靜止時沒力，一動就生磁力？這就是電磁場！

一個靜止的帶電物體 它感受不到任何力 但只要給它一個速度 一股神祕的力量就會憑空出現 將它推開 這股力量就是磁力 而它的起源 不過是電場在時空中的一次扭曲 要理解這一切 我們需要從宇宙的真空開始 想象兩個宇航員在太空中玩拋球 第一個人拋出球 他會感受到一股反衝力 因爲他將動量轉移給了球 第二個人接住球 他吸收了球的動量 同樣會向後退 通過這一來一回的交換 兩個原本靜止的人 相互排斥 兩個電子之間 就在不停地拋接一種粒子 它叫虛光子 這是量子物理的規則 它允許粒子從虛物中誕生 只要它消失得足夠快 快到無法被直接探測 一個虛光子攜帶能量 能量越高壽命越短 傳播距離就越近 因此當兩個電子相互靠近 它們交換的虛光子 就可以攜帶更高的能量 這種交換 就像宇航員拋球一樣 產生了一股排斥力 距離越近 力就越強 這種通過交換虛光子 來相互作用的傾向 我們稱之爲電荷 電子的電荷是負一 質子的電荷是正一 同種電荷相互排斥 而一個負電荷和一個正電荷 則會相互吸引 爲了描述這些複雜的交互 物理學家引入了一個概念 電場 你可以把它想象成 一張遍佈宇宙的無形織物 放入一個負電的電子 織物會呈現藍色 放入一個正電的質子 織物則會變成紅色 現在 再投入新的粒子 它們會遵循一個簡單的規則 逃離與自己顏色相同的區域 奔向顏色相反的區域 正電荷被紅色區域排斥 被藍色區域吸引 負電荷則正好相反 如果我們將一排電子 和一排質子 分別置於兩端 就能創造出一個均勻的電場 在這個場中 電子會受到一股恆定的力 沿着電線定向移動 這就是電流 此時 一個詭異的現象出現了 我們把一根 有電流通過的電線放在這裏 它有等量的質子和電子構成 整體呈電中性 在它旁邊 我們放置一個帶正電的蘋果 電線中的質子排斥蘋果 電子吸引蘋果 兩種力大小相等 方向相反 完美抵消蘋果靜止不動 但現在 我們讓蘋果向右運動 奇怪的事情發生了 蘋果開始被電線排斥 明明電場力爲0 它卻受到了一股神祕的新力量 這股力只在蘋果運動時出現 並且方向和速度都與之相關 這就是磁力 要解開這個謎團 我們必須切換視角 進入愛因斯坦的相對論領域 讓我們站在蘋果的參考系中 此刻蘋果是靜止的 而整根電線在向左移動 根據狹義相對論 高速運動的物體 在運動方向上 會發生長度收縮 現在電線裏的質子在高速移動 它們之間的距離被壓縮了 變得更密集 而電線裏的電子 原本就在向右運動 現在因爲整根電線向左移動 它們相對於蘋果的速度變慢了 因此它們的長度收縮效應更弱 間距反而被拉深了 結果就是 從蘋果的視角看 這根電線不再是電中性的 正電荷的密度超過了負電荷 電線整體帶上了靜正電 於是它開始排斥同樣帶正電的蘋果 那個所謂的神祕磁力 根本不是新東西 它只是觀察者在不同參考系下 看到的被相對論扭曲了的電場力 電和磁 是同一個現象的兩種不同表現 它們被統一在一個宏大的概念下 電磁場 運動的電荷 這個場具有奇特的屬性 它對靜止的電荷毫無作用 但會使運動的電荷發生偏轉 迫使它們進行圓周運動 我們將電線纏繞成線圈 通上電流 每一個運動的電子 都貢獻出一個微小的磁場 這些磁場疊加 形成了一個從一端流出 從另一端迴流的宏觀磁場 這個線圈 就成了一塊電磁體 擁有了磁北極和磁南極 事實上 連永磁體也源於此 電子擁有一種叫做自旋的量子屬性 可以近似看作它在自我旋轉 這種旋轉的電荷 同樣會產生電流和磁場 當材料中無數微小的電子磁鐵 朝向同一方向排列時 就形成了我們日常所見的磁鐵 這一切複雜的行爲 都被4條簡潔而深刻的方程所支配 它們是麥克思維方程組 第一 電荷是電場的源頭 第二 磁場沒有獨立的源頭 磁單極子不存在 你無法得到一個只有N級 第三 變化的磁場會產生電場 這就是電磁感應 將磁鐵推入線圈 變化的磁通量會驅動電子 產生電流 這是所有發電機工作的核心原理 第四 變化的電場或電流會產生磁場 最後兩條方程皆是了一個終極奧祕 電場和磁場可以相互激發 形成一個自我傳播的循環 電場的變化激發磁場 磁場的變化又反過來激發新的電場 這種能量的聯誼就是電磁波 它以光速在真空中傳播 現在 我們用一個實驗來終結今天的旅程 讓一塊磁鐵落入銅線圈 起初 它自由下落 但當它接近線圈 它自身的運動導致磁場發生變化 這個變化在線圈中感應出電流 而這個電流 又在線圈周圍產生了它自己的磁場 這個新的磁場 方向與下落的磁鐵相反 阻礙它的下落 磁鐵的墜落 彷彿被引力之外的力量按下了慢放鍵 這 就是電磁場在宏觀世界最直觀的展現