A、动能的电磁量子假设及其应用

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。其他有关动能的电磁感应，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；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。引力场以太观指出：电磁激发是真空的最基本的激发。因此，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、有关效应分析

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，其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：地球的磁尝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，地球的磁尝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]）

物理量	水星	金星	地球	火星	木星	土星
轨道运动平均速度	1.6076	1.176	1	0.81	0.4384	0.3236
质量	0.0558	0.8150	1	0.1074	317.893	95.147
自旋周期	58.81	243.675	1	1.03	0.41	0.43
磁矩	上限510	上限510	1	0.004	19000	550
	610	210	1	0.0047	22206.31	536.89

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。

Zhang Yuan Zhong, The Experimental Fundament Of Special Theory Of Relativity, Beijing, The Publishing House Of Science, 1979, P99-101 (in Chinese).

[2]、张元仲，狭义相对论实验基础，北京，科学出版社，1979，P103-105。

Zhang Yuan Zhong, The Experimental Fundament Of Special Theory Of Relativity, Beijing, The Publishing House Of Science, 1979, P103-105 (in Chinese).

[3]、R. H. Golde，雷电，北京，电力工业出版社，1982，P34-39。

R. H. Golde, LIGHTNING Volume 1 Physics Of Lightning, Beijing, The Electric Power Industry Press 1982 P34-39, (in Chinese).

[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。

C. Sagan and others, The New Solar System, Shanghai, The Publishing House Of Science and Technology, 1987, P41-48, (in Chinese).