物理思想史與方法論-3課件

第三章電磁學(xué)的發(fā)展電磁學(xué)跟其它許多學(xué)科一樣，不是短期內(nèi)也不是靠某一位天才發(fā)展完善起來的，它是人類智慧長期積累的結(jié)果。但早期都只停留在對(duì)自然現(xiàn)象的表面觀察上。關(guān)于電磁現(xiàn)象的真正深入系統(tǒng)的定量研究，是在生產(chǎn)有了一定程度的發(fā)展，科學(xué)水平有了較大提高的十七、十八世紀(jì)，人們采用實(shí)驗(yàn)方法研究和探討電磁現(xiàn)象所遵循的各種規(guī)律后才開始的。3.1關(guān)于靜電現(xiàn)象與靜磁現(xiàn)象的研究吉爾伯特對(duì)靜電現(xiàn)象也做了仔細(xì)的研究。他發(fā)現(xiàn)不僅摩擦過的琥珀有吸引輕小物體的性質(zhì)，而且一系列其他物體如金剛石、藍(lán)寶石、水晶、頁巖、樹脂等也有這種性質(zhì)。他把這種性質(zhì)稱為“電性”。他是第一個(gè)用“電力”、“電吸引”、“磁極”等術(shù)語的人。他還把象琥珀這類能吸引輕小物體的物體稱為“帶電體”，把金屬、人體、動(dòng)物等不能用摩擦使它們具有吸引能力的物體稱為“不帶電體”。他認(rèn)識(shí)到電現(xiàn)象是物質(zhì)所具有的一種比較普遍的現(xiàn)象。

吉爾伯特通過對(duì)他所認(rèn)識(shí)的電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的比較后認(rèn)為，電和磁是兩種截然無關(guān)的現(xiàn)象。這個(gè)結(jié)論給后來的電磁學(xué)發(fā)展帶來了深刻的影響。他得出上述認(rèn)識(shí)的主要依據(jù)是：(1)電性可以用摩擦的方法產(chǎn)生，而磁性是自然界中的磁體才具有的；(2)磁性有兩種——吸引和排斥，而電性僅有吸引(當(dāng)時(shí)還沒有發(fā)現(xiàn)電的排斥現(xiàn)象)(3)電吸引比磁吸引弱，但是帶電體可以吸引任何輕小的物體，而磁石只對(duì)可以磁化的物質(zhì)才有力的作用；(4)磁體之間的作用不受中間的紙片、亞麻布之類物體的影響，而帶電體之間的作用要受到這些物質(zhì)的影響。當(dāng)帶電體浸在水中時(shí)，電力的作用可以消失，而磁體的磁力在水中不會(huì)消失；(5)磁力是一種定向力，而電力是一種移動(dòng)力。對(duì)電現(xiàn)象理論作出最初嘗試的是法國科學(xué)家杜菲（C.F.Du.Fay,1698－1739）。為了解釋摩擦起電及電的吸引和排斥現(xiàn)象，杜菲認(rèn)為存在有兩種流，可以通過摩擦的形式把它們分開，使兩個(gè)物體帶異種電荷而相互吸引，當(dāng)它們結(jié)合時(shí)，又彼此中和。這就是所謂的“雙流”說。起電過程是一定量的電液從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體上，若一物體得到比它正常份量更多的電液，那么它就帶“陽電”(即“正電”)，反之就帶“陰電”(即“負(fù)電”)。為了解釋異性電相吸引現(xiàn)象，他認(rèn)為“雖然電液粒子彼此排斥，但是它們卻為其它一切物質(zhì)所強(qiáng)烈地吸引”。這樣富蘭克林的“一液說”取代了杜菲的“雙流說”，成為當(dāng)時(shí)比其他任何人更圓滿地解釋電現(xiàn)象的學(xué)說，為大多數(shù)人所接受。這樣在十八世紀(jì)末并存著“一液說”和“雙液說”。而無論是“單液說”還是“雙液說”，它們的核心都是把電看作是一種粒子。這個(gè)觀點(diǎn)和十八世紀(jì)科學(xué)界對(duì)光的本性的看法是一致的，都屬于機(jī)械的微粒說。1780年，意大利解剖學(xué)家伽伐尼（A.L.Galvami,1737－1789）偶然發(fā)現(xiàn)，在雷雨來臨時(shí)，與金屬環(huán)相接觸的青蛙腿發(fā)生痙攣現(xiàn)象。6年后他又觀察到用兩種金屬組成的環(huán)和蛙腿接觸也會(huì)引起蛙腿痙攣。于是他把這些現(xiàn)象加以總結(jié)后發(fā)表了《肌肉運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的電力》的論文。認(rèn)為蛙腿痙攣現(xiàn)象的發(fā)生是由于青蛙內(nèi)存在“動(dòng)物電”的緣故。這種“動(dòng)物電”的發(fā)現(xiàn)引起了人們對(duì)電的本質(zhì)的進(jìn)一步探索并出現(xiàn)了三種不同的觀點(diǎn)。即(1)認(rèn)為動(dòng)物電是動(dòng)物身體內(nèi)部產(chǎn)生的，它可以由腦發(fā)出，通過神經(jīng)并積蓄在肌肉中，很可能是一種人們尚不知道的“自然力”。(2)認(rèn)為是一種與電液相似的電，當(dāng)金屬與金屬、金屬與液體等相接觸時(shí)，由于接觸產(chǎn)生一種分離力，使兩種電液分離而產(chǎn)生一種“流電”(3)認(rèn)為伽伐尼是一種與普通電液不同的另一種液體，流電的產(chǎn)生是由于化學(xué)作用的結(jié)果。 英國物理學(xué)家法拉第 (MichaelFaraday,1791－ 1867)于1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象后，于1833－1834年間深入研究了電解過程，建立了電解二條基本定律。根據(jù)以上二定律，電解中與被析出的每一個(gè)原子相聯(lián)系的電量(ｎ為該元素的原子價(jià)，Ｆ為法拉第常數(shù)，Ｎ為阿伏伽德羅常數(shù)）。由此，任何離子所帶電量總是一個(gè)最小基本單元的整數(shù)倍。據(jù)此，法拉第認(rèn)為，應(yīng)該存在著“與物質(zhì)的粒子或原子聯(lián)系在一起的一個(gè)絕對(duì)的電量”。這使他在事實(shí)上開始接觸到電的原子性，正如赫姆霍茨(H·VonHelmholty,1821－1894)在1881年所指出的：“法拉第電解定律的最可驚異的結(jié)果也許是這樣：如果我們接受元素物質(zhì)由原子組成的假說，我們就不可避免地要作出結(jié)論說：電，不論是陽電還是陰電，也分為元素部分，其行為就象電原子一樣?！钡聡锢韺W(xué)家韋伯(W·E·Weber,1804－1891)為了解釋安培于1820年提出的分子電流假說，在1871年提出了一個(gè)很接近現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)的模型，認(rèn)為可以設(shè)想每一個(gè)物質(zhì)原子上附有一個(gè)電原子，若Ｅ為帶正電粒子，那么，－Ｅ為帶等量異號(hào)電荷的粒子，他假設(shè)，－Ｅ粒子具有可稱衡量，Ｅ粒子質(zhì)量相形之下可忽略不計(jì)，韋伯當(dāng)時(shí)認(rèn)為，－Ｅ粒子靜止不動(dòng)，Ｅ粒子圍繞－Ｅ粒子旋轉(zhuǎn)?？梢哉f韋伯已經(jīng)猜測(cè)到了原子的電結(jié)構(gòu)，唯一遺憾的是他把帶電的正負(fù)號(hào)顛倒了。這樣到十九世紀(jì)七十年代，關(guān)于帶電本質(zhì)問題事實(shí)上已經(jīng)形成了兩種不同的觀點(diǎn)，一種以德國韋伯等為代表，把電看成一種帶電粒子；另一種以英國法拉第、麥克斯韋(J·C·Maxwell,1831－1879)為代表，把電視為連續(xù)“以太”介質(zhì)中應(yīng)變的結(jié)果。有人根據(jù)該射線直線傳播及在磁場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)等現(xiàn)象推斷這是一種帶負(fù)電的粒子流；也有人根據(jù)它能穿透薄金屬窗推斷它很可能同光線一樣是一種電磁波，但后來的實(shí)驗(yàn)不斷否定這種看法，特別是倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)了Ｘ射線，為揭示陰極射線的粒子性提供了有力證據(jù)。