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[水煮物理]:鸡生蛋,蛋生鸡,生生不息
澳门新萄京官方网站:2010-09-19文章来源:

作者:罗会仟  新萄京科学院物理研究所 

  世界上是先有鸡还是先有蛋?这个常年看似有点悖论的生物学问题一直困扰着人们。过去大部分科学家都认为先有蛋后有鸡,因为恐龙是先造了个类似鸟窝的窝,再生了个类似鸟蛋的蛋,于是才有了鸡的祖先——鸟类。可最近英国科学家通过鉴定一种蛋壳里特有的蛋白质认定:必须是先有鸡才有的蛋,因为这种蛋白质只能在鸡的卵巢里产生。这么一来,究竟是蛋生了鸡,还是鸡生了蛋,成了一个生生不息的话题……

   有趣的是,在物理学里同样存在类似的话题——究竟是电生出了磁,还是磁生出了电?

电生磁与磁生电(From http://psat.yangtzeu.edu.cn/

   前文“[水煮物理] 之二:物理的第一次”已经说到物理的第一次给了电磁学:古希腊人发现了摩擦生电和磁石吸铁现象。而实际上,关于电磁学的实验和理论研究主要发生在19世纪,电磁学的研究让人类从蒸汽机时代跨入到了电气化时代,并且直到今天,电和磁还是生产和生活中最不可缺少的元素。有关经典电磁学这段历史,我们简要回顾如下(详见《物理学年谱》):人们首先认识到导电体和绝缘体的差别(英国格雷,1731年),然后明确两种同性相斥异性相吸的电荷(法国杜菲,1734年),而暴雨中的雷电也是类似物质(美国富兰克林,1752年),这种电也能引起生物的肌肉收缩(意大利伽伐尼,1780年)[见[水煮物理](17):电母的彩妆]。磁力的相互作用满足的是平方反比定律(英国米歇尔,1750年),而静电荷之间的相互作用,也同样满足平方反比定律(法国库仑,1785年),电流可使磁针发生偏转,磁铁也能使电流偏转,这意味着电和磁之间存在密切的关系(丹麦奥斯特,1819年)。进一步的实验表明,用电流通过绕线的方法可以使其中铁块磁化(法国阿拉戈、盖?吕萨克,1822年);而方向相同的两平行电流之间存在相吸或反之相斥的相互作用。并可以用分子电流解释物体的磁性(法国安培,1822年);从实验结果可归纳出直线电流元的磁力定律(法国毕奥?萨伐尔,1822年),即电可以 产生磁。随后实验发现导线中电流和电势差之间的正比关系,并证明导线电阻正比于其长度,反比于其截面积(德国欧姆,1826年)。而磁通过电磁感应现象也同样能产生电(英国法拉第、美国亨利,1831年),感应电流方向和切割磁力线方向相关(德国楞次,1833年),电流实际上就是运动着的电荷所组成,运动电荷之间的相互作用力跟其运动速度和加速度也存在关系 (德国韦伯,1846年),并且电荷总数是守恒的(英国法拉第,1843年)。不仅仅是磁能产生电,温差效应也能产生电(俄国塞贝克,1821年),逆效应就是电流产生温差,这个效应甚至能让水结冰(法国珀耳悌、德国楞次,1834年),而电流其实也可以产生热效应(英国焦耳,1843年)。通过一系列电、磁、热的研究,发明了诸如起电盘(意大利伏特,1775年)作为电源,电流计(德国许外格,1820年)作为测量电流大小的仪器和电桥(英国惠斯通,1843年)作为精确测量电阻的仪器。最后到1856-1873年,英国的天才物理学家麦克斯韦用数学语言表达出法拉第电磁场的力线概念。 从电磁理论推断电磁波的存在,它以光速传播并断定光就是一种电磁波。1873年麦克斯韦的《电和磁》问世,完成了经典电磁理论基础。

  经典电磁学的内容在中学物理中是重点难点之一,其中一个原因就是一会儿是左手定则,一会儿又是右手定则,这让左撇子很郁闷[杨芳,铁磁学外传—(5)俺们磁电哥俩好]。实际上原则只有一个,就是麦克斯韦方程组,或者用洛伦兹力公式:F=qv X B。只要稍微懂得矢量代数,什么定则都可以忘记。遗憾的是,大部分中学数学课程都不讲授矢量代数,这使得很多人在理解有些物理量既有方向也有大小的时候很困难,尤其是电磁学里面对的几乎都是矢量,立马就崩溃了。顺便提一下,麦克斯韦方程组被评为世界上十大最美公式之首!称麦克斯韦为天才物理学家一点都不过分,因为要把当时如此繁杂的电磁学研究成果统一解释,是何等之困难,而最终的四个方程又是如此之简洁。

