电与磁的纠缠 是宇宙间最奇妙的探戈吗「交变电磁场」

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在我们容易感知的范畴内，电磁现象显然无论怎么看都令人匪夷所思，因为他们总是相依相伴，仿佛一出矢志不渝的旷世绝恋，天长地久海枯石烂永不改变。

我们通常把电磁看做两类至少在表观上不尽相同的事物，因为对于电，我们不由自主会联想到电流、电路、电阻以及电器，而磁则则自然而然的让我们将之与磁场和磁铁联系在一起，只有在涉及到发电机的时候，会不可避免避免的把电和磁融合成一体。

事实当然并非如此，因为电与磁作为一对亲密无间的眷属，命中注定要彼此纠缠。单独的电，就像单独的磁一样，在现实中并不存在。

电磁的普遍性，同种电磁场的排斥，与相异电磁场之间的吸引，是物质结构的根本原因，甚至可能是宇宙结构的根本原因，如果我们把电磁力、核力及引力都视为夸克力的分量的话。

电磁学认定的点电荷，其实和经典运动力学认定的质点一样，都不属于一种客观的物理实在。因为物质总是运动的，而运动电荷一定伴随磁场，因此所谓的电单极子，不过是电磁单极子，只是在运动方向上表现出电单极子的性质。就算我们在思想中可以想象出一个静止的电荷，单独的点电荷也不会存在，因为造就电荷物质性的内禀的自旋，也必然将一个电荷变成一个微小的磁体，磁场平面与自旋方向垂直。这是量子力学给出的最深层次的电磁纠缠模型，看起来几乎突破了物质概念的基本底线，但是无法实验验证因而现实性不得而知。

这使得我们很难把电荷的运动归结为磁场之所以存在的唯一原因，只能在观察的事实中，得出运动电荷必然伴随磁场这样一种宇宙间最基本的规律之一。

但是电磁之间的因果关系确实也并非毫无理由，至少我们从电场和磁场的特征中可以初窥一线天机。

电场和磁场的存在显然是确定无疑的，而通过一目了然的电力线和磁力线的描述，我们很容易直观的了解电场和磁的某些基本属性。我们不难发现，电力线总是开放的，但磁力线必定是闭合的。因此电单极子可以在理论上存在，而磁单极子在理论上也是不能存在的，因为这会改变磁力线总是闭合的观察事实。开放的电场线表明电荷的相互作用必将导致不为零的位移，但磁力线却大相径庭，因为总的位移必定为零。

这意味着从做的总功来说，电场总有一个确定的不为零的值，而磁场却总是为零。换成能量的角度考虑，可以说磁场对宇宙的总的能量效应为零。这无疑会让我们顺理成章的得出一个看起来不可思议的结论，即磁场，更像一种“无”中生“有”的事物，磁力线描绘出来的磁场的完全的对称性，也是这种观念的最好注脚。而这种对称性并不存在于电场之中。而变化的电场必然伴随磁场，则以事实表明了磁场的创生方式的确是无中生有，于是，在宇宙间能量守恒和动量守恒两种基本规则的制约下，磁场的磁力线必须是闭合的，而且磁场的分布总体上必须完全对称。

不过我们仍然难以确定磁场和电场的真正关系。

虽然现实中的基本电荷是由质子和电子这样的带电荷的基本粒子规定的，但由于电子更容易离开原子的范围四处游荡，并且总是运动的电子本身必然伴随一个垂直于运动方向的磁场，因此，现实中无论电场还是磁场，基本上可以认为是电子的行为决定的。

通电线路中的电场产生的唯一原因在于对电子被电源电压驱使的定向运动的阻断，而阻断行为本身意味着能量的消耗，这个能量消耗的结果便是电路中新出现一个电场，电场的势能，显然唯一的来源于此。

而通电线路周围垂直于电流方向的磁场，看起来只是电路中定向运动的磁场的总的矢量和，而断开电路周围磁场的消失，仅仅是因为电子在电场决定的定向运动消失后自身杂乱的运动导致磁场方向各异彼此抵消，在矢量上表现为一个未必绝对为零但难以有效检测的净值。

