论物理力线

《论物理力线》（英语：On Physical Lines of Force）是詹姆斯·麦克斯韦于1861年发表的一篇论文。在这篇论文里，他阐述了可以比拟各种电磁现象的“分子涡流理论”，和电势移的概念，又论定光波为电磁波。麦克斯韦又将各种描述电磁现象的定律整合为麦克斯韦方程组。

简介《论物理力线》（英语：On Physical Lines of Force）是詹姆斯·麦克斯韦于1861年发表的一篇论文。在这篇论文里，他阐述了可以比拟各种电磁现象的“分子涡流理论”，和电势移的概念，又论定光波为电磁波。麦克斯韦又将各种描述电磁现象的定律整合为麦克斯韦方程组。1

主要目标引力、电场力和磁场力都遵守平方反比定律。给予一个引力源于空间的某位置，在空间的任何其它位置，放入一个具有质量的检验粒子，则此检验粒子所感受到的引力的大小必定与距离的平方成反比。从检验粒子在各个位置所感受到的引力，可以绘出很多条不同的力线，又称为场线。在这引力线的每一点，引力的方向必定正切于引力线。电场力和磁场力也会产生类似的现像。假设将一堆铁粉铺洒在一块磁铁的四周，这些铁粉会依著磁场力的方向排列，形成一条条的曲线，在曲线的每一点表现出磁场的存在和磁力线的方向。这明确地显示出磁力线是一种真实现像。假若铁粉感受到的是直接由磁铁施加的作用力，则这是一种超距作用（action at a distance）。

麦克斯韦觉得，虽然超距作用能够满意地计算出很多电磁现象，但是，超距作用不能解释整个图案。麦克斯韦主张用场论解释：早在铺洒铁粉之前，磁铁就已经在四周产生磁场；不论铺洒铁粉了没有，磁场都存在；磁铁并不是直接施加力量于铁粉，而是经过磁场施加力量于铁粉；也就是说，铁粉感受到的是磁场的作用力。在遥远的那一端的铁粉怎么知道这一端有一块磁铁？超距作用是否违反了定域性能量守恒定律？这两个电荷之间到底是真空，还是存在着像乙太一类的某种传递电磁信息的媒介？麦克斯韦希望能够给予这诸多问题合理的解答。1

概述由于法拉第效应显示出，在通过介质时，偏振光波会因为外磁场的作用，转变偏振的方向，因此，麦克斯韦认为磁场是一种旋转现象。在他设计的“分子涡流模型”里，他将力线延伸为“涡流管”。许多单独的“涡胞”（涡旋分子）组成了一条条的涡流管。在这涡胞内部，不可压缩流体绕着旋转轴以均匀角速度旋转。由于离心力作用，在涡胞内部的任意微小元素会感受到不同的压强。知道这压强的分布，就可以计算出微小元素感受到的作用力。透过分子涡流模型，麦克斯韦详细地分析与比拟这作用力内每一个项目的物理性质，合理地解释各种磁场现象和其伴随的作用力。

麦克斯韦对于分子涡流模型提出几点质疑。假设邻近两条磁力线的涡胞的旋转方向相同。假若这些涡胞之间会发生摩擦，则涡胞的旋转会越来越慢，终究会停止旋转；假若这些涡胞之间是平滑的，则涡胞会失去传播信息的能力。为了要避免这些棘手的问题，麦克斯韦想出一个绝妙的点子：他假设在两个相邻涡胞之间，有一排微小圆珠，将这两个涡胞隔离分开。这些圆珠只能滚动（rolling），不能滑动。圆珠旋转的方向相反于这两个涡胞的旋转方向，这样，就不会引起摩擦。圆珠的平移速度是两个涡胞的周边速度的平均值。这是一种运动关系，不是动力关系。麦克斯韦将这些圆珠的运动比拟为电流。从这模型，经过一番复杂的运算，麦克斯韦能够推导出安培定律、法拉第感应定律等等。

麦克斯韦又给予这些涡胞一种弹性性质。假设施加某种外力于圆珠，则这些圆珠会转而施加切力于涡胞，使得涡胞变形。这代表了一种静电状态。假设外力与时间有关，则涡胞的变形也会与时间有关，因而形成了电流。这样，麦克斯韦可以比拟出电势移和位移电流。不但是在介质内，甚至在真空（麦克斯韦认为完美真空不存在，乙太弥漫于整个宇宙。与普通物质不同，麦克斯韦假想的乙太具有能量与动量，因此可以说具有质量，但是牛顿万有引力定律不适用于它，因为它没有重量。），只要有磁力线，就有涡胞，位移电流就可以存在。因此，麦克斯韦将安培定律加以延伸，增加了一个有关于位移电流的项目，称为“麦克斯韦修正项目”。聪明睿智的麦克斯韦很快地联想到，既然弹性物质会以波动形式传播能量于空间，那么，这弹性模型所比拟的电磁场应该也会以波动形式传播能量于空间。不但如此，电磁波还会产生反射，折射等等波动行为。麦克斯韦计算出电磁波的传播速度，发觉这数值非常接近于，先前从天文学得到的，光波传播于行星际空间的速度。因此，麦克斯韦断定光波就是一种电磁波。1

弹性固体模型在那时候，已经存在有很多试着解释电磁现象的物理模型，例如，流体模型，波动模型，热传导模型等等。麦克斯韦特别提到了物理大师威廉·汤姆孙的“弹性固体模型”。在这模型里，感受到磁场力的作用，固体的每一颗粒子都会产生角位移（Angular displacement），其转动轴与磁场力同方向，其大小与磁场力的大小成正比；感受到电场力的作用，固体的每一颗粒子都会产生绝对位移，其方向与电场力相同，其大小与电场力的大小成正比；感受到电流的作用，电流经过的每一颗粒子都会产生相对于邻居粒子的相对位移，其方向与电流相同，其大小与电流的大小成正比。由于具有弹性，这个模型可以比拟电场和磁场的传播，又由于固体粒子会因为磁场的作用而产生角位移，这个模型也可以解释法拉第效应。但是，汤姆孙并没有对电场力和磁场力的产生给予解释。1

参阅《论法拉第力线》

《电磁场的动力学理论》

斐索-傅科仪

罗默测定光速

电磁波方程

麦克斯韦方程组

弯曲时空中的麦克斯韦方程组

麦克斯韦应力张量

麦克斯韦方程组的历史

本词条内容贡献者为:

尹维龙 - 副教授 - 哈尔滨工业大学