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  锥竟忻钢 2009-11-16 00:00:00

  电场与磁场都是电荷产生的，其大小和方向都与距离电荷的远近有关，也都与电荷的大小有关，所不同的是，磁场还与电荷的运动速度有关。另外，电磁与磁场能够互相产生对方。从三维空间的观点看，两者的Z大区别就是是否与速度有关。但从四维时空的观点看就不同了。去学习一下美妙的狭义相对论吧，它会告诉你电磁场是不可分割的一个东西的不同表现而已，没有本质区别，就像一个立方体，你从一个侧面正看过去是一个正方形，转一个角度就变成了两个矩形，再转一个角度还可能是三个菱形。这三种不同的二维图形是表观上的区别，而本质上那只是一个正方体——就一个东西，根本谈不上区别！ 简单地说，电力与磁力的统一大致是这样的：在洛仑兹变换下，一个惯性系的静电场，在另一个惯性系看来则是大小与方向都有所改变的静电场加上一个磁场——原本没有的磁场在变换中出现了！静磁场也同样可以变换出电场来。统一的四维电磁场二阶反对称张量共16个分量，但独立分量只有6个，它们就是电场和磁场各自的3个分量。这个张量的“大小”在洛仑兹变换中保持不变，变化的是它的“方向”（因此它的各个分量会改变）。（特别建议你去学习一下四维张量——0阶张量是标量，1阶张量是矢量……m维空间的n阶张量有m^n个分量……——以及张量的基本运算。表述物理的语言是数学，表述相对论的基本数学就是张量。不精通数学而想要精确细致地理解物理，那是不可能的。） 磁常被理解为是由电衍生而来的，这在一定意义上是对的，但要注意衍生是相互的，不是单向的。Z好还是站在四维时空的观点上把两者就看成一种东西，当然，对于习惯了三维事物的人来说，这很难，需要较好的想象力和较高的数学水平，而对物理的深入理解自然更是不可或缺。 产生磁场的可以是运动的电荷，也可以是变化的电场，还可以是静止的磁单极子。尽管迄今仍未发现磁单极子，但并没有理论能够完全否定其存在的可能性，相反不少理论的框架内都包含有磁单极子。一种理论认为：大爆炸之初，在各时空区域的视界边缘能够产生磁单极子，但由于暴涨期的快速膨胀使得视界很罕见，于是磁单极子也就很稀少。 磁场其实是时空特性的必然结果，也就是说，只要爱因斯坦的狭义相对论所描述的“尺缩钟慢”效应的时空是真实的（非常多的事实已证明那确实是真的），那么在电力存在的同时就必须伴随着存在磁力。 比如，0时刻在xy坐标的(0，0)和(0，1)两处飞过两个相同质量m和相同电量q的粒子，它俩的速度都是v，方向都沿着x轴的正方向。设相对论因子为r，r=(1-vv/cc)^(-1/2)。以下带撇的量都是在与两粒子相对静止的动系中测得的量，不带撇的量是相对地面静止的静系中测得的量。动系中，原点处的那个粒子在电力作用下产生的沿y轴方向的速度u'=dy'/dt'，加速度a'=du'/dt'=d(dy'/dt')/dt'。静系中看，“尺缩”只发生在x轴方向，y轴方向没有，所以，dy=dy'；而“钟慢”则与方向无关，所以，dt=rdt'；所以，u=dy/dt=dy'/rdt'=u'/r，a=……=a'/rr。总之，从纯粹的相对论时空的运动学的观点看，静系中测得的粒子的加速度a只有动系中的a'的1/rr。若取v=0.943c，则r=3，a=a'/9。 再从动力学的观点看同样的问题，假如只有电力F而没有磁力f，那么一定会得出与上段运动学的结果相矛盾的结论。首先得知道动系中的F'与静系中的F是什么关系，这可以从物体的“尺缩效应”的类比中得出定性的结果。动系中的圆球在静系中看是一个在x方向上压扁了的椭球，类似的，动系中各向同性的电力线分布在静系中看来则是在x方向上变得稀疏、在垂直于x方向的平面方向上变得密集——静系中将看到两电荷在连线方向上的电场变强，定量分析给出：F=rF'。质量会随速度而增大——m=rm'，所以，a=F/m=(rF')/(rm')=F'/m'=a'。这与上段中a=a'/rr显然矛盾！而有了磁力f后，那两个粒子间的磁力是相互吸引的，正好可以削弱电力以保证a=a'/rr。定量分析的结果是：(F-f)=(F'-f')/r，a=(F-f)/m=[(F'-f')/r]/(rm')=(F'-f')/rrm'=a'/rr。这与运动学的结论就一致了。 综上所述，完全可以说是相对论的时空观要求磁力必须伴随着电力而存在，反过来，也可以说，宏观低速的世界中普遍存在的磁力正是相对论时空观正确性的一个有力的证明！通常以为，宏观低速的世界里相对论的效应都小得可以忽略，但为什么磁力又那么普遍呢？Z根本的一个原因就是电力其实是极其巨大的，磁力作为电力的一个相对论的效应，尽管相对比值仍是十分微小，但值却不算小，以至于我们在日常生活里都可以感受得到。 若q=1C，距离R=1m，则两粒子间的电力F=9*10^9N——90亿牛顿！若v=10m/s（刘翔般的速度），则两粒子间的磁力f=10^-5N——十万分之一牛顿！若v=1km/s（般的速度），则两粒子间的磁力f=0.1N……巨大的电力之所以我们都没有体验，主要就是因为电荷有正负两种，一般物体总是很接近于电中性的状态。 作为一种时空效应，任何其他力也都有类似的“磁力”，但就像磁力往往比电力弱得多一样，本来就很微弱的万有引力（它比电力要弱大约10^40倍！）所对应的“磁力”就更是微乎其微了。不过在极端条件下，比如高速旋转的黑洞附近，你就能感受到类似“磁力”的那种与一般的万有引力不同的力！不论黑洞转动与否，只要质量相同，距离相同，一般所说的万有引力就也会相同，并且力的方向总是通过黑洞的ZX。但是广义相对论指出，在旋转的黑洞附近，除了有上述的向心的普通引力以外，还另有一种力是垂直于上述向心引力的，常称之为“旋转黑洞附近的时空被拖曳着一道旋转”，这个力就类似于“磁力”——它不是把你往黑洞的ZX拉，而是要拉着你与黑洞一起旋转，尽管你与黑洞之间并没有像你与地球表面存在着的那种摩擦力（这种摩擦力使原本与地面有相对运动的物体Z终要相对地面静止）。前两年美国发射升空的那个要验证广义相对论的卫星测量的就是地球的引力的“磁力”部分。

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  丶若丶水丶三千 2009-11-16 00:00:00

  当法拉第发现变化的电场会产生磁场，变化的磁场会产生电场的时候，电磁的对称性就显得如此明显。电磁力本质上都是电荷的“电”属性产生的作用力，麦克斯韦的电磁的四个基本方程完备的解释了电磁的相互左右。 你可以去看麦克斯韦的电磁方程

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  _狂丨人_ 2009-11-16 00:00:00

  看看大学物理

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