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第六章 电磁学问题我们完全可以综合有关实验事实并在前述的时空框架内解决。 （一）电量也总是一个守恒量 电荷虽然不是一种能够独立存在的物质，必须附着在实物体上，但在任一封闭空间内，它的总量都是一个恒定值。不会因为运动而改变，在不同参照系内对它们进行测量的结果都相同。 （二）电场和磁场的产生 电磁场都是场源通过激发周围空间的基态场而生成的。我们知道：电磁波是从波源开始由近到远连续传播的，同样电磁场的产生、消失、变化和移动也都是由近到远依次进行的。它们都是以场源的各个瞬时位置为中心，并沿半径方向以光速向周围的空间无限延展的。即使是稳恒电磁场也必须依靠场源的不断激发才能维持。 电场可以由电荷直接产生，叫静电场。静止点电荷周围的电场呈辐射状，并保持球形对称；但当点电荷做绝对运动时，这种球形对称便被破坏。点电荷在电场中的位置将发生偏心，电荷周围在不同时刻发出的球形波面也不再距离相等。其中前面的场强变化梯度增大，后面的场强变化梯度减小。 匀强电场可以看成是由无限远处的点电荷所产生的电场。这样的局部电场其电场线都相互平行。不论总体怎样运动，形状都将保持不变。即 E = E。 当电场做绝对的横向移动时，那么在与电场及运动相垂直的方向上就会产生磁场。凡用这种方式所产生的磁场都叫做动生磁场。其中由匀强电场横向匀速移动时所产生的磁场也是匀强磁场，其方向关系符合左手定则：让电场线穿入手心，当四指指向运动方向时，那么拇指指示的就是磁场方向。 磁感应强度是 B = E v / cc 由电荷运动产生磁场实质上仍是由其电场运动产生的。只有整个的带电物体做绝对运动才能产生对外的磁场。 而在中性导体内，正负电荷的电场因为共存于同一空间故在宏观上可以相互抵消，它们做无规则运动所产生的磁场在宏观上也能够相互抵消。所以只有当它们做有规则的相对运动时所产生的磁场才不能相互抵消。即只有当导体内有稳定的电流时，那么其周围空间内才能具有稳定的环形磁场。 在无限长直线稳恒电流的周围，所产生的磁感应强度是 B = μ。I / 2πr 当导线做垂直方向的运动时，它周围的圆柱面形磁场线也要发生偏心现象。 磁场也可以由电场强度随时间的变化来产生，凡是通过时变电场所产生的磁场都叫做感生磁场。例如当匀强电场的强度随时间均匀变化时，在其内部和外围都能产生稳定的漩涡磁场。
磁场只能由电场来产生。因为至今还未发现磁单极子，故没有静磁场。而电场除了可以由电荷产生外还可以由磁场来产生。其中由磁感应强度随时间变化所产生的电场叫感生电场。例如当匀强磁场的强度随时间均匀变化时，在其内部和外围都能产生稳定的漩涡电场。 而由磁场在空间中横向运动所产生的电场则叫做动生电场。例如当匀强磁场做横向匀速移动时，在与磁场及运动垂直的方向上就能产生相应的匀强电场。它的方向与磁场及运动方向的关系符合右手定则：让磁场线穿入手心，当四指指向运动方向时，那么拇指所指即是电场的方向。 磁场移动相当于电荷反向移动。所以也可以用左手定则：让四指指向电荷的"移动"方向，那么拇指所指就是正电荷的受力方向，亦即新生电场的方向。 此时的电场强度是 E = Bv 在绝对静止的正交坐标系中，设匀强电磁场沿x轴以速度v运动，则各个方向的电磁场强度是 Ex = Exo Bx = Bxo Ey = Eyo + Bz v By = Byo - Ez v/cc Ez = Ezo - By v Bz = Bzo + Ey v/cc
电场和磁场是如此的相似，其关系又是这般的密切。它们不仅可以共存于同一空间，还可以通过运动或变化互相产生，且产生量分别于与对方的横移速度和时变速率成正比。它们就如同形影相随，难以分开。当电场、磁场分别在空间中移动时，各自总是要与它产生的另一种场一同前行。就像鸟在飞行时展开自己的翅膀。 电磁场的这种移动实质上仍然是波动，但却不是以光速传播的电磁波。当然电磁场由移动所产生的变化也会以光速由近到远向周围空间传播，只是其波形非常简单。所以只有当电磁场做变速的往返移动时，在周围空间才能形成连续不断的电磁波。 