對(duì)電子發(fā)現(xiàn)作出重大貢獻(xiàn)的是英國物理學(xué)家湯姆遜（J·J·Thomson,1856－1940），他首先通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)陰極射線不僅可被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，也被電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，據(jù)此他斷言這是一種帶負(fù)電的粒子；其次，他通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定了這種荷電粒子的荷質(zhì)比；最后，他發(fā)現(xiàn)，不管怎樣改變放電管中的氣體種類，也不管怎樣改變電極材料，陰極射線荷質(zhì)比保持不變。電子的發(fā)現(xiàn)不僅打破了原子不可分割的舊觀念，為人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索打開了大門，而且為揭示帶電本質(zhì)的經(jīng)典電子論的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ)，它標(biāo)志著人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，進(jìn)入到一個(gè)新的階段，因此，這是物理學(xué)發(fā)展史上一項(xiàng)具有劃時(shí)代意義的重大發(fā)現(xiàn)。事實(shí)上，在電子被發(fā)現(xiàn)前，荷蘭物理學(xué)家洛侖茲(H·A·Lorentz,1853－1928)就在1895年將電磁現(xiàn)象經(jīng)過物質(zhì)時(shí)所呈現(xiàn)的各種宏觀現(xiàn)象歸結(jié)為電磁波與物質(zhì)中準(zhǔn)彈性力作用下帶電粒子間相互作用的結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了經(jīng)典電子論。根據(jù)電子論，物體帶電的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移。在正常情況下，構(gòu)成物質(zhì)原子中的正負(fù)電荷量相等，電量代數(shù)和為零，在宏觀上呈電中性。若由于某種原因，物體失去一部分電子，則該物體帶正電，得到電子的物體帶負(fù)電；或者由于某種原因(如感應(yīng)等)，物體中電子從某一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，則前者帶正電后者帶負(fù)電；或者由于光的作用，電子從金屬中逸出形成光電子?？傊@一切都是基本帶電粒子轉(zhuǎn)換、傳遞或被激發(fā)的結(jié)果。3.1.3庫侖定律的發(fā)現(xiàn)

十八世紀(jì)天文學(xué)和航海事業(yè)的發(fā)展，對(duì)磁針和指南針的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，1773年，法國科學(xué)院以“什么是制造磁針的最佳方法”為題懸獎(jiǎng)，庫侖不僅獲得了這次懸獎(jiǎng)的頭獎(jiǎng)，而且以此為契機(jī)，開始了他對(duì)電磁現(xiàn)象的深入研究。在法國科學(xué)院公布關(guān)于船用指南針的最優(yōu)結(jié)構(gòu)的懸獎(jiǎng)?wù)魑暮?，庫侖轉(zhuǎn)而研究電力和磁力問題。1785年他用扭秤的結(jié)構(gòu)原理自制了一臺(tái)精巧的扭秤，作了一系列的實(shí)驗(yàn)，證明了牛頓的平方反比定律也在電的以及磁的吸引和排斥中適用，并證明了電的作用跟電量的乘積成正比，即著名的庫侖定律。其后，他又做了一系列同樣的實(shí)驗(yàn)，其共同的結(jié)論是：同種電荷之間的斥力與它們距離平方呈反比關(guān)系。后來庫侖又將這個(gè)結(jié)論推廣到異種電荷的吸引力情況。運(yùn)用矢量概念可以表述如下：兩個(gè)點(diǎn)電荷之間作用力的方向沿它們的連線方向，同種電荷相斥，異種電荷相吸；其值與這兩個(gè)點(diǎn)電荷的電量的乘積成正比，而與它們的距離平方成反比。庫侖定律是電學(xué)中得到的第一個(gè)精確的定量規(guī)律，它的建立標(biāo)志著電學(xué)從定性的觀察和實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)入了定量研究階段。采用下式可完整而確切地表達(dá)出庫侖定律的內(nèi)容：其中ｋ為比例系數(shù)，為沿著兩電荷連線方向的矢量。庫侖假設(shè)力的大小與兩點(diǎn)電荷電量的乘積成正比，這純粹是與牛頓萬有引力定律的一種類比。對(duì)庫侖定律準(zhǔn)確度的驗(yàn)證迄今仍在進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的精確度越來越高。直到1971年，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明庫侖定律偏離平方反比律的偏差小于2.7×10－16。對(duì)靜電磁現(xiàn)象所進(jìn)行的這一系列研究，促進(jìn)了靜電磁學(xué)的發(fā)展，特別是庫侖和高斯等人的研究，使靜電磁學(xué)開始由定性描述走向定量探討，為電磁學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從1909年到1918年美國物理學(xué)家密立根(Milikan,1868-1953年)對(duì)直接測(cè)定基本電荷e的絕對(duì)值做出了重大貢獻(xiàn)。他進(jìn)行了一系列用油滴測(cè)量電子的實(shí)驗(yàn)。他的方法從原理上講是很簡(jiǎn)單的，用兩塊水平放置的金屬板，在其間噴入懸浮的油滴，用顯微鏡觀察它的運(yùn)動(dòng)。在極板間未加上電場(chǎng)時(shí)，油滴在重力和空氣阻力下勻速下落。如果油滴在被電離的空氣中捕捉到了一定量的電荷，就可以在極板上加上適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)使油滴勻速上升。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改變油滴的荷電量，油滴的速度即作跳躍式的變化。多次對(duì)同一油滴的速度進(jìn)行測(cè)量，表明油滴的荷電量是同一數(shù)量e的整數(shù)倍。密立根最后的測(cè)量結(jié)果為e=1.59×10-19C(庫侖)，與現(xiàn)代測(cè)量值e=1.60×10-19C非常接近，并且他由電解定律求出了阿伏伽德羅常數(shù)：密立根的工作表明，電荷總是以一個(gè)基本單元的整數(shù)倍出現(xiàn)。物質(zhì)所帶的電荷不是以連續(xù)的形式出現(xiàn)的，而是以一個(gè)個(gè)不連續(xù)的量值出現(xiàn)的，這稱為電荷的量子化，但由于電荷的最小單元(即電子的最小電量e)是如此之小，使電的量子性在研究宏觀現(xiàn)象的絕大多數(shù)問題中難以表現(xiàn)出來。3.2電磁聯(lián)系的揭示1785年，法國物理學(xué)家?guī)靵鲇门こ訉?shí)驗(yàn)測(cè)定了靜電的相互作用和靜磁的相互作用，在這個(gè)基礎(chǔ)上建立了兩個(gè)相似的公式，即庫侖定律。