从超距作用到场

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从超距作用到场

　

1 引言

“你在巴黎看见由充满着稀薄的物质的涡旋构成的宇宙，而这些东西在伦敦却荡然无存，我们什么也看不到．在你周围只有引起海潮的月亮的引力．”这是法国文学家伏尔泰对曾在法国盛行的笛卡尔的近距作用理论同在英国信奉的牛顿超距作用的思想的对立的生动描绘．

1820年，奥斯特的电流磁效应实验首次揭示了电现象与磁现象之问的联系，吸引了众多科学家探索这一新的领域．于是，由来已久的超距作用与近距作用观念之争在电磁学上再次激化．

2 电磁学上超距作用理论

所谓超距作用观，就是以粒子为力心的中心力思想，这种力仅仅依赖于粒子之间的距离，总是沿着粒子之间的连线作用，而且这种作用无需时间传递，无需媒介传递．作为持超距作用观的代表，安培、韦伯、诺埃曼一直用超距作用观点概括电荷之间的作用力．

安培在假设了两个电流元之间的相互作用力沿着它们的连线后，从精心设计的四个示零实验得出著名的安培定律．此定律是一个类似于质点引力公式那样的，建立在超距作用基础上的电动力的平方反比关系式．

韦伯和诺埃曼在电磁学延生之后，顺应推广电动力学的需要，把超距作用的电动力学发展到了顶峰．1846年，韦伯建立了电力定律



即电荷q1与q2之间的电力，不仅取决于电荷间距r，还取决于相对速度

培电动力、加速电荷的法拉第电磁感应力．诺埃曼在1845年引入了矢势A



i是电流密度矢量，r是电流到所求点的距离．在此基础上，诺埃曼把感应电动势表示为



即矢势对时间变化率对回路的环积分值等于回路的感应电动势．引起矢势A变化的，有电流的变化i（t），或是线圈的运动引起r的变化．二者正好反映了电磁感应现象的两个基本条件．韦伯和诺埃曼创立以上理论的基础都是超距作用观，他们认为电力是一种沿电荷连线传递的无需时间传递的，能超越一无所有空间的作用．然而，他们的理论中已经包含电荷之间的相对速度，加速度及电流的变化等因素，这已经突破了经典力学的概念，迈出了对超距作用修正的第一步．

3 法拉第近距作用场的观点

法拉第对电磁感应现象的解释与当时占统治地位的超距作用观不同，而持彻底的近距作用即场的观念．他认为，在带电体、磁体和电流周围的空间存在着某种电或磁产生的连续介质，起着传递电力和磁力的媒介作用（这种传递需要时间），法拉第称之为“电场”和“磁场”．他提出，场是由力线组成的，许多力线组成一个力管，它们将相反的电荷和磁极联系起来．力线上任一点切线方向就是该点场强的方向，力线的疏密程度则表示不同点场强的大小．力管有纵向收缩的趋势和横向扩张的趋势．他认为，力线、力管是认识电磁现象不可缺少的组成部分，甚至比产生或汇集力线的源更具研究价值．

法拉第的力线图象并非凭空臆想，而是他以对大量静电、静磁现象以及对电介质、磁介质的实验研究为根据的．他认为跨越时空而传递介质的超距作用的解释是令人难以接受的．

4 麦克斯韦的电磁理论——场的观念取代超距作用观的决定性因素

麦克斯韦在研究电磁学初期，仅仅想通过力学现象与电磁现象的类比来建立电磁学的理论体系．但渐渐地他意识到必须建立一种媒介理论来体现法拉第的力线思想．因此，在1864～1865年间，麦克斯韦发表了著名的论文《电磁场理论》，舍弃了他原来提出的力学模型而完全转向场论观点．谈到由于电磁相互作用不仅与距离有关而且依赖于相对速度，他认为应该从带电体和磁体周围的媒介中发生的过程来考察问题，而不以超距作用为出发点．同时，他还指出，在超距作用理论中，能量只存在于带电体、电路和磁体中；而根据场的理论，能量则存在于电磁场和这些物体中．这样，能量就被定域于整个电磁场空间，从而深刻揭示了电磁场的物质实在性．

麦克斯韦早就敏锐地指出，诺埃曼给产生磁作用的电流定义的位置函数——矢势A，就是法拉第所指“电紧张状态”的数学形式——“电紧张函数”．只是诺埃曼理论缺少场或介质的观念，是超距作用的产物，因而他的矢势只能由闭合电流产生，不能应用于有电容的回路．这进一步证明了在电磁学中，法拉第的场论比各种超距作用理论更具优势：虽然两种观念在静电情况下是等价的，计算结果也相同；但在运动电荷情况下，只有通过场来传递相互作用的观点是正确的．

并且，麦克斯韦将法拉第的思想以准确、清晰的数学形式表达出来，使法拉第对电磁现象的解释变得简单易懂，促进了人们对场的观念的认识、接受，从而加快了场论取代超距作用观的步伐．

5 结束语

近距作用场的观念取代超距作用观，使我们认识到一种新型的物理实在——场，也揭示了场的电磁理论和实物的牛顿力学的深刻对立．对立的激化使我们对物质世界的了解不断深入，从而推动科学向前发展．