周期性的时变电场或磁场也能产生电磁波，而稳定的电磁场则不能产生电磁波。同理，静止的和做匀速运动的电荷也不能产生电磁波，只有当电荷做变速往返运动或电量发生周期性的增减时，才能在周围空间产生电磁波。 所以电磁波的本质就是长短不同、以光速往前移动着的、不断变化着的电磁场。且由各种方式产生的电磁波各自独立传播，互不干扰，可在同一空间内叠加。 电磁波的强度只是电磁场变化的幅度。也只有这两者的互生才是真正可逆的。不存在单独的电场波或磁场波，由于变化它总是要生出另一种场。所以电磁波是不可能分开的。其大小关系是 E = Bc 或 B = E / c 而前面所述的两个动生电磁场公式则不是反复可逆的，即次生场不可能再生新的场。 需要强调的是：电场和磁场毕竟是两种不同的物质。不可能此消彼长，互相转变成对方，故两者的界限不可混淆。爱因斯坦的"电动力学"将电磁场混为一谈实际上是一个错误，因为他否认了电磁场的客观性，将之变成了可随主观变化的不定物。 （三）电荷在电磁场中的受力 关于电磁力的产生，我们先要明确几个事实，然后再进行分析计算。 A 电荷和电荷之间是不能直接相互作用的，因为它们没有相互接触； B 电磁场之间也是没有相互作用的，因为它们可以相互叠加，互不干涉； C 当电荷在没有任何外场的空间中自由运动时，虽然自己周围的电磁场分布由于叠加不再对称，但因为场激发的对称性没有受到破坏，所以电荷也不受力的作用；只有在外场的作用下，场源对外激发的对称性受到破坏，它才能受到力的作用。 D 电荷在外电磁场的作用下受力，但同时它也通过自己的电磁场对外电荷施力，且这两个力的大小不一定再相等。但电荷与其附近电磁场的相互作用仍然是等值反向的。 E 运动电荷的受力是由当时、当地的场强决定的，另外还与其运动方向和速度大小有关。这是力所固有的速度特性，是由产生力的微观机制决定的。因为当电荷运动时，场激发的对称性也发生相应的改变。其中电荷所受的电场力，当方向与运动方向垂直时，力的大小须要在静止受力的基础上乘以(1- vv/cc) ；而当受力方向与运动方向共直线时，则需要在静止受力的基础上乘以(1-vv/cc)^(3/2)。 F 由于电荷所受的磁场力必须依靠运动才能产生，且受力方向总是和运动方向垂直，故力的大小变成了在运动基础上乘以sqrt(1- vv/cc)，而不是乘以(1- vv/cc)了。现举例如下： 1、在方向与x轴平行的匀强电场中有一点电荷q ，当它以速度v 做方向与x轴平行的运动时，那么他所受的电场力是 F = Eq (1-vv/cc)^(3/2) 而当电荷运动方向与x轴垂直时，则 F = Eq (1-vv/cc) 2、在方向与x轴平行的匀强磁场中有一点电荷q ，当它以速度v 做方向与x轴平行的运动时，那么它所受的磁场力为0 。 而当电荷运动方向与x轴垂直时，那么它所受的磁场力不光与x轴垂直，还与运动方向垂直。其大小是 F = Bvq sqrt(1-vv/cc) 3、方向与x轴垂直的匀强磁场以速度u沿x轴方向运动，在该磁场中有一电荷q ，当它以速度v 做方向与磁场平行的运动时，那么他所受的磁场力也为0 。 而它所受的电场力则是由移动磁场产生的，其方向与磁场垂直。这与静电场力是一样的。 FE = (Bu)q(1 - vv/cc) 4、方向与x轴垂直的匀强磁场以速度u沿x轴方向运动，在该磁场中有一电荷q ，当它以速度v 做方向与x轴平行的运动时，那么他所受的磁场力是 FB = Bvq sqrt(1-vv/cc) 所受电场力 FE = (Bu)q(1 - vv/cc) 方向与FB相反。 故合力是 F = FB - FE = Bq[v - u sqrt(1 - vv/cc)]sqrt(1 - vv/cc) 此时若在合力方向上放一段导体，那么它所产生的电动势是 ε= FL/q = BL[v - u sqrt(1 - vv/cc)]sqrt(1 - vv/cc) 当u << c 、v << c时 F ≈ Bq(v - u) e ≈ BL(v - u) 可见在低速情况下，F 、ε只与电荷、磁场的相对运动有关，而与它们的绝对运动无关。即当相对速度一定时，不论谁动、谁不动效果都一样。此时电场力和磁场力似乎可以相混，电场和磁场也好像没了分界。 