然而,人們并沒有以此為契機(jī),進(jìn)一步用實(shí)驗(yàn)或其他方法證明電和磁之間的相互聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)化的可能性并得出這種轉(zhuǎn)化的方法和條件。庫侖甚至曾經(jīng)斷言，電與磁是兩種完全不同的實(shí)體，它們之間不可能相互轉(zhuǎn)化。此后的相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，人們便不再期望電與磁之間會(huì)有些什么聯(lián)系了。就連電動(dòng)力學(xué)的奠基人安培(A·M·Amper,1775－1836)和光波長度的第一位測(cè)定者楊(T·Young,1773－1829)都認(rèn)為庫侖的觀點(diǎn)是正確的。安培甚至表示，他寧愿去“證明電和磁是互相獨(dú)立的兩種不同的流體”，而不是相反。楊在他的《自然哲學(xué)講義》中指出：“沒有任何理由去設(shè)想電與磁之間存在任何直接的聯(lián)系。”柳暗花明又一村。1800年，意大利物理學(xué)家伏打發(fā)明的電池，為物理學(xué)研究提供了穩(wěn)定的電流源，標(biāo)志著人類認(rèn)識(shí)電和磁之間的聯(lián)系的時(shí)代已經(jīng)到來。3.2.1奧斯特和電流的磁效應(yīng)

十九世紀(jì)初，康德(I·kant,1724－1804)的基本力和基本力向其他種類的力轉(zhuǎn)化的哲學(xué)思想，對(duì)促進(jìn)物理學(xué)家去尋找電與磁的本質(zhì)聯(lián)系起了積極的作用。丹麥物理學(xué)家奧斯特(H·C·Oersted,1777－1851)堅(jiān)信自然力統(tǒng)一的思想。認(rèn)為電、磁、光、熱等現(xiàn)象之間存在著某種內(nèi)在的聯(lián)系，尤其是富蘭克林發(fā)現(xiàn)的萊頓瓶放電能使鋼針磁化的事實(shí)，更堅(jiān)定了他的上述觀點(diǎn)，為了尋找電與磁之間的聯(lián)系，奧斯特作出了不懈地努力。他在1812年寫的《關(guān)于化學(xué)力和電力的統(tǒng)一的研究》的著作中，提出了這樣的設(shè)想：如果使電流通過直徑較小的導(dǎo)線，導(dǎo)線會(huì)發(fā)熱；若進(jìn)一步縮小導(dǎo)線的直徑，電流會(huì)使導(dǎo)線發(fā)光；進(jìn)而推知，當(dāng)導(dǎo)線直徑小到一定程度，電流將會(huì)產(chǎn)生磁效應(yīng)。應(yīng)該指出，他的這條思路本身是不可取的、錯(cuò)誤的，正是由于這個(gè)錯(cuò)誤，使他走了幾年的坎坷彎道。但他的電能轉(zhuǎn)化為磁的思想?yún)s又是值得稱頌的。從1819年冬至1820年春，奧斯特給一批精通自然哲學(xué)并具有相當(dāng)物理學(xué)知識(shí)的學(xué)者講授有關(guān)自然力統(tǒng)一的課程，使他有機(jī)會(huì)再一次認(rèn)真考慮電與磁的相互轉(zhuǎn)化問題。奧斯特猜想：如果電流能夠產(chǎn)生磁效應(yīng)的話，那么這種效應(yīng)不可能在電流的方向上發(fā)生，因?yàn)樵S多人在這個(gè)方面所作努力的失敗已經(jīng)證明了這一點(diǎn)；這種作用很可能是橫向的。在沒有證實(shí)他的假想之前，他不愿在課堂上公開他的思想。他決定在上課前親自做一次實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的安排，使用了一個(gè)小的伽伐尼電槽裝置，讓電流通過一根直徑很小的鉑絲，在這根鉑絲下面放置一個(gè)封閉在玻璃中的磁羅盤，一切準(zhǔn)備就緒,但一個(gè)意外故障使他想在課前試一下的想法未能如愿，于是他決定另找機(jī)會(huì)再做此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。晚上，當(dāng)他在課堂上講課時(shí)，他突然對(duì)完成上述實(shí)驗(yàn)顯得如此信心十足，以致在大庭廣眾之下貿(mào)然啟動(dòng)了電源。奇跡出現(xiàn)了：他看到磁針受到了擾動(dòng)。由于他使用的電流太弱，加之在電流的磁效應(yīng)未被人們認(rèn)識(shí)之前，磁針的擾動(dòng)顯得沒有規(guī)則，因此這次實(shí)驗(yàn)并沒有給聽眾留下深刻的印象。但深知這種擾動(dòng)背后所包含的巨大意義的奧斯特卻為此興奮不已。在以后的三個(gè)月中，奧斯特深入地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。1820年2月21日他終于在歐洲當(dāng)時(shí)各主要學(xué)刊上以極其簡(jiǎn)潔的文字?jǐn)⑹隽怂膶?shí)驗(yàn)過程和結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)過程中，奧斯特將玻璃、木頭、水、松脂、瓦片、石塊等非磁性物體插在導(dǎo)線與羅盤之間，沒有發(fā)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的磁針與沒有插入這些物體之前有什么不同。甚至當(dāng)磁針浸在裝有水的銅盆里的時(shí)候，磁針在電流的作用下仍然偏轉(zhuǎn)。因此他得出結(jié)論：“電流沖擊只作用在磁性粒子上，所有非磁性物體對(duì)于電流沖擊是可入的。由于磁性物質(zhì)或者磁性粒子阻止這種沖擊通過，因而它們被電流沖擊的沖力帶動(dòng)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)?！眾W斯特又發(fā)現(xiàn)，磁針分別放在導(dǎo)體的上面和下面時(shí)，它的偏轉(zhuǎn)方向正好相反。由此，他直覺地發(fā)現(xiàn)，他所定義的“電流沖擊”含有兩個(gè)性質(zhì)：①它不僅存在于通電導(dǎo)體中，而且存在于通電導(dǎo)體的周圍；②“電流沖擊”沿著以導(dǎo)線為軸線的螺旋線傳播，螺線的螺紋方向幾乎與導(dǎo)線垂直。奧斯特的螺旋線，就是磁的橫向效應(yīng)的直觀描述，后來在畢奧——薩伐爾定律和安培公式中，用積分的環(huán)路代替了螺線，最后又為法拉第在1831年發(fā)展為磁力線的概念。奧斯特的“電流沖擊”雖然純屬思辯中的實(shí)體，它卻有效地避免了使用牛頓等人的超距作用概念。奧斯特是電磁聯(lián)系的第一個(gè)發(fā)現(xiàn)者，他使電磁學(xué)進(jìn)入一個(gè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期。3.2.2安培的分子電流假說

