電生磁，磁生電，就讓場論來說明吧！——《物理學的演進》

• 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。

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。

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！

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。

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。