由磁场力产生的电动势和由电场力产生的电动势也合二为一，不便区分。当磁场的运动速度减小时，动生电场减小，但磁场也没有增大；而电场电动势却减小了，所以若想保持电动势不变就必须增加导体的运动速度。 将中性导体放在电场内，因为正负电荷所受的电场力方向不同，故能够产生电动势。 当中性导体在磁场中做垂直于磁力线的运动时，因为正负电荷所受的磁场力不相同，故也能产生电动势。 5、同理，如果真有磁单极子，那么当它在电场中运动时，估计也要受到电场力的作用。而当条形磁体在匀强电场中运动时，也有可能受到电场力偶矩的作用。 6、在匀强磁场B中，电荷q正在做圆周运动。当不考虑力的速度特性时，速度是v ，半径是r。 ，运行周期是T。 当考虑力的速度特性时，因为总机械能不变，速度保持不变，故可以算得半径变为 r = r。/ sqrt (1 - vv/cc) 运行周期变为 T = T。/ sqrt(1 - vv/cc) 可见当电荷运动速度增大到可与光速相比时，运行周期明显的变长。但这可不是由于整个系统的绝对运动引起的，也不能说明是由质量增大引起的，故只能说是由于电荷所受的磁力减小了。现有的粒子回旋加速器已经充分证实了在电子在高速运动时周期变长的情况。 （四）点电荷之间的相互作用力 计算一运动电荷所受的另一运动电荷的电场作用力，不能按它们现在的距离，而是必须沿着电场来的方向，采用它们当时的距离。同时还要考虑力的速度特性。 设 电荷 Q 在x 轴上正以速度u 做匀速运动，另在距离为r 的斜上方有一电荷q 正以速度v 朝某一方向运动。那么此时q 所受的电场力必定是在此处电场的方向上。 再设q 运动方向与电场方向的夹角是β，运动方向与磁场方向的夹角是γ，电场方向与u 方向的夹角是α 那么当时两电荷的距离是 R = c r/(c - u) = c r/sqrt(cc + uu - 2cu cosα) q处的电场强度是 E = (Q/4πε。rr)(1 + uu/cc - 2u cosα/c ) 所受的电场力与电场方向一致，其大小是 FE = (Qq/4πε。rr)(1 + uu/cc - 2u cosα/c )[(1 - vv/cc)^1.5] /sqrt[1 - (sinβv/c)^2 ] q处的磁感应强度是 B = (μ。Qu sinα/4πrr)(1 + uu/cc - 2u cosα/c ) 所受的磁场力与磁场、运动方向垂直，大小是 FB = (μ。Qu sinα/4πrr)(1 + uu/cc - 2u cosα/c )qv sinγsqrt(1 - vv/cc) = (Qq /4πε。rr)( uv sinαsinγ/cc)(1 + uu/cc - 2u cosα/c ) sqrt(1 - vv/cc) 很显然，在低速情况下，即u << c 、v << c 时，磁场力远远小于电场力。 这两个力的计算公式包含了所有的情况。 1、电荷q 也在x轴且在Q的正前方并沿轴运动时，α= 0 β= 0 γ= 90° q所受的电场力是 Fq = (Qq/4πε。rr)(1 - u/c )^2 (1 - vv/cc)^1.5 而q所受的磁场力则为0 . 此时电荷Q 在q的正后方，α= 180° β= 180°0 γ= 90° 故Q所受的电场力是 FQ = (Qq/4πε。rr)(1 + v/c )^2 (1 - uu/cc)^1.5 而Q所受的磁场力依旧为0 . FQ ≠ Fq 可见两力不遵守牛顿第三定律，不再相等了。这不仅是因为它们的速度不同，速度特性不同；即使两电荷刚性联动， v = u ，两力还是不能相等。因为还有两电荷所在的电场强度不同。动量、能量等在这个传递过程中皆有了走漏，肯定传给了中间的场物质。 2、电荷q 也在x轴且在Q的正前方，但垂直于x轴运动时 α= 0 β= 90° γ= 90° q所受的电场力是 FE = (Qq/4πε。rr)(1 - u/c )^2 (1 - vv/cc) q所受的磁场力还是为0 . 3、电荷q 在y 轴某点，它沿轴做远离运动的速度是v 则 cosα= u/c sinβ= u/c γ= 90° q所受的电场力方向与y轴的夹角是α . FE =(Qq/4πε。