1820年9月11日，剛從瑞士回國的阿拉果(F.Arago,1786－1853)向法國科學(xué)院匯報(bào)了奧斯特的最新發(fā)現(xiàn),深受庫侖電與磁之間沒有必然聯(lián)系思想影響的法國科學(xué)院的院士們大為震驚。之后，他們紛紛重復(fù)了奧斯特的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，既不是庫侖的證明有錯(cuò)誤，也并非奧斯特的發(fā)現(xiàn)不真實(shí)，而是他們自己產(chǎn)生了誤解。庫侖認(rèn)為靜電與靜磁之間不可能產(chǎn)生相互作用，這是在歷史條件限制下產(chǎn)生的帶有局部真理性的假設(shè),伏打電池問世后，物理學(xué)家們理應(yīng)沖破這種局限去尋找電與磁相互作用的條件，即電流或運(yùn)動(dòng)中的帶電體。奧斯特的發(fā)現(xiàn)使他們猛醒過來了。在科學(xué)上最善于吸取他人成功經(jīng)驗(yàn)的安培作出了最迅速的反應(yīng)。安培初步形成了這樣一種思想，即磁的本質(zhì)是電流(或運(yùn)動(dòng)的電荷)。諸如電流和磁體的相互作用、磁體和磁體的相互作用統(tǒng)統(tǒng)歸結(jié)為電流之間的相互作用。因此，在他的電磁理論中，電流和電流之間的相互作用是最基本的，他把這種力稱為“電動(dòng)力”，把研究這種力的理論稱為“電動(dòng)力學(xué)”。安培是一個(gè)分子論者。在1821年1月，提出了著名的分子電流假說。這個(gè)假說的主要內(nèi)容是：電流從分子的一端流出，通過分子周圍的空間，從分子的另一端注入；磁體的電流呈對(duì)稱分布狀,并且所有的分子電流呈規(guī)則的排列。因此對(duì)外顯示宏觀磁性；非磁化分子的電流，由于它們?cè)诿總€(gè)分子周圍都是均勻?qū)ΨQ地分布著，所以非磁體不具備磁性，倘若非磁化分子受到外磁場(chǎng)或電流的作用，它們的電流的對(duì)稱分布狀受到破壞，變得跟磁體的分子一樣，這時(shí)的分子稱為磁化分子。安培分子電流假說不僅能夠用于磁現(xiàn)象的解釋，而且也可以用于化學(xué)化合和化學(xué)親合力的解釋。但這卻成了他的學(xué)說不能被立即和普遍接受的一個(gè)重要原因，因?yàn)榻邮苓@一學(xué)說就意味著接受關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)新的理論。安培在電磁聯(lián)系方面所取得的成就是舉世公認(rèn)的，麥克斯韋曾把安培譽(yù)為：“電學(xué)中的牛頓”。并且認(rèn)為，安培所建立的電磁理論，“它在形式上是完整的，在準(zhǔn)確性方面是無懈可擊的?！?.2.3法拉第和電磁感應(yīng)現(xiàn)象

1821年的一個(gè)偶然機(jī)會(huì)，把法拉第引到電學(xué)研究領(lǐng)域，此后，他便再也沒有放棄過對(duì)于物理學(xué)的研究。當(dāng)他著手研究由電流產(chǎn)生磁力的奇特性質(zhì)時(shí)，奧斯特關(guān)于環(huán)繞載流導(dǎo)線的電沖擊是園形的描述，給他留下了深刻的印象。1821年9月，他把一個(gè)小磁針放在載流導(dǎo)線周圍進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)小磁針有環(huán)繞導(dǎo)線作圓周運(yùn)動(dòng)的傾向。他立即想到，一個(gè)單獨(dú)的磁極將會(huì)圍繞電流作持續(xù)的旋轉(zhuǎn)。他立即對(duì)電進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果他的想法被證實(shí)了。這一次的成功大大鼓舞了法拉第在這一領(lǐng)域里繼續(xù)進(jìn)行深入探索的信心，并引導(dǎo)他想到奧斯特發(fā)現(xiàn)的逆效應(yīng)是否存在的問題，在1822年的日記里寫下了“由電生磁，由磁生電”的大膽設(shè)想，并著手于后一個(gè)轉(zhuǎn)化的艱苦探索。電磁轉(zhuǎn)化的研究工作，使法拉第直覺地意識(shí)到環(huán)繞著載流導(dǎo)線有一個(gè)圓形的作用“線”，他設(shè)想這是當(dāng)電流通過導(dǎo)線時(shí)在導(dǎo)線內(nèi)的分子和周圍的媒質(zhì)中引起的某種“緊張”狀態(tài)，這種狀態(tài)是從張力的源——載流導(dǎo)線向周圍傳播開去的。是否可以合理地猜想，如果這種張力能夠加強(qiáng)和集中，它將能在鄰近的導(dǎo)線內(nèi)引起同樣的緊張狀態(tài)呢？在1821年到1831年間，法拉第曾經(jīng)由于冶煉不銹鋼、改良光學(xué)玻璃和研究氣體的液化而常常中斷這一探索，但還是不時(shí)回到這個(gè)課題上。起初，他試圖用強(qiáng)磁鐵靠近閉合導(dǎo)線或用強(qiáng)電流使鄰近的閉合導(dǎo)線中產(chǎn)生出穩(wěn)定的電流，但都一次次地失敗了。他探尋使磁體產(chǎn)生最大張力的最好形狀是什么，最后得出結(jié)論說，可能是很厚的環(huán)。1831年，他又從美國物理學(xué)家約瑟夫·亨利(J·Henry,1799－1878)用強(qiáng)電磁鐵所作的實(shí)驗(yàn)中受到啟發(fā)，于是就在一個(gè)8/7英寸厚、外徑為6英寸的軟鐵環(huán)上繞上兩個(gè)彼此絕緣的線圈Ａ和Ｂ，Ｂ的兩端用導(dǎo)線連接成閉合回路，在導(dǎo)線的下面放置一個(gè)與導(dǎo)線平行的小磁針；Ａ和一個(gè)電池組相連接在一個(gè)開關(guān)上。法拉第原來設(shè)想，通以強(qiáng)電流的線圈Ａ將成為一個(gè)電磁鐵，產(chǎn)生強(qiáng)大的張力，這張力將通過鐵環(huán)中的粒子傳遞到另一側(cè)，作用于線圈Ｂ使其中產(chǎn)生出電流來。所以他的原初目的還是想由一根通電導(dǎo)線的磁場(chǎng)作用在另一根導(dǎo)線中產(chǎn)生出電流。1831年8月29日法拉第在進(jìn)行這一實(shí)驗(yàn)時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開關(guān)合上有電流通過線圈Ａ的瞬間，小磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。隨后又停到原來的位置上；當(dāng)開關(guān)斷開切斷電流時(shí)，磁針又發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。這表明，一個(gè)電流通過鐵環(huán)介質(zhì)而感應(yīng)出了另一個(gè)電流。這個(gè)實(shí)驗(yàn)通常被稱為電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，但事實(shí)上并非完全如此。因?yàn)榉ɡ陔m然想到了這就是他尋找了將近十年的由磁產(chǎn)生電流的現(xiàn)象，但還沒有明確地領(lǐng)悟到這一現(xiàn)象的暫態(tài)性的本質(zhì)特點(diǎn)。在這個(gè)發(fā)現(xiàn)之后，法拉第立即想到，是否還有其他方法能夠獲得同樣的效應(yīng)，特別是鐵環(huán)和線圈Ａ是不是產(chǎn)生這一效應(yīng)的必要條件。10月17日他在一個(gè)圓紙筒上繞了多層線圈，將一個(gè)圓柱形的磁棒插入線圈的一端，然后把磁棒迅速地放進(jìn)螺線管中，這時(shí)線圈所連的電流計(jì)的指針動(dòng)了；抽出磁棒時(shí)，指針又動(dòng)了，但偏轉(zhuǎn)的方向相反。多次重復(fù)上述過程，得到的結(jié)果都是一樣的。至此，法拉第不僅實(shí)現(xiàn)了由永久磁體產(chǎn)生電流的設(shè)想，而且完全弄明白了這種轉(zhuǎn)化的暫態(tài)性，這是他能夠宣布已經(jīng)證明了奧斯特發(fā)現(xiàn)的逆效應(yīng)的確切日期；1831年11月24日，法拉第在向皇家學(xué)會(huì)提交的一個(gè)報(bào)告中，把這種現(xiàn)象定名為“電磁感應(yīng)”，并概括他觀察到的可以產(chǎn)生感應(yīng)電流的五種類型：變化著的電流；變化的磁場(chǎng)；運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流；運(yùn)動(dòng)的磁鐵；在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體。法拉第之所以能夠取得這一卓越成就，是同他關(guān)于各種自然力的統(tǒng)一和轉(zhuǎn)化的思想密切相關(guān)的。這一點(diǎn)與奧斯特頗有相似之處。