胡昌伟 （huchangwei5@yahoo.com.cn）　2007.04

摘要：一般认为，动能与电磁无必然的联系，而本文设想：动能量子与光量子一样具有电磁性，它们的排列受外界电、磁场的影响。运用这一假设，对洛伦兹力、单极效应、威尔逊-威尔逊实验等进行了简洁的说明，并对雷电的起电机制和天体基本磁场的成因作了探讨。

关键词：动能量子、电磁性、矢量关系

一般认为，物体的动能与电磁性没有必然的联系。然而，情况未必如此。

1、动能量子假设

光子的能量，既是纯粹的动能，也是纯粹的电磁能，它的能流密度矢量与电场强度、磁场强度之间存在着矢量关系： （1）

大家知道，光子的波粒二象性关系适用于一般的实物。那么，其矢量关系（1）是否也适用于一般的实物呢？这个问题很值得深究。拿导线切割磁力线产生感应电动势来说，导线的运动方向、磁场方向和感应电动势的方向，这三个方向(不包括数值)之间的关系，符合（1）式。其他有关动能和电磁相关的现象，也存在着类似的情况。对此，本文提出如下的假设。

动能量子假设：光子的矢量关系（1）适用于一般实物的动能量子，即每一个动能量子都满足关系式，且的方向一致，它们的矢量和为该实物的动能流密度矢量，而和的分布，在与垂直的平面上各向同性，不呈现明显的电磁性；而当存在外界电、磁场时，和的分布将发生变化。这意味着，实物的动能是隐性的电磁能。

至于为什么实物的动能是隐性的电磁能，应从真空方面去探索。真空不空，这已被现代物理学所充分显示。量子场论认为，物理真空是量子场的基态，实粒子可看成是物理真空激发后的产物。在所有的实粒子中，光子激发的起点能量最小，因此，可以说：电磁激发是真空的最基本的激发。物理真空受到扰动，就会产生电磁激发，当扰动体是电（或磁）场时，就发出显性的电磁能，即电磁波；当扰动体是实物时，就形成隐性的电磁能，即一般的动能；而一般带电的物体运动时，既发出电磁波，又具有动能。

2、对有关效应的分析

运用以上假设，我们可以对一些电磁效应作出很好的解释。下面分析几个实例。

2．1、洛伦兹力

洛伦兹力的成因可以这样描述：带有电荷q的粒子，以速度运动时，形成了一定数量的动能量子，它们都满足关系式，且所有的方向一致，它们的矢量和为该粒子的动能流密度矢量；而和的方向，在与垂直的平面上各向均匀分布，矢量和都为零。当存在外界磁场时，的方向重新分布，使其和为，于是，在与和垂直的方向上出现了电场，（，且只有光子取等号），根据已知的结果，可得：

（2）

作用于电荷，于是产生了洛伦兹力。

公式（2）可看作是动能量子假设的一个宏观上的计算公式。当为光速时，由（2）可推出电磁波的关系式。

2．2、单极效应

所谓单极效应是指运动磁体的电感应现象。如图1，当一个轴对称（半径r）的磁体，以等角速度转动起来后，在与磁体滑动接触的静止导线回路AVBCDA内，就有一个稳定的电流通过。怎样解释这单极效应，历史上曾有过争论。法拉弟认为，磁体转动时，磁力线不随之运动，这样，磁体上的CD切割磁力线产生感应电动势，造成了回路中的稳定电流；韦伯的观点则相反，他认为磁体转动时，磁力线也随之运动，运动的磁力线切割静止的导线AVB，导至稳定电流的产生。对这二种不同的观点，历史上没有作出判断，并认为经典电动力学不能解释单极效应^[1]。根据动能量子假设，只要导线的方向、运动速度与磁场三者相互垂直，就会产生感应电动势，而与导线是否切割磁力线无必然联系，即磁体转动时，磁力线是否随之运动，与结果无关。因此，单极效应与法拉弟圆盘的原理是等效的，回路AVBCDA的电流取决于C、D二点间的感应电动势：。