rr)(1 - uu/cc)(1 - vv/cc)^1.5/sqrt[1 - (vu/cc)^2] 而q所受的磁场力方向则与y轴垂直。 FB = (Qq/4πε。rr)(uv/cc)(1 - uu/cc)^1.5 sqrt(1 - vv/cc) 4、电荷q 在y 轴，它沿与x轴平行的方向运动的速度是v cosα= u/c cosβ= u/c γ= 90° 则q 所受的电场力方向与y轴的夹角是α . FE = (Qq/4πε。rr)(1 - uu/cc)[(1 - vv/cc)^1.5]/sqrt[1-(vv/cc)(1-uu/cc)] 而所受磁场力的方向则与y轴平行。 FB = (Qq/4πε。Rr)(uv/cc)(1 - uu/cc)^1.5 sqrt(1 - vv/cc) 当v = u << c 时，这两个力的方向基本上相反。其y轴方向的合力为 F = FE sinα - FB ≈ (Qq/4πε。Rr) (1 - 3.5 uu/cc) 5、电荷Q绝对静止，电荷q围绕它做圆周运动，半径是r ；当不考虑力的速度特性时，速度是v。 ，运行周期是T。 当考虑力的速度特性时，因为总机械能不变，半径也不变，故可以算得速度变为 由 mvv / r = (Qq/4πε。Rr) (1 - vv/cc) m v。v。/ r = (Qq/4πε。Rr) 得 v = v。/ sqrt(1 + v。v。/cc) 运行周期变为 T = T。sqrt(1 + v。v。/cc) 当v。= c 时 T = 1.4142 T。 当v。<< c T ≈ T。/ sqrt(1 - v。v。/cc) 这是在微观领域对"运动的时钟变慢"的证明。 当然对于凝聚态的物体来说，其内部是引力、斥力共存且处于平衡状态的。当相邻两分子距离大于平衡距离时呈现引力，小于平衡距离时则呈现斥力。当物体做绝对运动时，不光引力和斥力的绝对值都减小，而且在平衡距离附近，两力之差的斜率也在减小。这就保证了物体的倔强系数也一定随着运动的增大而减小。 （五）时空收缩的影响 以上都是我们在绝对静参照系中所观测的结果，同时也没有考虑时空收缩的影响。当然所谓"时空收缩"并不是说所有的长度都收缩，所有的运行过程都变慢。像是点、线、面这些几何元素以及几何体就不可能因运动而收缩，它们是"绝对刚体"；还有靠强力组成的原子核和靠引力组成的星系也不大可能因运动而收缩；所以唯一可能因运动而收缩的只能是靠电磁力结合起来的凝聚态物体，像是固体、液体、装在容器内的气体。就是那些处于自由离散状态的气体也不可能因总体定向运动而收缩。还有那些不受电磁力制约的运动过程也不可能因运动而减慢。 电磁物质系统的时空特性能够因运动发生变化的机制应该属于"电磁运动力学"研究内容，它不可能是无因之果。如果一个理论内部不能自洽，那么这样的理论就是不完善的。 在这章内容中我想让理论与实验事实实现最大程度的贴合。为此我毅然放弃了表面的、偶然的、不能作为主导规律"相对性原理"。充分尊重充满了背景物质的空间和在这个绝对静止的空间内所发生的真实现象。根据迈克尔逊-莫雷实验的零结果，我采用了"尺缩钟慢"的说法；根据简谐振动的频率因运动变小的规律我提出并推广了一般力的变换方法；再根据电子回旋加速器的周期变化规律修正了磁场力的计算公式。我相信：力速关系一定存在，质量和电量则永恒不变。这个大框架的可靠性非常高，即使将来需要修改恐怕也仅限于枝节上的内容。 只有打下牢固的基础，才能永远立于不败之地；只有尊重实验事实，才是建立正确理论体系的根本。也许我费尽心思所建立的理论会被今后的事实一举否定，但这没有关系。我将推倒重来，与时俱进，进行新的探索。可在目前我只能仅就现有的事实给大家讲述这样一个"童话般的故事"，并且还希望这是一个美丽的童话。
