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试论场的电动力学
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试论场的电动力学
殳节
1864年麦克斯韦尔（James Clerk Maxwell）集前人之大成，创立了闻名于世的麦克斯韦尔方程组，从而奠定了电磁学的基础，为人类社会的电磁学应用开拓了道路。此方程在1888年赫兹（Heinrich Rudoly Hertz）发现电磁波后而被确认，时至今日麦克斯韦尔方程已被确认是正确无疑的。
但麦克斯韦尔方程是缺乏对称性的。这在麦克斯韦尔自已建立经典电磁理论时已发现了，但限于当时的历史科学发展水平，他自已也只好留下了这一缺憾。而随后的爱因斯坦（Albet Einstein）在“论动体的电动力学”[1]中，从这不对称性出发，经过分析，最终创立了狭义相对论，从而解决了麦克斯韦尔方程在时空（坐标）变换下的不变性（对称性）问题，并完全否定了有机械性质的以太存在。
其实麦克斯韦尔方程的不对称性表现为两个方面。第一为由运动的相对性引起的问题，这正如爱因斯坦在论文中所阐述的，“究竟是这个在运动，还是那个在运动，却是截然不同的两回事。”[1]从而最终以狭义相对论解决了不存在决对静止坐标系（特殊优越的参考系），使麦克斯韦尔方程具有了时空变换的协变性，开创了物理学的新天地。第二为麦克斯韦尔方程本身的电、磁场不对称性，这是十分明显的，也在运动的相对性中显示的更清楚，但这一问题至今并末获得解决。
场作为运动物质已被公认。由此作为运动物质的客观存在，是不会随所选坐标的变化而出现有无的变化的。即实际上并不存在一个特殊优越的参考系，每个参考系均是等价的，这是相对论的基础。而由于麦克斯韦尔方程的不对称性，场却会出现在不同的坐标系中有不同的表现。如图一所示，若有一个电荷Q，其在S系中是静止的，而在S'系中是以速度V运动。 这时在S系中的观测者认为Q只存在静电场。但在S'系中的观测者则测量到不仅有静电场，还存在有由于电荷运动产生的磁场。这两个观测者那一个测量的结果是正确的呢？按照相对性原理,S系与S'系是完全等价的，并不存在那一个更优越。但实际上就存在着在不同的坐标系中，电、磁场究竟是否是客观存在这一问题，即客观存在的物质运动是否会因坐标系的变换而产生有无的变化问题。
这样，爱因斯坦解决了麦克斯韦尔方程的第一个不对称问题，从而创立了相对论的理论体系，但并末对第二个不对称问题给予回答。也就是他否定了刚体的以太，同时也略去了场物质的运动形式，因为当时还没有充分认识到这点。
这里要讨论的问题是场的电磁理论，即要解决在场物质情况下的电磁理论问题。也就是说现在所谓的电荷粒子实际上是电磁粒子，即在相对静止的情况下电磁荷不仅形成了静电场，同时形成的磁场也是客观存在着的，只不过没有被人注意而巳。
那么电、磁场是否是物质运动的客观存在？其会随坐标系的选择而改变有无吗？自然界中的电场、磁场是对称的吗？
一 现代电磁学方程
从麦克斯韦尔建立电磁学方程至今，电磁学方程的形式为：
式中：
其中ρ、ε、μ、σ分别为电荷量、介电常数、导磁率、电导率。而在电磁场中电荷所受到的作用力为：
这些则构成了现代经典电动力学的基础。
在真空中，即在ρ=0 的情况下，麦克其韦尔方程为：
可以看出，这时（在真空中）电、磁场完全是对称的，其在任何坐标系中的形式都是相同的。这时可以得到：
这就是电磁波方程。由于赫兹在实验中证实了电磁波的存在，从而麦克斯韦尔方程的正确性也就被人确认，使麦克斯韦尔方程成为电磁学的基础。
从上面的讨论可以看出，电场与磁场可以是分立的，并不排除其各自独立存在的可能性，即电磁波可以是独立的电波或独立的磁波，并不存在其之间的必然联系。这就是问题的所在。
用现代的观点，电、磁场分立是不能令人满意的。因为现在已知的事实是，电与磁是密不可分的，其相辅相成。而作为波，其是电磁波，并不存在什么单独的电波或单独的磁波，是电磁波在传播。也正是由于电与磁的相辅相成，电磁波才得以传播。