但是在微观的层面上，对于电荷与磁场的关系的判断，我们仍然一筹莫展。除非我们能够认识到电子更深刻的本质，否则我们无法理解电磁相随的内在原因是什么。

我们先回到容易直观判断的电场和磁场上来。

结合以上的描述及电磁力学的一些基本常识，我们总结电场和磁场的一些基本属性如下：

1. 电流必然伴随磁场，表征电流真正强度的是电路线中做与电流方向一致的导线运动电子的数量，数量大小同时决定电路线周围来源于电子微磁场的矢量和的磁场的强度，磁场强度的变化与电子动能的变化无关；

2. 电场总是由正到负，具有确定的起点和止点；但磁场总是闭合的，只有在局部具有起止点；

3. 经过特定电场某一点垂直于电场方向存在一个等势面，在等势面上运动的电荷不受电场的影响；同理，经过特定磁场某一点垂直于磁场方向也存在一个等势面，在等势面上运动的磁体不受磁场的影响；

4. 电场只对电荷和电场发生作用，对于运动电荷和电场，作用力的大小取决于运动方向与电场方向一致的分量，对平行的电场作用力最大，对垂直的电场则毫无作用；磁场只对磁体发生作用，对运动磁体的作用力取决于磁体磁场在原磁场方向上的分量，同样对平行的磁场作用力最大，对垂直的磁场则毫无作用。磁场对运动电荷产生作用的唯一原因在于运动电荷本身是一个磁体，当电荷运动方向垂直于磁场是电荷的磁场与源磁场平行作用力最大。但是由于磁场对运动电荷只作用于电荷运动方向垂直于与磁场的分量，所以磁场对运动电荷不做功，只改变运动方向；

5. 电场与磁场之间不会发生相互作用，电荷与磁体也不发生电磁场介导的相互作用，因此电荷运动改变伴随的能量改变不会通过电荷与磁场的相互作用传递到磁场中去。

基于上述的电磁场的确定无疑的根本属性，我们可以认为，磁场伴随电荷的真正原因，在于传递电荷运动变化导致的能量变化，而传递的原则在于遵循动量守恒和能量守恒。磁只是电的附属物，因此电磁等效性作为电磁现象考察的基本原则，从根本上来说是违背电磁基本规律的。

电流的感生电流现象以及感应电流现象，均可以作为这种看法的有力佐证。

电流产生感生电流的现象最初是通过一个电路的一段导线瞬时通电和断电发现的，通电的瞬间在电路线附近产生一个反向电流而断电的瞬间产生一个同向电流，同时距离电路线越近电流越强，越远越弱。

电路开关的合拢和断开需要耗费人力，这是最初始的能量来源，但显然只能是其中的一部分转变为源电路中电荷的动能的变化，而且这个变化只在开关合拢与断开的瞬间存在。在能量守恒的规定下，这个在电路中电荷动能的改变量必须传递出去。

因为电场与磁场不发生相互作用，而且电场只与电场发生作用，所以动能的改变量只能以另一个电流和电场的变量方式存在，显然，这就是感生电流产生的真正原因。同时在动量守规律的制约下，初始动量为零的系统在出现变量后，变量之间的动量的矢量和必须为零。于是，新出现的电流伴随一个反向的感生电流，而消失的电流伴随一个同向的感生电流。显然感生电流的呈现唯一的原因在于电流所在位置感生电场的存在，而且电磁相伴的基本特性决定，这个电场一定垂直于磁场。由于源电流和感生电流都垂直于磁场，因此感生电流必然平行于源电流，感生电场也必然平行于源电路线，感生电流和感生电场的空间形式由源电流线给定并保持不变。

