现在就我们对这一课题的看法讲几点意见。你也许会说:“所有这种关于通量和环流的概念太抽象了。由于空间每一点存在电场,所以才有这些‘定律’。但实际 发生的情况是什么?为什么你不能用(例如)有 什么东西在电荷之间起作用来加以解释呢?”唔,这与你的偏见有关。许多物理学家经常说,中间没有任何东西的那种直接作用是不可思议的。(既然某一概念已经被想象出来,他们怎么能断定它是不可思议的呢?)他们会说:“看!我们现在知道这种单独的力就是一个物体对另一个物体的直接作用。不可能存在一种无需由媒质来传递的力。”但当我们研究一个物体紧靠着另一个物体的“直接作用”时,真正发生的是什么呢?我们发现,并不是一个物体紧靠着另一个物体,而是彼此稍微有点分开,而在微小尺度内有电力起着作用。这样,我们知道将要用电力的图像来解释所谓的直接接触作用。既然肌肉的推拉力将要用电力来加以说明,那么还试图坚持认为得把电力看成像那种古老的、大家所熟悉的肌肉推拉力,那肯定是不合理的!唯一通情达理的问题是,什么才是看待电效应的最方便途径 ?有些人宁可把这些效应表达成在电荷间距的互作用,从而采用一个复杂定律。另外一些人则喜欢利用场线。他们老是画场线,而感到写出E和B则是太抽象了。然而,场线只不过是描写场的一种粗略的办法,要用场线直接给出那些正确而又定量的定律是很困难的。而且,场线概念并不含有电动力学最深刻的原理,即叠加原理。即使我们已知道了一组电荷的场线看起来是怎么回事,而另一组电荷的场线看来像什么,但当两组电荷同时存在时场线的图样究竟会怎么样,我们就毫无概念了。另一方面,从数学的观点看,叠加很容易——我们只需把两矢量相加起来。场线对于提供一个生动图像具有某种优点,可是也有一些缺点。当认为电荷处于静止状态时直接相互作用的想法固然有极大优点,但当涉及迅速运动的电荷时就具有一些重大缺点。
最好的办法是采用抽象的场概念。抽象虽然可惜,但却是必要的。尝试把电场用某种齿轮的运动、或用线、或用某种材料的张力来表示的企图所耗费的物理学家们的精力,比起仅仅获得电动力学的正确答案所必需的大概要多得多。有趣的是,关于晶体中的光的行为的正确方程已由麦卡洛于1839年得出。可是人们却对他说:“是的,但没有任何实际物质其机械性能满足那些方程,而且由于光应当是在某种东西 中的一种振动,所以我们不可能相信这个抽象的方程式。”要是人们稍微虚心一点,他们也许在早得多的时候就相信关于光的行为的正确方程了。
对于磁场的情况,我们可提出如下要点:假定你最后已能够成功地用某种线或某种通过空间运转的齿轮构成一幅关于磁场的图像;然后,你尝试说明两个以相同速率互相平行地在空间运动的电荷所发生的情况。既然它们在运动,那么它们就将起两个电流一样的作用,并会有磁场和它们联系在一起(就像图1-8中导线里的电流那样)。可是,一个跟随这两个电荷做曲线运动的观察者将会把它们看作是静止不动的,从而会说那里没有 磁场。当你随同物体一道运动时,就连“齿轮”或“线”也都消失不见了!上面我们所做的只是为了想出一个新 问题。那些齿轮怎么能消失呢?那些画场线的人们也陷入了同样的困境。不仅不能说明场线是否随着电荷一起运动,而且在某些参照系中这些场线可能完全消失。
于是,我们讲,磁性实际上是一种相对论效应。就我们刚才所考虑的两个做平行运动的电荷的情况来说,我们应期望对于它们的运动得用数量级为v2 /c2 的项来做相对论修正。这些修正应当与磁力相一致。但在我们的实验(图1-8)中,出现于两根导线间的力是怎么回事呢?那里的磁力是全部 磁力。这看来似乎不像是一种“相对论修正”。而且,倘若我们估计一下导线里电子的速度(你们可自行算出来),则我们求得它们沿导线的平均速率约为0.01cms-1 。所以v2 /c2 约等于10-25 ,这肯定是一个可以忽略的“修正”。可是不对!尽管在这一情况下,磁力仅等于两运动电荷的“正常”电力的10-25 倍,但应当记住,由于几乎完全中和——即由于导线里存在相同数目的质子和电子,“正常”电力已经完全消失了。由于中和的程度远较1/1025 来得准确,从而那个我们称之为磁力的小小相对论项就是唯一剩下来的项,所以它变成了主要的项。
正是由于电效应几乎完全抵消,才使得相对论效应(即磁现象)受到研究,而其正确方程组——准确至v2 /c2 ——才被发现,虽则当时物理学家还不懂得 发生的是什么事情。而这就是为什么当相对论被发现时,电磁学定律并不需要改变。它们——不像力学——已准确至v2 /c2 的精度了。