的参照系都是惯性系。）因此，我们无法根据物理现象判断一个惯性系是静止还是匀速运动。下面具体看看电磁学是怎样违背相对性原理的。 B 、真空中的光速物理学家麦克斯韦将电磁学的规律总结成了一个方程组，他从这个方程组中得到：所有电磁波在真空中传播的速度都是光速 C ，即每秒 30 万千米，光也是一种电磁波。运动速度一定是相对于某个特定的参照系来说的。比如问火车的速度是多少？这要看它相对于地面的速度，还是相对于车上的人，两者是不一样的。既然根据电磁学理论光在真空中的速度是 C ，那这速度也是相对于某个特定的参照系的速度。这样，按传统的观点光在其他惯性系中的速度就不再是 C 。这说明电磁学理论只在那个特定的参照系才成立。显然这是与相对性原理不符的。人们把那个特殊的参照系称为以太参照系。以太是一种假想的特殊介质，绝对静止。因为那时人们普遍认为光的传播需要一种介质，所以引进了以太。 C 、电力和磁力我们从另一个角度来分析电磁理论和相对性原理的冲突。按电磁学，静止的电荷只产生电场，而运动的电荷既产生电场又产生磁场。电荷是静止还是运动则依赖于所选择的参照系。结合经典时空观，这会推出电磁学只在某个特殊的参照系中成立。下图的参照系 S 和 S’ 都是惯性系。在参照系 S 中，电荷 q 1 和 q 2 都处于静止状态。系 S’ 向右下方向运动，即同时沿着 x’ 和 -y’ 的方向运动。那么在系 S’ 看来，电荷的运动如下图：在系 S 中，由于 q 1 和 q 2 都静止，它们之间只有电场力，受力情况如下图。这里只标出 q 2 的受力情况（假设它们是异号电荷）。 Fe 表示电场力。在参照系 S’ 中，电荷 q1 在运动，它既激发了电场又激发磁场。所以同样运动着电荷 q2 既受到电力，因为它在磁场中运动又受到磁力。电荷 q2 受力情况如下图， Fe 表示电力， Fm 表示磁力， Fe 指向 q1 ， Fm 的方向垂直于速度 v 。电荷 q1 的受力情况类似，图中没有画出。可见在系 S 和系 S’ 中电荷的受力不一样。在系 S 中，电荷只受到电力，力的方向在两电荷的联线上，因此电荷的加速度方向也在它们的联线上。在系 S’ 中，电荷受到电力和磁力，合力方向不在电荷的联线上，因此加速度方向也不在这联线上。而这是不可能的。不管在从哪个参照系看，结果都应该一样。这就如同两个小球是否相撞，不会因为参照系不同而看到不同的结果。如果用一根绝缘的刚性杆将两个电荷联接起来，当电荷受力指向另一个电荷时，杆不会偏转。当受力方向偏离联线方向，则杆会偏转。杆是否偏转，在哪个参照系都一样。因为实验结果只有一个，我们能从实验的结果判断出在开始时电荷是静止还是运动。事实上还可以进一步，从电荷受力的大小和方向还能算出电荷原来的速度 v 是多少。这个速度是绝对的，不是相对的。这说明存在一个特殊的参照系。电磁学也只在这个特殊的参照系中成立，这与相对性原理矛盾。 D 、实验有了上面的认识，人们就希望通过做实验来发现那个特殊的参照系——以太参照系，算出地球相对于以太的速度。 1880 年代，迈克尔逊和莫雷测量不同方向的光速，他们意外发现，在任何参照系中光在真空中的速度都相同。换句话说，同样的一束光，相对于地面上的人是 C ，相对于乘着飞船追逐光的人也是 C 。这结果非常令人吃惊。 1902 到 03 年间，特鲁顿—诺伯尔做了上面说的那个实验。他们用平行板电容器代替电荷，用细丝将充了电的电容器悬挂起来。对应于上面所说的刚性杆偏转，按照同样的推理，这种情况下电容器就应该偏转。根据电容器转动的角度，就能算出地球相对于以太运动的速度是多少。他们的实验却发现，在任何时候电容器都没有发生偏转。由于地球在运动，既有公转又有自转。电容器不可能一直相对于那个绝对参照系静止。这些出人意料的发现导致了人们认识上的混乱。后来爱因斯坦的相对论解决了这些问题。根据相对论，并不是相对性原理不对。电磁学在不同的惯性系中都成立，并不存在特殊的参照系。问题出在我们原来的时空观上，时间和空间都不是绝对的。从相对论知道，经典的速度合成法则不成立。比如说走路的人相对于路边的树速度为 10 ，而汽车相对于人的速度为 20 ，按经典时空观，车相对于树的速度就为 20+10=30 。但按相对论这样算是错误的。用新的速度合成法则能算出光速在任何参照系中都一样。从相对论还得到，力和加速度的方向不一定相同。据此可解释为什么电容器没有偏转。 3 、电磁学为什么会透露相对论的秘密总结一下上面的内容，电磁学理论结合经典时空观，推出电磁学只在特殊参照系中成立。后来通过实验发现不存在这样的特殊参照系。最终颠覆了经典的时空观念。这里的关键是磁场的出现。如果没有磁场，就不会发现这一切。如果没有磁场，就不会推出电荷的受力在不同的参照系中不一样，也就没有后来的实验。如果没有磁场，就不会有电磁波。因为变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，导致了电磁波。没有发现电磁波，我们就不可能发现电磁波的速度和参照系无关。我们能发现磁场是一件幸运的事情。磁场由运动的电荷产生，它实际上是一种相对论效应。当电荷运动速度不快时，磁场和电场相比非常微弱。比如下图，电荷 q1 和 q2 的运动速度分别是 v1 和 v2 。两电荷联线和 q1 速度 v1 的方向夹角是 a 。电荷 q2 受到的电力是 Fe ，受到的是磁力 Fm 。电力 Fe 和磁力 Fm 两者之间的关系如下式：在日常生活中，电荷的运动速度 v 远低于光速 C 。从上式可知，这情况下磁力 Fm 远小于电力 Fe ，会被电场力淹没。按理说，我们很难发现磁场，就如同在日常生活中我们无法察觉到乘车的时候时间会变慢。但实际上，在我们的生活中磁力却相当明显，人类早就发现了磁力的存在。这是为什么？这要感谢大自然的巧妙安排。当导线通电时，我们就能察觉到磁场的存在。当它通电时，大量电子向同一个方向运动，由于电子带负电荷，它们在导线周围激发了可观的磁场。而这些电子同时还激发巨大的电场。为什么磁场没有被电场淹没呢？因为导线本身还包含了同样多的正电荷，这些正电荷的电场和电子的电场抵消了。换句话说，导线是电中性的，在导线外没有电场。而通电时，这些正电荷是静止的，没有产生磁场。所以导线外只存在电子的磁场。没有电场的掩护，磁场就这样暴露了。磁铁的磁场更早被发现，道理是一样的。磁铁本身电中性，而磁铁里有分子电流，从而磁铁外只有磁场没有电场。总结，由于大自然的巧妙安排，使得正负电荷的电场抵消，从而人们察觉到大量电子共同运动所产生的磁场。然后发现磁场不寻常的地方，最后导致发现了时空的秘密。科学花果山; 个人分类: 物理学|13308 次阅读|18 个评论

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