我们再来看导线在磁场中运动产生感应电流的情况。

导线在磁场中进行切割磁力线的运动，会在导线中产生电流。这种现象同样是实验得出的一种基本电磁属性。

在电磁感应现象中，实际上依然是一种导线运动伴随的电荷运动的能量变化，转换成了导线中电荷的动能。导线运动产生的电荷的水平运动被磁场完全转变为导线中的垂直运动，在磁场中静止的导线因为没有运动引起的导线中电荷的定向水平运动，所以不会产生磁场介导的垂直于磁场的运动，即导线中没有可测量的电流。可见磁场本身并没有改变，在动能转变的过程中仅仅凭借电磁相互作用的基本特性，作为能量转移的中介。

显然在感应电流的过程中，同样是遵循能量守恒和动量守恒的，一种能量形式转变为另一种能量形式，一个增加的动量伴随一个减少的动量，一个减少的动量伴随一个增加的动量。

其实电磁波现象和上述的两种电磁现象并无本质的不同，差别仅仅在于电磁波中的变化是周期性的。

在电磁波中，只有在第一个波长周期，能量的变化可以由源电路中的电流变化给出，此后的电磁波便在电场周期变化表征的能量变化的转移中继续存在。显然，在电场变化表征的能量转移中，因为不存在电荷之间的相互作用必然引起的能量损耗，这种转移是遵守完全能量守恒的，传播过程中无能量的衰减。在电磁波的整个传播过程中，在传播方向上后面一个电磁波消失的瞬间才会因为电磁相互感应的必然属性出现前面一个电磁波，前面一个电磁波的产生的唯一原因，在于后面一个电磁波的消失。这种能量转移的完全性规定，在一个波长时间段，有且只有一个电磁波，而在一个时间点上，则有且只有一个由相位决定的藕联的电磁场。

从电磁转换的方式来看，电磁感应和感生电场都可以成为电磁波空间传播的内在机制，差别在于前半个周期内，第一种方式不存在感生电场，第二种方式则分为两个完全反向的感生电场。至于具体是哪一种，只有实验才能准确验证。

电磁力学对于感应电流和感生电流的解释完全一样，都在于某个闭合线路中磁通量的改变。必须承认，这种方法不但和我们给出的能量角度的考察方法完全等效，而且通过可以较容易被实验验证的磁通量的变化，在现象的量化方面具有更大的优越性，因为测定电荷运动的动能确实是一项几乎无法完成的工作。

实际上，电磁力学的考察方法和视角与经典云动力学的考察方法和视角的差异，就体现在上述的两种描述中。可见，虽然考察的对象完全相同，但视角和方式的改变，引起对基本上完全由实验证实的电磁力学规律与经典运动力学揭示的规律大相径庭，于是，两种方法在数学形式上必然存在程度不一的差别。在电磁力学和经典运动力学中，可能只有万有引力定律和库伦定律在数学形式上非常一致，但是他们考察的对象和考察的方式也是非常相似的。所以可以认为，物理定律在数学形式上是否协变，取决于对于同一对象的视角和采用的方式是否一致。

可见，如果没有感应磁场的存在，电流的运动变化伴随的能量变化，将无法转移出去。于是我们可以认证我们提出的观点，即磁场的存在，是能量守恒和动量守恒基本规则决定的传递电荷能量和动量变化的内在要求。

然后我们继续考察电磁场的边界问题。

电场的考察相对容易得多。我们上面对电磁场基本属性的描述已基本可以得出有源电路中宏观电场的属性。在有源电路中，电场仅仅存在于通电电路的电阻两端及断开电路的断端之间，显然电场的空间形态在电阻可以由电阻的形态任意给出，而断开电路断端之间的空间形态必然是起止与断端的直线段。因此有源电路电场的边界便由通电闭合线路的电阻和断开有源电路的断端决定。

至于运动电荷的微观电场，在方向上自然是被运动方向决定，而电场的边界则难以界定。如果我们认定只能由磁场感生的环形闭合导线中存在的电场为零，则运动电荷的电场可以根据电荷的正负，认为前后方存在负正但矢量和为零的点电场，但是依然呈开放状态。