正是這種對(duì)于自然界各種現(xiàn)象普遍聯(lián)系的堅(jiān)強(qiáng)信念，支持著他始終不渝地為從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)磁向電的轉(zhuǎn)化而探索不已。相信并力圖揭示自然力的“統(tǒng)一性”這一指導(dǎo)思想是貫穿他整個(gè)研究工作的一條主線。也是在同一思想的指導(dǎo)下，1832年法拉第考察了由不同來源產(chǎn)生的各種形式的電的同一性。法拉第比較了當(dāng)時(shí)所知的伏打電池的電、摩擦電、電磁感應(yīng)電和某些動(dòng)物電的各種物理效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)后認(rèn)為：這些不同來源的電,本質(zhì)上是完全相同的，只是程度上有所差別而已。應(yīng)該指出，關(guān)于電磁感應(yīng)的探索，在當(dāng)時(shí)是具有國際性的。除了安培和法拉第等人之外，日內(nèi)瓦年輕的科拉頓(J·D·Collcdon,1802－1892)在1823年曾試圖用一塊磁鐵在螺線管中移動(dòng)使線圈中產(chǎn)生出感應(yīng)電流。為了排除磁鐵移動(dòng)對(duì)靈敏電流計(jì)的影響，他用很長的導(dǎo)線把連接于螺線管的電流計(jì)放在另一個(gè)房間內(nèi)，他在兩個(gè)房間里來回跑動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和觀察，結(jié)果是什么也沒有觀察到。美國物理學(xué)家亨利在這一時(shí)期同樣提出了磁能不能生電的問題。1829年他在實(shí)驗(yàn)電磁鐵的提舉力并用這種裝置進(jìn)行電報(bào)機(jī)的早期實(shí)驗(yàn)時(shí)，意外地觀察到了通電線圈在斷開電源時(shí)所產(chǎn)生的強(qiáng)烈的電火花。1830年8月，他繼續(xù)對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了研究。他將一個(gè)線圈連接到電流計(jì)上，把線圈放在電磁鐵的兩端之間，發(fā)現(xiàn)在電磁鐵接通和斷開電流時(shí)，電流計(jì)的指針都會(huì)突然發(fā)生偏轉(zhuǎn)。由于繁重的教學(xué)工作，他的實(shí)驗(yàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)。直到1832年6月他大致獲知法拉第的工作之后，才重新進(jìn)行了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，并于1832年7月匆忙地發(fā)表了一篇論文，敘述了他在聽到法拉第的研究工作之前和以后所作的實(shí)驗(yàn)。關(guān)于感應(yīng)電流的方向，法拉第只是有過一些零碎的敘述，德國物理學(xué)家楞茨(H·F·E·leng,1804－1865)在獲悉法拉第的發(fā)現(xiàn)之后，很快考察了電磁感應(yīng)現(xiàn)象的全過程。1832年11月，他得出了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與繞組導(dǎo)線的材料和直徑無關(guān)，也與線圈的直徑無關(guān)的結(jié)論。1833年11月，他又得出了著名的“楞次定律”，明確提出了確定感應(yīng)電流方向的基本法則。按照該定律，感生電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用，總是補(bǔ)償施感磁場(chǎng)的變化，即阻礙施感磁場(chǎng)的變化。楞次定律本質(zhì)上正是電磁感應(yīng)現(xiàn)象符合能量轉(zhuǎn)換與守恒定律的具體表現(xiàn)。英國物理學(xué)家麥克斯韋(J·C·Maxwell,1831－1879)將奧斯特、安培、法拉第等人所揭示的電磁關(guān)系進(jìn)行理論上的概括和總結(jié)，1862年，麥克斯韋在傳導(dǎo)電流的基礎(chǔ)上引入位移電流的概念，提出了比法拉第“電生磁，磁生電”的思想更為精當(dāng)?shù)摹敖蛔冸妶?chǎng)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)產(chǎn)生交變電場(chǎng)”的觀點(diǎn)。1865年在其“電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論”的論文中，不但形成了統(tǒng)一磁和電現(xiàn)象的電磁場(chǎng)理論，而且指出了光也是電磁波，并從理論上導(dǎo)出了電磁波的傳播速度即為光速。其后，經(jīng)過麥克斯韋本人和其他物理學(xué)家們的共同努力，使電磁場(chǎng)理論更趨完善。至此，人類終于走完了將磁電和光現(xiàn)象統(tǒng)一起來的艱難歷程。電磁場(chǎng)理論的建立和完善，不僅使電磁現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，而且為將自然界各種力(相互作用)統(tǒng)一起來的設(shè)想帶來了希望和信心。目前，電磁力和弱力的統(tǒng)一已取得成功；將電磁作用、弱作用和強(qiáng)作用統(tǒng)一起來的“大統(tǒng)一”理論亦正在積極探索之中；人們已有將已知的四種相互作用統(tǒng)一起來的“超統(tǒng)一理論”的設(shè)想。歷史的進(jìn)程表明，用統(tǒng)一的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)微觀、宏觀和宇觀世界，是物理學(xué)，也是各種自然科學(xué)中最富挑戰(zhàn)意義的課題之一。

3.3電磁場(chǎng)理論的建立庫侖定律與萬有引力定律的驚人相似，促使人們將引力領(lǐng)域的超距作用思想移接到電磁領(lǐng)域中。由此開始，超距作用的思想和方法便在電磁領(lǐng)域中迅速擴(kuò)展，并取得了一系列豐碩成果。其中又以法國的安培所取得的成就最為世人矚目。安培實(shí)際上是想仿照力學(xué)的理論結(jié)構(gòu)來建立電磁理論的。因此，他認(rèn)為最核心的概念應(yīng)該是與質(zhì)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的作為實(shí)體的電流元以及它們之間能超距作用的有心力。他把自己的理論取名為“電動(dòng)力學(xué)”。安培的電動(dòng)力學(xué)，作為將當(dāng)時(shí)所知道的一切電磁現(xiàn)象用超距有心力的作用來說明的理論，的確十分出色。但是，運(yùn)用建立在超距有心力基礎(chǔ)上的安培理論來解釋1831年法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象時(shí)，卻顯得力不從心。正當(dāng)精通數(shù)學(xué)的大陸派物理學(xué)家們遵循超距作用思想滿懷信心地向電磁學(xué)理論高峰邁進(jìn)的時(shí)候，海峽對(duì)岸的一位只有初等數(shù)學(xué)知識(shí)但富有哲學(xué)頭腦的物理學(xué)家卻悄無聲息地開辟了電磁學(xué)研究的新方向。他就是法拉第。3.3.1法拉第關(guān)于場(chǎng)的思想