  其实,电磁学并不是那么地难。只要我们搞清楚究竟电是如何产生磁,磁又是如何产生电的微观机理,就一切明朗了。首先让我们重新认识一下什么是电,什么是磁。电起源于电荷,微观粒子是带有正电荷或者负电荷的,它们的分布和运动就会形成电场和电流。磁之所以能产生电,实际上就是电荷在磁场中受力而运动,形成电流;而电之所以能产生磁,是因为运动的电荷会产生磁矩,形成一定的磁场分布。这里涉及到一个很重要的概念,电场和磁场。什么是场?马克思早就说过场是一种物质,电场和磁场都是物质而不是意识,虽然它们看不见摸不着。爱因斯坦质能方程说明物质和能量其实可以相互对应。实际上,场就是特指某种能量分布,一些物体在其中会因能量梯度的不同而感受到作用力,这个作用力可以驱动物体的运动。不仅仅是电和磁可以产生场,质量本身也可以产生引力场。电磁场就是电和磁在空间的一种能量分布而已,电荷和磁矩在其中会受到作用力,这就是电生磁和磁生电的奥秘所在。

  要注意的是,虽然说电和磁两兄弟来自同一个妈而且不分家,但毕竟哥哥和弟弟还是有区别的。看看最小的电荷——电子就知道,它不仅仅只有质量、体积、一个单位电荷,还有另外一个特征——自旋。即电子本身就是带1/2个单位磁矩的,一个单位磁矩叫玻尔磁子,就是具有N极和S极的最小磁单元。自旋并不是说电子不仅绕原子核公转还有自转,实际上由于电子半径非常之小,要是自转能产生如此大的磁矩的话,其边缘的速度就必定超过光速,这是违反物理规律的。我们并不清楚为什么电子会有自旋的特征,但我们清楚地认识到,电子具有内禀磁矩——自旋磁矩。现代物理学研究表明,不仅仅是电子,类似电子的其他轻子也有1/2的自旋磁矩,而其他微观粒子也有不同的磁矩大小,有的粒子完全可以不带电荷但却有磁矩,如中子。原子核的质子和中子组成将形成核磁矩,而核外电子也将产生绕核运动的轨道总磁矩和自旋总磁矩。实际上,电子的自旋磁矩要比轨道磁矩大得多,故原子的总磁矩主要来自于不同自旋方向的电子数差异形成的总自旋磁矩。这么一来,固体的磁性就来源于材料中原子磁矩的排列方式。如果原子磁矩大小相同并且方向相同,那么材料整体将体现铁磁性,它可以发生自发磁化并形成稳定态,如电流磁场把铁磁化成磁铁。如果原子磁矩大小相同,但是相邻的磁矩方向相反,那么材料整体将体现反铁磁性。如果原子磁矩的排列是杂乱无章的,那么材料整体就是顺磁性。原子磁矩在材料内部一定范围内形成微区的不同分布,可以形成所谓的磁畴,即每个畴区总磁矩方向都不一样。这么看来,磁的起源要比电的起源要更为复杂。

  尽管人们早已经知道,电的单位载体就是电荷,但是磁的单位载体是磁荷么?这一点很令人困惑。如果你注意到前文提到磁都只说磁矩。而不说磁荷就感受到困难所在了。无论你把任何一块N-S磁铁断开,形成的两块磁铁还是分别具有N和S极,甚至到了微观粒子还只能说磁矩不能说磁荷!理论上,磁荷又叫做磁单极子,即独立具有N极或者S极的磁单元。许多理论家都预言了磁单极子的存在,但是实验物理学家费了九牛二虎之力和无数个日夜去寻找却总是无功而返,其中包括多次的太空探测实验。直到2009年,德国和法国物理学家在一种自旋冰晶体(钛酸镝和钛酸钬单晶)中,通过在低温下(0.5-2K)加强磁场使得磁单极子分离,观察到了磁单极子的存在。中子散射和Muon子散射的数据清晰地看出磁单极子是分开的。虽然发现的磁单极子只是在固体材料内部并且在某些特定的外在条件下实现,但这让科学家对探测孤立磁单极子的仍然充满了浓厚的兴趣和希望。

  物理学家已经把电相互作用力和磁相互作用力统一为电磁相互作用,并进一步和弱相互作用以及强相互作用统一为大统一理论。微观粒子之间电磁相互作用是通过交换电磁场能量量子——光子实现的,电生磁和磁生电不过是电磁相互作用的宏观体现。当然,更多的难题还在后面,人们目前仍然不知道电子的内部结构,也尚未清楚电荷本身的起源。何况磁荷还遮着面纱,更无法知晓其内部结构了。或许,这就是后辈物理学家在前人的肩膀上继续前进的理由。 





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