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光速常数是麦克斯韦方程组的优美体现?

已有 9909 次阅读 2011-10-12 16:32 |个人分类:时空|系统分类:观点评述|关键词:麦克斯韦,方程组,光学| 光学, 麦克斯韦, 方程组

   麦克斯韦方程组在电磁学中的地位,如同牛顿运动定律在力学中的地位一样,以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论,是经典物理学最引以自豪的成就之一。

   电磁波是麦克斯韦方程组对无源变化电磁场的相互激发关系和对称性完美表达的重要推论,后被赫兹实验证实,是十九世纪经典物理最重要的成就。通过麦克斯韦方程组求解获得真空中的电磁波传播速c仅与真空介电常数和磁感应常数相关,因此就会非常自然的得出光波和电磁波在真空中的传播是常数的结论。

   麦克斯韦方程组是在库仑定律、安培—毕奥—萨伐尔定律和法拉第定律的基础上获得的关于电磁场的理论,因此这三大电磁学实验定律的完备性是方程组完美性,以及光学常数结论的重要基础。

   1785年发现的库仑定律是我们描述带电体相互作用力F与其电量q和距离关系的重要定律,也是静电场强度定义(E=F/q)的基础。从本质上讲电场强度E是明确包涵了电荷间相互作用的意义,用于电荷孤立体电场性质的描述需要特别小心。目前,我们关于电荷及其周围电场、以及电荷之间的相互作用的认识,已远超过库仑所处的年代,因此需要对这些定律的完备性进行重新的思考。

   库仑定律是关于两个相对静止带电体相互作用力的定律,按照目前场的观点,可以理解为两个带电体产生的电场相互作用。由于场分布于带电体外的整个空间,并且与介质相关,同时场的传播有速度限制,因此,电场力应该是电场相互作用的空间积分,与电荷及介质的相对位置和运动相关,即电场力是电荷量、相对距离、介电常数,以及带电体相对运动速度、介质运动速度等因素的函数。同步回旋加速中带电粒子的加速度随速度递减(Bertozzi实验)的结果,可以用电场力与运动速度相关来解释,则库仑定律目前形式只与介电常数、电荷量和相对距离相关,就不完整,至少需要添加速度修正项。

   如果保持库仑定律现有的形式不变,那么真空的介电项就不是常数值,至少应该是速度的函数。由此可以否定真空中的光传播速度是常数的论断

  最近我写的两篇关于麦克斯方程组的博文,主旨是要分析其不完善之处,无意否定这个伟大的、将人类带入电器时代具有里程碑意义的经典理论。其实麦克斯韦方程组和洛仑兹力作为经典电磁学的重要基础,应用于运动带电粒子电磁辐射的求解时,已经遇到了严重困难,由于其电磁波预言被证实取得的巨大成功,因而没有人对理论的完备性和适用性进行考虑,只是将问题归为其它方面。

   我个人认为,目前电磁理论中电荷体外某处电场强度的定义和概念,本质上只能反映单位电荷的作用力大小,体现的是相互作用的性质,应用于孤立电荷的性质描述是不恰当的,因为它只有用于计算点电荷位于此处时受到电场作用力的作用和意义,而作其它的扩展性的解释和应用,会出现偏差甚至错误。所以我认为我们有必要寻找一个能反映孤立电荷存在时,能描述周围电场性质,以及电荷相互作用效应的新物理量,也许我们今天的电磁学在此基础上可能会需要重建。



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