法拉第是偉大的英國 物理學(xué)家，生于1791年9月 22日,他父親是一個(gè)鐵匠。由于家境貧寒，他十二歲就去倫敦謀生，當(dāng)了一年報(bào)童，后又到一家書店當(dāng)裝訂工。由于一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，法拉第成了英國大化學(xué)家戴維的助手，并在化學(xué)領(lǐng)域取得了一系列成果，1820年以后，法拉第從化學(xué)領(lǐng)域轉(zhuǎn)到物理學(xué)方面。提出場(chǎng)的觀點(diǎn)是法拉第對(duì)于物理學(xué)發(fā)展作出的最偉大貢獻(xiàn)之一。從法拉第開始到現(xiàn)在，對(duì)場(chǎng)的本質(zhì)認(rèn)識(shí)基本上有三種看法：一種是力場(chǎng)，如磁力場(chǎng)，電力場(chǎng)和重力場(chǎng)等；另一種是實(shí)體場(chǎng)，如認(rèn)為場(chǎng)是物質(zhì)的一種表現(xiàn)形式；再一種就是實(shí)在場(chǎng)，即場(chǎng)為實(shí)在或萬物之本源，如認(rèn)為物質(zhì)是場(chǎng)的凝聚或密度大的地方。法拉第對(duì)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)過程經(jīng)歷了前兩個(gè)階段。法拉第關(guān)于力場(chǎng)的概念是在他用在空間中傳遞和分布的磁力線觀點(diǎn)解釋電磁感應(yīng)現(xiàn)象的過程中形成的。法拉第通過一系列實(shí)驗(yàn)后認(rèn)識(shí)到，電力和磁力可以脫離發(fā)射它的物體而獨(dú)立地存在于空間，并有傳遞的時(shí)間和過程。法拉第于1832年3月12日交給英國皇家學(xué)會(huì)存檔的密封信清楚地表明了這一點(diǎn)(該信于1938年才啟封公開)：“前不久在皇家學(xué)會(huì)上宣讀了題為《對(duì)電作的實(shí)驗(yàn)工作》的兩篇論文，文中所介紹的一些研究成果，以及由于其他觀點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)而產(chǎn)生的一些問題，使我得出結(jié)論：磁作用的傳播需要時(shí)間，即當(dāng)一個(gè)磁鐵作用于另一個(gè)遠(yuǎn)處的磁鐵或者一塊鐵時(shí)，產(chǎn)生作用的原因(我以為可以稱之為磁)是逐漸地從磁體傳播開去的；這種傳播需要一定時(shí)間，而這個(gè)時(shí)間顯然是非常短的。我還認(rèn)為，電感應(yīng)也是這樣傳播的。我認(rèn)為磁力從磁極出發(fā)的傳播類似于水面上波紋的振動(dòng)或者空氣粒子的聲振動(dòng)?！边@樣，法拉第便建立起一種不同于超距作用理論的電磁近距作用定性理論。由于企圖用力學(xué)的圖象來解釋電磁現(xiàn)象，使得法拉第的“場(chǎng)”觀念中包含了許多機(jī)械唯物論的觀點(diǎn)。但是,他所提出的嶄新的場(chǎng)的概念為電磁場(chǎng)理論的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)卻是不可否認(rèn)的。法拉第關(guān)于力線場(chǎng)的概念對(duì)于電磁學(xué)的發(fā)展以及整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展都是很有影響的。幾十年后，J.J.湯姆遜評(píng)論說：“在法拉第的許多偉大的貢獻(xiàn)之中，最偉大的一個(gè)就是力線概念了，我想電場(chǎng)和磁場(chǎng)的許多性質(zhì)借助它就可以最簡(jiǎn)明而富有啟發(fā)性地表示出來。”愛因斯坦也曾給予法拉第的工作以高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為法拉第在電學(xué)中的地位，相當(dāng)于伽利略在力學(xué)中的地位。愛因斯坦尤其稱贊了法拉第所建立的“場(chǎng)”的新概念：“這樣就奠定了同牛頓的物理學(xué)原則上不同的物理學(xué)的基礎(chǔ)，同時(shí)在邏輯的一貫性上明顯地超過牛頓的物理學(xué)。因此相對(duì)論不過是場(chǎng)論的下一個(gè)發(fā)展階段?！敝茖W(xué)史家丹麥爾(Darpiel)也指出：“法拉第奠定了實(shí)用電學(xué)的三大部門，即電化學(xué)、電磁感應(yīng)與電磁波的基礎(chǔ)。而且他堅(jiān)持主張電磁場(chǎng)具有極大的重要性，這也是現(xiàn)代物理學(xué)理論有關(guān)電的方面的歷史起點(diǎn)。”

3.3.2麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論

麥克斯韋(J·C·Maxwell, 1831－1879)的電磁場(chǎng)理論 是十九世紀(jì)物理學(xué)中最偉大的成就，是繼牛頓力學(xué)之后物理學(xué)史上的又一具有劃時(shí)代意義的事件。麥克斯韋是從非超距作用的角度出發(fā)探討電磁理論的。麥克斯韋建立電磁場(chǎng)理論的工作主要是通過下面四個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)的：(1)1855－1856年，發(fā)表《論法拉第力線》。它是麥克斯韋研究電磁場(chǎng)理論的第一篇重要論文，也是麥克斯韋試圖用數(shù)學(xué)工具表達(dá)法拉第學(xué)說的開端，同時(shí)也是把法拉第的概念和湯姆遜的數(shù)學(xué)類比相聯(lián)系的初步嘗試。經(jīng)過麥克斯韋的努力，電磁感應(yīng)現(xiàn)象變得十分簡(jiǎn)單明確：通過曲面的磁力線數(shù)的變化，決定了周界上的電動(dòng)力，從而引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。(2)1861－1862年，發(fā)表《論物理力線》的論文。在這篇論文中，麥克斯韋精心設(shè)計(jì)了電磁作用的力學(xué)模型。麥克斯韋原本打算根據(jù)近距作用觀點(diǎn)設(shè)計(jì)一種充滿空間的媒質(zhì)，用以說明法拉第所設(shè)想的磁力線的應(yīng)力性質(zhì)，他在文中寫道：“我的目的是研究媒質(zhì)中的張力和運(yùn)動(dòng)的某些狀態(tài)的力學(xué)效果，并將它們與所觀察到的磁和電的現(xiàn)象作比較，來澄清考察(磁力線)方面的方法”。后來，麥克斯韋將他的力學(xué)模型擴(kuò)展到說明電現(xiàn)象，在這個(gè)過程中浮現(xiàn)出電位移的變化可看作電流的一部分以及光是媒質(zhì)中起源于電磁作用的橫波等新的認(rèn)識(shí),揭示了隱藏在現(xiàn)象深處的本質(zhì),建立了全部電科學(xué)主要現(xiàn)象之間的聯(lián)系。他所建立的力學(xué)模型體現(xiàn)了麥克斯韋豐富的想象力和堅(jiān)定不移貫徹始終的近距作用觀念，尋找各種現(xiàn)象之間的內(nèi)在聯(lián)系,提供統(tǒng)一的解釋。不僅如此，更重要的還在于通過表面的關(guān)聯(lián)，挖掘出更深層次的內(nèi)在本質(zhì)，形成新的概念和認(rèn)識(shí)。在該文的最后部分“應(yīng)用于靜電的分子渦旋理論”中，麥克斯韋將他的渦旋假設(shè)用于靜電現(xiàn)象，指出：“我們應(yīng)該建立全部電科學(xué)主要現(xiàn)象之間的聯(lián)系?！彼僭O(shè)分子渦旋具有彈性，當(dāng)分子渦旋之間的粒子層受到電力而位移時(shí)，給以渦旋切面力，使之變形，而形變的渦旋則報(bào)以來自渦旋彈性的大小相等、方向相反的反作用力。當(dāng)激發(fā)粒子的力撤消時(shí)，渦旋回復(fù)原來的形狀，粒子也回到原來位置。這樣帶電體之間的力可歸結(jié)為由于彈性形變?cè)诿劫|(zhì)中貯存的勢(shì)能，而磁力則歸結(jié)為貯存的轉(zhuǎn)動(dòng)能。由此可以得出兩個(gè)驚人的結(jié)論：①導(dǎo)體周圍的電粒子現(xiàn)在可以作彈性位移，變化的電流不再象管中的流水那樣限制起來，它能夠以一定的分量進(jìn)入導(dǎo)線周圍的空間。