实际上，地球本身就是一个巨大的单极效应装置：地球的磁场、自转方向和大致上垂直地面的电场三者构成了正交的矢量关系。

2．3、威尔逊-威尔逊实验

1913年，M. Wilson和H. A. Wilson进行了一个运动电磁介质的电磁感应实验。这个实验的原理如图2所示，有一无限大的平板电容器，其中充满了电、磁介质（）；整个电容器沿正X轴方向以速度v运动；有一冲击式电流计A与电容器的二平板活动接触；整个空间有均匀磁场H指向Y轴正方向；当改变H的方向时，电流计测到有电流出现。

一般认为，该实验结果要用麦克斯韦-闵柯夫斯基电动力学来分析。其实，这一实验用动能量子假设来说明十分简单。因为，整个电容器沿正X轴方向以速度v运动，而整个空间有均匀磁场H指向Y轴正方向，因此，在电容器内的Z轴方向必有感应电场产生。根据（2），。于是，，这个电位移使电容器充电。当改变H的方向时，充电的方向也将反向，这样，图2中的电路CAD中将出现冲击电流，其大小将正比于因子。这个因子比用麦克斯韦-闵柯夫斯基电动力学方法得到的因子更接近实验结果^[2]。

3、讨论

对电磁现象，人类已了解得相当透彻，但也存在着一些比较难理解或尚未搞清楚的现象，如雷电的起电机制，天体磁场的成因等等。动能量子假设为解答这类问题提供了新的思路。

3．1、雷电的起电机制

关于雷电的起电机制，以往人们一般用下落的降水粒子来分离电荷，或大气的对流输送来自云外的电荷等假设，来进行解释，但都不尽人意^[3]。运用本文的假设，可将雷电的巨大电能看成是：剧烈运动的大气的部分动能，转化成了显性电能。使大气动能的电磁性由隐转显的运动方式究竟如何？云层的存在有什么具体的作用？地球的磁场和电场是否在其中起了重要的作用？等等，这些问题有待进一步的研究。我的一个看法是：这可能与“动电效应”（流体通过多孔塞，在多孔塞的前后会产生一定的电压差）有关——雷电的起电机制是一个庞大、复杂的动电效应系统，云层好比是运动的、可变的、无数层叠加的多孔塞，而且，云层的存在也为放电创造了条件。

3．2、天体的基本磁场的成因

关于天体的磁场的成因，目前，正统的观点把它归因于自转天体内部的自激发电流。但是，这种假设性的电流自激发机制，需要满足一定的条件，带有相当复杂性，这同天体磁场的普遍性有矛盾。

从地球本身是一个巨大的单极效应装置这个角度来看，地球的自转和赤道平面上垂直地面的电场的存在，能够激发出南北向的磁场来。不过，这里存在着地球的磁场和电场那个先出现的问题。实际上，地球的磁场、自转和电场三者是难分孰先孰后的。那么，是否可以只从地球的运动形式方面来考虑呢？为此，我们将比较熟悉的六大行星的有关物理量作了一些分析、比较（见下表）。

六大行星有关物理量之间的联系表（有关数据取自[4]）

从表中可知：。这显示天体的磁矩与轨道动能的平方成正比；与自旋周期的平方成反比，即（是常系数） （3）

行星磁矩是受多种因素影响的，如太阳风、自旋矢量与轨道速度或磁矩的交角，剩磁体的分布，及可能产生的自激发电流等等。磁极的倒转，就可能同地球的自激发电流等有关。至于（3）式是否反映了由自身运动方式造成的天体的基本磁场，需要进一步设计实验加以检验和修正。

参考文献
  [1]、张元仲，狭义相对论实验基础，北京，科学出版社，1979，P99-101。
  [2]、张元仲，狭义相对论实验基础，北京，科学出版社，1979，P103-105。
  [3]、R. H. Golde，雷电，北京，电力工业出版社，1982，P34-39。
  [4]、萨根，新太阳系，张钰哲译，上海，上海科学技术出版社，1987，P41-48。

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