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第十一节 麦克斯韦的分子涡旋理论
从历史上看，“以太旋涡”的思想早已有了。1856年，汤姆孙从研究光的偏振面在磁场中的旋转效应得出磁具有旋转的特征。认为可以把磁致旋光效应归结为以太振动和分子旋转运动之间的耦合，这给麦克斯韦以很大的启发，使他认识到磁是一种旋转的效应。他写道：“对于由电流引起的电离质在一定方向上的传送和由磁力引起的偏振光在—定方向上的转动这一事实的思考，导致我把磁认为是一种旋转现象。” 麦克斯韦从未完全放弃以太的涡旋。他在《电和磁》一文中写道：“磁力是涡旋的离心力的作用”。 1862年，麦克斯韦发表了《论物理力线》这篇重要论文。 麦克斯韦用模型来建立假说。他借用兰金（W.J. M.Rankine）的“分子涡流”假设，提出自己的模型。他假设在磁场作用下的介质中，有规则地排列着许多分子涡旋，绕磁力线旋转，旋转角速度与磁场强度成正比，涡旋物质的密度正比于介质的磁导率。从这里可以看出，麦克斯韦实际上已经把磁和涡旋运动等同起来。 在磁现象的分子涡旋理论中，麦克斯韦通过他所提出的分子涡旋假设讨论了磁场作用在磁极上，作用在磁感应物质上以及作用在电流上的力。 麦克斯韦把磁旋转这一概念与法拉第的力线思想相联系。按照法拉第的力线思想，力管倾向于纵向收缩和横向膨胀。他想，如果假设每个力管所包含的流体是处在绕它的管轴的转动中，这样一种倾向就可以归因于离心力。于是他设想了一个“分子涡旋”模型，假设涡旋绕磁力线旋转，即从S极到N极沿磁力线看去，涡旋在顺时针方向旋转，由于旋转引起的离心力使每个涡旋在横向扩张，纵向收缩，因而磁力线在纵向表现为张力，就象绳上的拉力一样。横向表现为压力。 麦克斯韦假设在磁场中任何一部分的所有涡旋是围绕几乎平行的轴在相同的方向上以相同的角速度转动。磁的影响是作为介质中的压力或张力形式而存在。这种压强不同于通常流体的压强，在介质中每一点在不同方向上的压强是不同的，在垂直于轴线方向上的压强是相等的，且具有最大值；最小的压强在平行于轴线的方向上。 但是在进一步解释变化电场或变化磁场之间的关系时又遇到了困难。分子涡旋在旋转中相邻的边界沿相反的方向运动，这怎么可能呢？麦克斯韦从一种惰轮机构中想出了解决方案。他假设在涡旋之间有一层细微的粒子，将各涡旋隔开。粒子非常小，可在原地滚动，电流就相当于粒子的移动。为此，麦克斯韦专门绘制了一幅分子涡旋模型图。用六角形代表分子涡旋，小圆圈代表粒子。当电流流过时，上面一排涡旋按逆时针方向旋转，通过中间粒子的啮合作用，逐一地传到上面各层涡旋，使它们都按逆时针方向旋转。下面各层的涡旋则按顺时针方向旋转。当电流发生变化，例如电流突然停止时，紧挨电流这一排的涡旋旋转受到障碍，这时没有受到障碍的涡旋仍维持原来的运转速度，则这两排涡旋之间的粒子层就会向右运动，也就是产生向右的感应电流。这样就很好地解释了电磁感应。 就在讨论“应用于静电的分子涡旋理论”这个问题时，麦克斯韦抓住了要害。他假设分子涡旋具有弹性。当分子涡旋之间的粒子受电力作用产生位移时，给涡旋以切向力，使涡旋发生形变，反过来涡旋又给粒子以弹性力。当激发粒子的力撤去后，涡旋恢复原来的形状，粒子也返回原位。这样，带电体之间的力就归结为弹性形变在介质中储存的位能，而磁力则归结为储存的转动能。从这里以可以进一步看出，麦克斯韦把磁和涡旋运动当作一体。 1865年麦克斯韦发表了关于电磁场理论的第三篇论文：《电磁场的动力学理论》全面地论述了电磁场理论。这时他已放弃分子涡旋的假设，然而他并没有放弃近距作用，而是把近距作用理论引向深入。 在这篇论文的引言中，他再次强调超距作用理论的困难，坚持假设电磁作用是由物体周围介质引起的。他明确地说： “我提出的理论可以称为电磁场理论，因为它必须涉及电体和磁体附近的空间，它也可以称为动力理论，因为它假设在这一空间存在着运动的物质，观测到的电磁现象正是这一运动物质引起的。”（ 这一空间存在着运动的物质我们完全可以理解成是以太的涡旋。） 接着，麦克斯韦全面阐述了电磁场的含意，他指出：“电磁场是包含和围绕着处于电或磁状态的物体的那部分空间，它可能充有任何一种物质”，“介质可以接收和贮存两类能量，即由于各部分运动的‘实际能’（按：即动能）和介质因弹性从位移恢复时要作功的‘位能’。” 在这篇论文中，麦克斯韦提出了电磁场的普遍方程组，共20个方程，包括20个变量。 实际相当于8个方程，其中6个是矢量方程。直到1890年，赫兹才给出简化的对称形式，整个方程组只包括四个矢量方程，称为麦克斯韦方程组。 四个麦克斯韦方程组中有两个关电的方程，另外两个是关于磁的方程。在两个关于磁的方程中，一个方程说，磁感应强度B的散度为0，另一个方程说，磁场强度H的旋度不为0，它为传导电流密度和位移电流密度之和。也就是说，磁场需要电流来维持。磁感应强度实质上也就是磁场强度，只是因为历史的原因才有不同的说法而已。把两个磁的方程合起来就等到于说：磁是以太的涡旋，这才是磁的真正的物理本质。 从麦克斯韦电磁场理论的建立过程中，他的分子涡旋磁理论起了至关重要的作用。尽管分子涡旋结构过于复杂，麦克斯韦最终也抛弃了它，但磁是一种涡旋的本质是客观存在的，以后我们会讲到，只要把磁归结为以太的涡旋就能极大地简化麦克斯韦分子涡理论，深刻揭示磁、电和光的物理本质，把电磁学和牛顿力学有机地统一起来。 |
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