這就是麥克斯韋對(duì)“位移電流”的最初認(rèn)識(shí)。并得出：②在任何具有密度ρ和切變模量ｍ的彈性媒質(zhì)中，可以傳播速度為的橫波，據(jù)此，麥克斯韋得出了“光是媒質(zhì)中起源于電磁現(xiàn)象的橫波”的結(jié)論。(3)1865年，發(fā)表《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》的論文。作為一個(gè)偉大的理論物理學(xué)家，當(dāng)他建立了電磁現(xiàn)象的完整的力學(xué)模型，把握住了隱藏在紛繁復(fù)雜的電磁現(xiàn)象背后浮現(xiàn)出來的某些本質(zhì)特征之后，便放棄了牽強(qiáng)的磁渦旋和惰輪性電粒子的構(gòu)想，在實(shí)驗(yàn)事實(shí)和普遍的動(dòng)力學(xué)原理的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)全新的理論框架——電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論。麥克斯韋首先評(píng)論了韋伯等人的超距作用電磁理論的成就及其在機(jī)制上的根本困難，指出不能把超距作用理論作為最終的理論，他“寧愿尋求對(duì)事實(shí)的另一種解釋”，即假設(shè)電磁作用是“經(jīng)由周圍介質(zhì)引起的”。麥克斯韋明確指出：“我所提議的理論可以稱為電磁場(chǎng)的理論，因?yàn)樗僭O(shè)在該空間存在著運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)，導(dǎo)致可觀察的電磁現(xiàn)象”。進(jìn)而，麥克斯韋從各個(gè)角度闡明了電磁場(chǎng)的含義，他指出：“電磁場(chǎng)是包含著圍繞和處于電磁狀態(tài)的物體的那一部分空間”，它是“一種彌漫的介質(zhì)，密度很小”，它的各部分的運(yùn)動(dòng)是“相互聯(lián)系”的，這種聯(lián)系“要占用空間”，“并非同時(shí)的”，它“能夠接收和存儲(chǔ)兩種能量”，即與它的“運(yùn)動(dòng)”有關(guān)的能量以及勢(shì)能，該文還討論了電磁感應(yīng)問題，得出了描述電緊張狀態(tài)的具有動(dòng)量意義的矢量勢(shì)，接著建立了電磁場(chǎng)的普遍方程組，它可以簡(jiǎn)明地表示為以下8個(gè)方程：a.總電流方程：b.磁力方程：c.電流方程：d.電動(dòng)力方程：f.電阻方程：g.自由電荷方程：h.連續(xù)性方程：e.電彈性方程：上述八個(gè)方程中，前6個(gè)為矢量方程，所以總共是20個(gè)方程。只要已知問題的初始、邊界等條件，對(duì)于出現(xiàn)在方程中的變量、、、、、和e、(共20個(gè))，方程有確定的解。也就是說，方程組是完備的。在該文的后面幾部分，麥克斯韋廣泛地討論了各種電磁現(xiàn)象，如場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)載流導(dǎo)體，磁體以及帶電體的機(jī)械作用力，靜電效應(yīng)的測(cè)量，電容和電吸收，電磁波的性質(zhì)和電磁振動(dòng)在晶體媒質(zhì)中的傳播，以及電磁感應(yīng)系數(shù)的計(jì)算等等。在場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的載流導(dǎo)體、磁體以及帶電體的機(jī)械作用部分，麥克斯韋從感應(yīng)公式導(dǎo)出了作用于載流導(dǎo)體上機(jī)械力的安培力公式，作用于磁體的機(jī)械力的磁庫侖定律和作用于帶電體的機(jī)械力的電庫侖定律。在光的電磁理論部分，麥克斯韋從上述電磁場(chǎng)的普遍方程組證明了電磁場(chǎng)擾動(dòng)以波的形式傳播，在真空中電磁波的傳播速度等于光速Ｃ，并且證明了電磁波只可能是橫波。所有這些，充分顯示了麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的極大成功。(4)1873年，麥克斯韋出版了電磁場(chǎng)理論的經(jīng)典著作《論電和磁》。在這部巨著中，麥克斯韋更為徹底地應(yīng)用動(dòng)力學(xué)原理發(fā)展了他的動(dòng)力學(xué)理論體系，使得他的電磁場(chǎng)理論更加完善，基礎(chǔ)更為堅(jiān)實(shí)，并從數(shù)學(xué)上證明了方程組的解的唯一性，從而表明他的理論是能夠正確地反映電磁場(chǎng)的客觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的系統(tǒng)理論。19世紀(jì)中葉，絕大多數(shù)自然科學(xué)家受機(jī)械論的自然觀所束縛，將一切自然過程都?xì)w結(jié)為力學(xué)過程，企圖用力學(xué)的基本原理解釋自然界的一切現(xiàn)象。例如安培、韋伯、諾埃曼等人都無一例外地按照牛頓經(jīng)典力學(xué)的原理和模型來考慮電磁運(yùn)動(dòng)。即令是另辟蹊徑的法拉第，也只是唯象地描述了電磁現(xiàn)象，而并無超出力學(xué)原理的新的出發(fā)點(diǎn)。但是，在麥克斯韋的研究中，卻已出現(xiàn)了偏離經(jīng)典力學(xué)的變異思想與方法，也即是介于傳統(tǒng)力學(xué)思想方法與場(chǎng)論思想方法之間的過渡思想方法。這突出地表現(xiàn)在麥克斯韋已將理論問題的部分出發(fā)點(diǎn)從力學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶艑W(xué)本身。這不僅是電磁學(xué)理論發(fā)展史上的一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而且也是整個(gè)物理學(xué)史乃至人類科學(xué)思想史上的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。雖然場(chǎng)論思想的真正獨(dú)立要到洛侖茲理論中才得以實(shí)現(xiàn)，但定量的獨(dú)立場(chǎng)論思想?yún)s由麥克斯韋邁出了第一步。3.3.3麥克斯韋的科學(xué)思想方法

麥克斯韋用類比研究的方法，為法拉第力線做了精確的數(shù)學(xué)描述，并以電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)原理為依據(jù)，在前人成果的基礎(chǔ)上通過自己的艱苦努力，最終建立起電磁場(chǎng)方程組。麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立，為我們提供了豐富的方法論的教益和啟迪。1.用類比方法揭示物理現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系