理想的场源是点电荷、线电流、无限大的带电平面，但这都是不存在的。而现有的场源则都是大小有限、形状不同的物质实体。当它们在空间中做绝对运动时，其纵向长度就可能发生收缩，从而改变其大小和形状，继而改变电荷的分布和密度，电场的形状和强度。例如物体由正方体变成了长方体，正圆球变成了椭圆球。带电的椭圆球虽然仍是等势体，但表面电荷的分布却不再均匀，附近电场的强度和方向也不再保持球形对称。 大平面带电体当沿切线方向做绝对运动时，因为长度收缩使面积将变小，所以电荷密度和场强将随速度增加。当平面沿x轴向以速度u运动时，那么方向与x轴垂直的电场场强是 E = E。/sqrt (1 - uu / cc) 还有用圆柱形导体产生的环形磁场，用螺线管产生的匀强磁场，及由电磁场随场源移动所产生的新场，它们在做横向移动时都要在运动方向上发生收缩。 总之，任何电磁系统当在绝对静参照系中有绝对运动时，那么不仅它自身的形体，连同它的电磁场及由激发新生的电磁场都将在运动方向上发生收缩，从而使周围各点上的场强都发生一定的变化；还有场源内部的一切时变速率也都将变慢，从而使新生电磁场的强度减小，对外辐射电磁波的频率减小，波长增加。唯有波速保持不变。 绝对运动还能引起电磁元件参数如电阻值、电容和电感量的改变。广义地说：凡是与长度、时间有关的电学量都有可能因运动而改变。如电阻率，电压、电流、电流密度、电功、电功率等等，这是由它们的时空特性决定的，都是客观发生的结果。 当电磁场的场源在动参照系内有相对运动时，那么还是应先将动参照系的运动与场源的相对运动进行合成，以场源在绝对静参照系内的绝对运动为准；另当场源在动参照系内随时间变化时，那么也还是应通过换算，以它在绝对静参照系中的时变速率为准。
观测者和所在的参照系也都是实物质系统，当它们做绝对运动时也要发生时空收缩现象，具体表现就是"尺缩钟慢"。所以当在不同的参照系内进行观测时，观测结果就会发生不同程度的"畸变"，从而得出千差万别的结论。如在动参照系内测量绝对静止的方向与x轴垂直的匀强磁场时，由于测量者所在参照系在x轴方向发生了收缩，从而使单位面积所通过的磁场线减少，这样就使得各点的场强都变弱了。即 B′= B sqrt (1 - uu / cc) 因为物体在空间中的运动方向是任意的，其时空变化不可避免，所以即便仅将在绝对静止参照系中观测的结果换算到运动参照系中就够难的了，若再将一运动参照系中观测的结果换算到另一运动惯性系中，这无疑是难上加难。其推算过程异常复杂。故当参照系低速做运动时，我们常常将之近似视为绝对静参照系。 在静→动参照系的换算中，只有一种情况可能使问题得到简化，这就是让参照系的运动和被研究物体的运动完全一致，使之成为一个同步参照系。其实这也是一种最普遍、最重要的情况：将被研究的物体放在我们自己所在的参照系内。 当在自己所在的参照系内研究相对静止的物体时，因为两者都发生了相同的时空变化，所以有些现象便保持了它的不变性。如已经变成的椭圆球又变成了正圆球，变慢的时钟又恢复了正常，匀强电磁场的强度又恢复到原来大小；甚至连加速力都能恢复到原来大小，加速度定律仍然能够成立。 Fx＇= m ax ＇= Fx /(1- vv/cc)＾(3/2) = Fxo Fy＇= m ay ＇= Fy /(1- vv /cc) = Fyo Fz＇= m az ＇= Fz /(1- vv /cc) = Fzo 但这种不变性的适用范围是偶然的、极其有限的，其实有更多的现象则是必变的。如点光源的光速不再各向同性，在各个时刻发出的光波面不再是正圆球面，而是变成了椭球面，光源位于靠前的焦点上。 由时空变化衍生的其它变化及生成物也不会再消失。如带电的椭圆球虽然恢复为正圆球，仍然是等势体，但表面电荷的分布仍然不均匀，电场线与表面也不再垂直；由移动电磁场和时变电磁场产生的新场仍然存在并有所变化；还有两静电荷之间的相互作用力也和在绝对静参照系中的不同。......反正相对性原理不再成立。或许将来我们可用多种方法、并能很容易的测出所在参照系的绝对运动速度。 有得就有失。相对性原理既然没有成立的必然性，那么我们也就没有必要将它抱住不放，故将之放弃合情合理。我再次强调：力速关系一定存在，且是全部问题的关键，所以对它如何解决考验着人们的智慧。笔者以上所做的尝试也许还有待进一步商榷，但却代表着正确的研究方向，这是一条通向光明的大道。
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