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電生磁,磁生電,就讓場論來說明吧!——《物理學的演進》

商周出版_96
・2021/04/18 ・2811字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 作者|Albert Einstein, Leopold Infeld
  • 譯者|王文生

電場的變化,伴隨磁場的產生。」如果我們把「電場」和「磁場」的位置交換,剛剛的句子變成:「磁場的變化,伴隨電場的產生。」只有實驗才能確定這個敘述是否屬實。不過,這個問題是透過場的語言組織而成。

100 多年前,法拉第做了一個實驗,結果是感應電流的偉大發現。演示的過程很簡單。我們只要準備一根螺旋管,一根棒狀磁鐵,還有一個檢測電流存在的儀器,這種儀器有很多種。開始時,讓螺旋管形成一個封閉電路,再把棒狀磁鐵放在靠近螺旋管的地方,保持靜止(下圖)。導線上沒有電流,因為沒有源頭產生電流。現在只有棒狀磁鐵的磁場,不隨時間改變。現在,我們很快改變磁鐵的位置,隨喜好讓它靠近或遠離螺旋管。在這個時間點,會產生一個電流,持續時間非常短,隨即消失。當磁鐵的位置改變,電流就會出現,而且可以被足夠敏感的儀器偵測到。但是一個電流—從場論的角度看來—代表一個電場存在,迫使電流體在導線上移動。電流及電場,在磁鐵再次靜止時會消失。

螺旋管形成一個封閉電路,再把棒狀磁鐵放在靠近螺旋管的地方,保持靜止。圖/《物理學的演進

想像一下,如果場的語言還是未知,我們必須用機械論的舊有觀念,也即定性和定量地描述這個實驗結果。那麼,我們的實驗結果顯示:因為磁極的運動,創造出一個新的力,使電流體在導線上移動。下個問題是:這個力和什麼有關?這會是很難回答的問題。我們得研究力與磁鐵速度的關係,以及力與磁鐵形狀、電路形狀的關係。不僅如此,如果用舊有語言詮釋這個實驗,我們完全沒有線索能推測,如果不是棒狀磁鐵,另一個通電的電路是否能引起感應電流。

法拉第鐵圈實驗室意圖:左邊線圈通磁量的改變,會在右邊線圈感應出電流。圖/Wikipedia

如果用場的語言,事情會變得很不一樣。我們再次相信我們的原理,也就是場可以決定作用。我們見過一次,通電的螺旋管的作用與棒狀磁鐵類似。下圖畫出兩根螺旋管,一根較小,並帶有電流;另一根較大,我們偵測到它帶有感應電流。就像我們之前移動棒狀磁鐵,我們可以移動小螺旋管,在大螺旋管上製造一個感應電流。不僅如此,即使不移動小螺旋管,我們也能透過創造和消滅電流的方式,也就是接通或斷開電路,藉此創造或消滅磁場。場論預期的新現象,再次被實驗證實!

畫出兩根螺旋管,一根較小,並帶有電流;另一根較大,我們偵測到它帶有感應電流。圖/《物理學的演進

我們看一個更簡單的例子。有一條封閉的導線,上面沒有任何電流的源頭。導線的附近有一個磁場。這個磁場來自另一個通電的電路,或是某個棒狀磁鐵,對我們來說並不重要。我們的下圖,畫有封閉電路和磁場的力線。透過場的語言,感應現象的定性與定量描述會非常簡單。如同圖中所繪,有些力線穿過了導線圍繞範圍內的平面,我們必須考慮穿過該平面的力線。不論場的強度有多大,只要場沒有變化,就不會有電流。但是,只要穿越導線圍繞範圍內的平面的力線數量有所變化,環狀的導線上就開始有電流通過。電流由穿越平面的力線的數量變化所決定,不論數量變化的原因為何。力線數量的變化,是感應電流的定性與定量描述中唯一的必要觀念。「力線數量的變化」,代表力線密度的改變,我們也記得,力線密度的變化,其實就是場的強度變化。

畫有封閉電路和磁場的力線。透過場的語言,感應現象的定性與定量描述會非常簡單。圖/《物理學的演進

接下來,是我們的論證鏈中必要的論點:磁場變化→感應電流→電荷移動→某個電場存在。

因此:一個變化中的磁場,伴隨著一個電場。

於是,我們發現兩個電場和磁場理論中最重要的兩根支柱。第一,是電場的變化和磁場的連結。這是從厄斯特針對磁針偏轉的實驗產生的結果,實驗的結論是:一個變化中的電場,伴隨著一個磁場。

第二根支柱連結了變化中的磁場與感應電流,是法拉第的實驗得出的結果。兩根支柱,都成為量化描述的基礎。

又一次,伴隨變化的磁場產生的電場,似乎是某種真實的東西。我們必須想像,先前電流的磁場存在於沒有測試磁極的狀況。同樣的,我們必須宣稱,在測試導線上的感應電流不存在的狀況下,電場依然存在。

事實上,我們的雙支柱架構可以簡化成只有一根支柱,也就是從厄斯特的實驗得到的結果。法拉第的實驗結果,可以從第一根支柱,加上能量守恆定律推導出來。我們之所以使用兩根支柱的架構,只是為了清楚和有效率地表達。

應該再提一下場的描述產生的另一個結果。有一個通有電流的電路,電流來自伏特電池,舉例來說,導線和電流的來源突然被分開。現在當然就沒有電流了!但是,在為時短暫的分離之中,發生了一個有趣的過程。場論再次預期到這個過程的發生。在電流斷開前,有一個環繞導線的磁場。在電流斷開的瞬間,這個磁場也消失了。因此,有一個磁場經由斷開電流而消失。穿過導線圍繞的平面的力線數量,發生了快速的變化。但是這個快速變化,不論產生的原因為何,必須創造一個感應電流。實際上更重要的是,如果磁場的變化越大,感應電流也將隨之增強。這個結果是測試場論的另一個機會。斷開電流時,必定伴隨另一個更強、暫時產生的感應電流。實驗又一次證實了這個預測。每一個嘗試斷開電流的人,一定有注意到產生的火花。這個火花展現的是快速的磁場變化所造成的巨大電位差。

同樣的過程可以用另一個角度檢視,能量的角度。磁場消失,一個火花產生。火花代表能量,因此磁場也必須如此。為了在使用場的觀念和語言時,保持物理定律的一致性,我們必須把磁場視為能量的保存地點。只有這個辦法,我們才能在描述電與磁的現象時遵守能量守恆定律。

剛開始,場只是有用的模型,後來變得越來越真實。我們透過場了解了舊現象,它也帶我們發現新的。更進一步,是能量和場的整合,場的觀念又一次被強調;同時,對機械觀來說,至關重要的物質的觀念之重要性,日漸下降。

——本文摘自《物理學的演進》,2021年2月,商周出版。

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陰謀論大徵集!你聽過哪些陰謀論?【科科齊打交】

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・2021/05/03 ・605字 ・閱讀時間約 1 分鐘

S編按:【科科齊打交】是我們希望與大家一起進行的對話形式,期待在討論的過程中,我們能離知識更近一些。

在製作《Pan-pan-Panspiracy 一切都是泛科學的陰謀》專題時,我們蒐集到了不少陰謀論,But!這還不夠!我們想要更多!親愛的科夥伴們,快來貢獻你們聽過的陰謀論吧!

所以說,什麼是陰謀論?

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你還能說出哪些陰謀論?有沒有什麼秘辛,是我們沒聽過的呢?

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