试想一个电荷在时空中突然产生（电子对的产生就是如此），且在坐标系中是相对静止的，这个电荷的电场建立过程是：电场突然建立，这是个从无到有的过程，必将感应出相应的磁场，而由于电场的建立是以光速向外扩展的，十分之快，但不管其如何快，都必将有一个时间过程，尽管这个过程十分短暂，都必定有被感应出的磁场。也就是说，一个电荷的电场建立过程，实际上也是电磁场的建立过程，只不过这个电磁场建立之后，人们一直认识到的只是称之为电场的场而已，而没有注意到磁场，其实是电磁场。
二 场的电磁学方程
从上面的分析可以知道，电场与磁场是相辅相成的统一体，不存在单独的电场，也并不存在单独的磁场，而是统一的电磁场。这就是关键所在。
电场与磁场在空间中的分布并不相同，其二者是正交的。正是由于电、磁场的正交性，在一个坐标系中是不能看到与之正交坐标系中运动物质的存在的，因为所见的只能是正交坐标系中的一切在这个坐标系中的投影，这样只好将这种在与之正交坐标系中运动的物质描述看作虚的了。由此也就可用数学中的复数来进行描述，且其运算规则也可完全与复数的运算相同。
由此场的电磁学方程可写成：
其中下标q与g表示电与磁。这时在真空中同样可以得到：
这时可以明显的看出所形成的波是电磁波（如图二所示），并不是什么单独的电波或磁波，而是电场与磁场相互正交的电磁波。从而使电磁波成为一个相辅相成的统一体了。 
但这时对“静电场”又作何解释呢？其实这完全是由运动的相对性引出来的。对于所谓的静电场，同时必然也存在一个静磁场，但由于这时电磁场完全是球对称的，这时只看到了一个球对称的场，而磁场是在与之正交的坐标系中，在这个坐标系中是不可能被观测到的。但当在另一坐标系以速度v运动时，由于时空的收缩，在运动的方向上使完全球对称的场变成了一个椭球，这时被掩盖了的磁场在这个坐标系中的投影就显现了出来，且速度v越大，球椭的越厉害，即这种时空收缩越甚，显现出来的磁场也就越甚。即并不是由于坐标变换而产生了场的有无的变化。
三 场是物质运动的客观存在
爱因斯坦在“论动体的电动力学”（狭义相对论）论文一开始，就郑重提出“光在空虚空间里总是以一确定的速度v传播着，这速度同发射体的运动状态无关。”[2]这里应特别强调“空虚”空间，这点也是往往被后人忽略了的。显然这里是抛弃了机械的以太，但更深层的意思又是继承了相互作用不是舜时完成的，不是超距作用。因为以太的引入就是为了拒决超距相互作用的。爱因斯坦这里是借用光来完成相互联系的。
其实现代物理学已经表明，光是电磁场的波动，即其为电磁场物质的一种运动形态。同时按现代的时空观，时空是运动物质的存在形式，没有运动物质就不存在其存在形式的时空，当然没有时空也就不可能有物质运动存在。由此事实上“空虚空间”是不可能存在的，只要这个空虚空间存在，其中就一定有物质运动存在，这种运动物质当然不是实物质，而只能是场。即现在理解这空虚空间只能是没有实运动物质但却存在电磁场物质的空间。
由此也就表明，在宇宙的任何地方，都有运动物质存在，没有运动物质也就不存在什么宇宙了。在太空中确实存在有很多很少实物质的地方，但光却可以在太空传播。也就是说一般现在所谓的真空，其实是极少实物粒子的空间，但场物质却仍然存在着，由此光才能在其中传播。
在运动物质存在的时空中，其实实物粒子只是时空中的一个奇点，而大部分是被场物质所占据着。在真空中是如此，在通常的物质存在形式中也是如此。现在已确知了一些原子分子的空间限度，粗略估计，在1立方厘米的水中，水分子所占的体积只为10-11～10-12立方厘米量级，即水介质的空间其实几乎完全被场物质占据，而水分子只是散据于场物质中的一些小点而已。可见在时空中，场物质是时空的大部分占有者，而实物粒子在时空限度上是很小的。这也正是把实物粒子作为点处理可得到物理规律的使然。
场物质与以往的以太绝然不同。过去的以太是刚体性的，即过去的以太具有实物粒子的特性，由此才引出了迈克尔逊—莫雷实验。而场是完全与实物粒子不同的运动物质形式，并不具有实物粒子的性质，而是一切性质恰恰与实物粒子相左的运动物质形态。正是由于场物质运动形式的存在，才使宇宙成之为宇宙，才使坐标系可以成为空虚空间。否则，没有运动物质也就不可能有什么时空了。
这样，将电磁场统一起来，也就解决了麦克斯韦方程的又一个对称问题。
参考文献
[1] A.爱因斯坦，“爱因斯坦文集”，商务印书馆，1977年第二卷，83页。
[2].A.爱因斯坦，“爱因斯坦文集”，商务印书馆，1977年第二卷，84页。
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