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耿宪温
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磁场高斯定理成立吗?

(2009-02-22 17:13:24)
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杂谈

磁场高斯定理成立吗?

1、研究的目的

对电磁学的深入研究表明,经典电磁理论并非完美无缺得无须再作探讨,电磁理论作为物理学的支柱性学科,它本身存在框架性、基础性的缺陷。

这里的研究具体将涉及磁场的本质,试图对磁场高斯定理提出质疑,并很可能与万有引力的机理有密切关联。

    2、研究的线索

2.1首先需要明确“(电、磁)力线的研究价值”

电力线和磁力线是法拉第一手建立起来的物理学中的重要概念,《电磁学》(赵凯华、陈熙谋主编)一书的“绪论”(P9)指出:“......电力和磁力不是通过空虚空间的超距作用,而是通过电力线和磁力线来传递的;它们是认识电磁现象必不可少的组成部分,甚至它们比‘产生’或‘汇聚’力线的‘源’更富有研究的价值

《物理定律的形成与发展》(P225~226,何圣静主编)指出:“......1846年,法拉第发表题为《关于辐射线振动之思考》的论文,这是法拉第科学著作中的精华,这篇论文定性地指出,电力线和磁力线的振动,可以产生光和其他辐射现象,这个瑰宝直到几十年后才为人们所发现......”。

    近年来,我国科技工作者研究和发现了“电流变液”和“磁流变液”技术,后者已经在桥梁工程中得到了应用(用来抑制桥梁钢索的“风雨振”);其机理与电力线和磁力线密切相关。

    2.2其次需要明确经典电磁学对(电、磁)力线的总结、概括及一些已公开的新的进展和认识。

静止电荷间通过电场相互作用,用一个图式来概括,则为

       静止电荷                    静止电荷

(参见《电磁学》P28)。

    经典电磁学认为电流或运动的电荷产生磁场(力线)且是磁场(力线)的源。磁极或电流之间通过磁场相互作用,可概括为如下图式

          磁铁                    磁铁

          电流                    电流

    上面图式的实质是

          运动电荷                      运动电荷

 

此外是磁通量变化引起的感应电动势问题,根据经典电磁学,感应电动势又分为动生电动势和感生电动势。

动生电动势的本质在于洛伦兹力起作用,是电荷和磁场的相对运动问题。对于电荷运动、磁场静止的情况,已经包含在上面图式之中;对于电荷静止、磁场运动(如磁铁运动)的情况,可用下面图式表示,但也可从运动的相对性(运动是有绝对性的,但这里可不预考虑)角度来考察,认为已经包含在上面图式之中。

 

 

 

 

关于感生电动势,笔者“麦克斯韦方程组背后的物理真实”一文的论证结果可用下面图式表示:

 

 

 

 

2.3经典电磁学的相关“遗漏”

上面的论述涉及了“静止电荷与静止电荷”间的相互作用、“运动电荷与运动电荷”间的作用、“加速运动的电荷与‘运动或静止电荷’”间的作用。

    不难看出,经典电磁学并未明确涉及“运动电荷与静止电荷”间的作用问题;显然,这个问题可转化为运动点电荷的电场、磁场分布与运动规律问题。

    这个“遗漏”或许与缺乏对电磁学的系统梳理有关,也应该与社会生产实践的实际需求有关,从《电磁学》(P242)的一个例题中,我们不难发现这个“遗漏”在已有的社会生产实践中造成的矛盾小得几乎可以完全忽略不计:

设铜导线中有电流密度为2.4安/毫米2,铜的自由电子数密度为8.4x1028/3,求自由电子的漂移速率。

答案是1.8x10-4米/秒;而金属中自由电子的平均热运动速率有105米/秒。

    2.4“运动点电荷的电场、磁场分布与运动”规律的相对论性答案及简单讨论

《电磁学》(P433)“不同参照系之间电磁场的变换”一节给出了相关的答案。其总的思路是:“……讨论了静止电荷产生的静电场……又讨论了稳恒电流产生的磁场。所谓电流,不过是电荷的定向流动。所谓静止或运动,都是相对于一定的参照系而言的。……在S系中观察,仅存在静电场,而在S’系中观察,则同时存在电场和磁场……于是我们要问:已经建立的电磁规律是相对于哪个参照系的?……这些问题的讨论都离不开狭义相对论的一些基本知识。”

    2.4.1运动点电荷的电场

    参见图4-69,相对论性的答案是:“……随着电荷的运动,电场的这种分布以同一速度向前运动……”(《电磁学》P446~447)。

2.4.2运动点电荷的磁场

参见图4-71,相对论性的答案是:“……随着电荷的运动,磁场的这种分布以同一速度向前运动……”(《电磁学》P448~449)。

2.4.3简单的讨论

上述结论有一定的参考价值,但为了有较清楚明确的认识,需要讨论如下:

(1)据了解,上述结论在经典电磁学中找不到任何直接的实验依据,至今也没有任何直接的实验验证。

(2)上述结论的得出和论证,在开始引出问题时,我认为没有处理好理论和实验的关系(既不能割裂又不能混淆),认为运动没有绝对性而只有相对性是不当的。

例如,假设一个正电荷相对于实验室在运动,此时这个运动的正电荷与其所在的实验室中的环境介质间发生着实质性的物理联系(如电力线、磁力线间的联系)并引发相应的变化,这个实质性的物理过程因为该正电荷的运动在发生着,这就是运动的绝对性;我们或许不应该设想从随着该正电荷一起运动的“数学的”坐标系来观察,并说此时该正电荷又是静止的……

(3)上述结论与相对论有着密切的联系,而相对论又非常“令人不放心”。目前在我国科学界的高层,不乏对相对论的非议者;认为相对论是荒谬的理论,这在一定的范围内已成为“共识”。

    (4)上述结论是完全对称性的,即运动点电荷的电场、磁场

分布是几何对称的;并未论及点电荷在不对称的空间环境(如:存在至上而下静电场的地球空间)中运动时的情况。

    (5)值得注意的是,《电磁学》在给出上述结论时,同时给出了磁力线(场)与电力线(场)的关系式(P448),且与本文下面即将给出的假设在数学形式上(磁场“等于”运动的电场再乘以一个系数,这与电场、磁场的量纲关系在逻辑上是一致的)相吻合;遗憾的是,没有再进行深入和系统的探讨。

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