宏观磁场的边界无疑是由电荷微观磁场的矢量和决定的，于是对磁场边界的真正考察只能针对于基本电荷尤其是电子，但显然，我们连真正的独立的单个电子基本上都没有看到过，这种对磁场边界问题的考察确实无计可施，我们只能通过宏观磁场的某些现象，间接考察磁场的边界问题。

我们认为最适宜用于磁场边界的实验非感生电流莫属。

显然用经典电磁动力学的描述方式是无法确定磁场的边界的，而且实际上在经典电磁动力学的描述中磁场也确实没有边界，但是面积的积分表现为一个有限值，因此只存在一个由测量精度决定的边界。

但是从能量转移的角度考虑，通电导线周围必然存在一个理论上的边界，因为一个有限的运动变化表征的能量，在空间的连续分布不可能是无限的。

从电磁波谱的观察来看，电磁波的产生需要一个最低的能量变化，这个能量对应于电磁波频率谱的最低端存在一个确定值，这个频率是0.1，如果现代电磁动力学给出的电磁波谱的最低能量并不是测定精度限制的。那么这个频率与普朗克常数的乘积，至少在现有的理论框架内，就是感生电场能够存在最低能量限定的磁场边界，而在经典电磁动力学用磁通量的描述方式下，这个边界也是最小的可以用感生电场来表征的边界，因而可以认为是宏观磁场的边界。显然这个值同样确定电荷的伴随磁场的边界，而这种两种确定磁场的边界方式无疑完全一致。

另外我们可以通过感生电场现象考察磁场的动态边界，即磁场的空间扩布。

闭合电路开关的断开存在的稳定的电场周围无伴随磁场存在，这是可以用磁计或者铁粉简单验证的基本事实。如果再附加一个并联电路且远隔源电场，则可以通过改变并联电路电场大小的方式改变源电场的大小以产生感应磁场。因为电场没有电荷存在，因此，感应磁场就不能归结为电流伴随磁场那样的微观磁场做定向运动时的矢量和，而是一个由变化电场基本特性决定的无中生有的磁场。只需要在距源电场不同的距离放置磁针，在采用某种方式测定不同位置磁针发生偏转的时间差，就可以确定磁场在空间的扩布是否需要时间。

虽然在现代量子场论中，所有的场都以光速扩布是一种基本常识，只是我们认为这实际上只是一种缺乏足够说服力的人为规定。只有像我们在《光的本质》中论证的光速表征的实际上是磁场的空间扩布速度，所有的场以磁场速度扩布才是融洽的。而我们上述的理论实验，正是可以用于磁场以有限速度扩布的可以实现的方式。

最后我们尝试探讨场的本质问题。

宏观电场的本质是外力做功对定向运动电子的阻抑，因此可以轻易判断电场实质上是被阻抑的运动电荷的动能表征的动能的蓄积，即势能。

而磁场本质的界定却非常困难，因为磁力线总是闭合的基本事实决定磁场对外界的总的能量效应为零，于是磁场是一种势能只在磁力线的局部或者垂直于磁力线的局部的等势面间有效，而这种局部的势能，无疑是能够对运动电荷产生作用的唯一原因。不过整体上看待磁场，磁场的能量为零，显然与永不为零的电场附属的势能迥然不同。

这似乎印证了我们前述的观点，即磁场不是一种能量，只是一个整体上呈中性的必然伴随运动电荷的媒介，用以介导运动电荷能量变量的转移，是运动电荷在能量和动量守恒基本宇宙规则支配下的内在必然要求。

至于更深层次的电磁场的根源问题，以及电场与电场之间、磁场与磁场之间的相互作用的根源，所涉过多，会在我们《光：能量的载体》中另行阐述，在次不予多议。

总而言之，电磁的相互依存和彼此纠缠，是一种基本规则的呈现，进而规定着宇宙存在的方式。

电与磁的纠缠，是宇宙间最奇妙的探戈！