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胡昌伟专栏 >> 动 能 的 电 磁 量 子 假 设 及 其 应 用

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,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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