類比通常指對(duì)兩類對(duì)象在性質(zhì)或關(guān)系方面的相似性進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上做出推斷，由一類對(duì)象已知的屬性和關(guān)系，而達(dá)到對(duì)另一類對(duì)象的某種未知屬性和關(guān)系的推測(cè)。所以它是一種從特殊到特殊的思維方式。在科學(xué)研究中起著觸類旁通、啟迪思維、為新的科學(xué)探索開辟道路的重要作用。麥克斯韋指出：“物理類比的意思是利用一種科學(xué)定律和另一種科學(xué)定律之間的部分類似性，用它們中的一個(gè)去說明另一個(gè)?！薄邦惐仁墙⒃趦深惗稍跀?shù)學(xué)形式上相似的基礎(chǔ)上。”類比可以溝通不同領(lǐng)域的研究方法，可以在解析的抽象形式和假設(shè)之間提供媒介，還可以啟發(fā)新的物理思想，幫助人們?nèi)フJ(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)一些尚待研究的物理過程的規(guī)律。麥克斯韋通過把電場(chǎng)和流速場(chǎng)類比，在對(duì)法拉第力線作出了精密的數(shù)學(xué)處理的基礎(chǔ)上，他依據(jù)電磁學(xué)的一些基本原理(如歐姆定律、安培環(huán)路定理等)，確立了各電磁電量之間的相互聯(lián)系，采用通量、環(huán)流、散度、旋度等具有明確定義的量，來描述電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間中的變化情況，并建立起電磁場(chǎng)的基本方程。2.用精確的數(shù)學(xué)語言建立電磁場(chǎng)理論

簡(jiǎn)明精確的數(shù)學(xué)語言是表述科學(xué)概念、科學(xué)理論的重要形式，是科學(xué)發(fā)展的要求，也是科學(xué)成熟的標(biāo)志之一。正如馬克思所說：“一門科學(xué)只有成功運(yùn)用數(shù)學(xué)時(shí)，才算達(dá)到了完善的地步?！彪S著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展已日趨定量化，只有定量化的數(shù)學(xué)描述才能經(jīng)得起在量上的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，也才能從量的細(xì)微差別上尋找理論的不足之處和改進(jìn)辦法。麥克斯韋憑借他深厚的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和嫻熟的數(shù)學(xué)技巧，將他的思想、模型和圖象最終表述為電磁場(chǎng)的基本方程組。麥克斯韋在《論法拉第力線》中，用數(shù)學(xué)語言表述了法拉第的電緊張態(tài)和力線概念，引進(jìn)了感生電場(chǎng)概念，推導(dǎo)出了感生電場(chǎng)與變化磁場(chǎng)的關(guān)系。他在《論物理力線》中，借助于分子渦旋模型，推導(dǎo)出渦旋物質(zhì)中波以光速傳播的公式，揭示了電磁現(xiàn)象與光現(xiàn)象的聯(lián)系，做出了光是電磁波的預(yù)言。他在《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》中，確立了場(chǎng)的概念，引進(jìn)了位移電流概念，按照電磁學(xué)的基本原理(高斯定理、電荷守恒定律)推導(dǎo)出全電流定理，最后建立起電磁場(chǎng)的基本方程。用精確而定量的數(shù)學(xué)語言描述物理觀念在麥克斯韋的工作中得到了充分體現(xiàn)。他用數(shù)學(xué)公理化的方法對(duì)前人的成果加以綜合整理，使理論系統(tǒng)化、形式化、規(guī)范化，他的電磁場(chǎng)方程組就是科學(xué)理論公理化的典范。在《物理學(xué)的進(jìn)化》一書中，愛因斯坦和英費(fèi)爾德評(píng)論說：“這些方程的提出是牛頓時(shí)代以來物理學(xué)上一個(gè)最重要的事件，這不僅是因?yàn)樗膬?nèi)容豐富，并且還因?yàn)樗鼧?gòu)成了一種新型定律的典范?！敝档弥赋龅氖?，麥克斯韋作為數(shù)學(xué)物理學(xué)的大師，是非常重視數(shù)學(xué)理論與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的。他說：“把數(shù)學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究聯(lián)合使用所得到的物理科學(xué)知識(shí)，比之一個(gè)單純的實(shí)驗(yàn)人員或者單純的數(shù)學(xué)家能具有的知識(shí)更加緊實(shí)、有益而牢固。”1874年他創(chuàng)建了世界上聞名的“卡文迪什實(shí)驗(yàn)室”并親自擔(dān)任了首屆主任，樹立起良好學(xué)風(fēng)。他在就職演說中說：“習(xí)慣的用具——鋼筆、墨水和紙張——將是不夠的了,我們將需要比教室更大的空間,將需要比黑板更大的面積?！边@是對(duì)當(dāng)時(shí)在保守的英國大學(xué)里還占統(tǒng)治地位的所謂“粉筆”物理學(xué)的嚴(yán)厲駁斥。他把實(shí)驗(yàn)室看成“科學(xué)評(píng)論的學(xué)?！?倡導(dǎo)用集體的力量來完成科學(xué)研究工作。這正是未來自然科學(xué)研究方法的基本形式和萌芽。麥克斯韋與法拉第是近代電磁學(xué)史上的兩顆巨星，他們都在電磁學(xué)領(lǐng)域取得了極大的成功。雖然他們兩人的科學(xué)方法與科學(xué)風(fēng)格迥然不同，然而麥克斯韋并不因此貶低法拉第的風(fēng)格。他曾說：“因?yàn)槿藗兊男撵`各有不同的類型，科學(xué)的真理也應(yīng)當(dāng)以種種不同的形式來表現(xiàn)。不管他以粗豪的物理方式說明其生動(dòng)的顏色也好，還是以一種樸素?zé)o味的符號(hào)表現(xiàn)也好，都應(yīng)當(dāng)被當(dāng)作是同樣科學(xué)的。”麥克斯韋終身都保持著謙遜謹(jǐn)慎的高尚品格。他曾認(rèn)為，他自己與法拉第相比，只不過是一只筆，寫出了法拉第那些杰出的科學(xué)思想。愛因斯坦曾把他們兩人稱作科學(xué)上的伴侶，就像當(dāng)年天文學(xué)上的第谷和開普勒一樣。愛因斯坦還深刻地闡述了麥克斯韋對(duì)物理實(shí)在觀念發(fā)展的影響。他說：“相信有一個(gè)離開知覺主體而獨(dú)立的外在世界，是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)。”但是人們關(guān)于物理實(shí)在的觀念決不是不變的。事實(shí)上，它在歷史進(jìn)程中已經(jīng)經(jīng)歷了影響深遠(yuǎn)的變化。愛因斯坦指出：在牛頓的觀點(diǎn)中，質(zhì)點(diǎn)是我們表示實(shí)在的唯一形式，是實(shí)在的唯一代表。這種觀點(diǎn)本質(zhì)上是原子論的和機(jī)械論的。一切事件都要用機(jī)械的方式來解釋——也就是說，完全要被解釋為按照牛頓運(yùn)動(dòng)定律的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。然而，在法拉第和麥克斯韋的觀點(diǎn)中，物理實(shí)在是由連續(xù)的場(chǎng)來表示的，不能對(duì)它作機(jī)械論的解釋。實(shí)在概念這一變革，是物理學(xué)自牛頓以來的一次最深刻和最富有成效的變革。愛因斯坦還評(píng)述道：“自從牛頓奠定理論物理學(xué)的基礎(chǔ)以來，物理學(xué)的公理基礎(chǔ)——換句話說，就是我們關(guān)于實(shí)在的結(jié)構(gòu)的概念——的最偉大的變革，是由法拉第和麥克斯韋在電磁現(xiàn)象方面的工作而引起的?！绷孔诱摰膭?chuàng)立者普朗克也指出：“麥克斯韋的名字將永遠(yuǎn)鐫刻在經(jīng)典物理學(xué)家的門扉上，永放光芒。從出生地來說，他屬于愛丁堡；從個(gè)性來說，他屬于劍橋大學(xué)；從功績來說，他屬于全世界?！?.3.4赫茲對(duì)麥克斯韋理論的驗(yàn)證與發(fā)展

麥克斯韋的理論發(fā)表后，并沒有被人們所普遍接受，在許多人的眼中，麥克斯韋理論在數(shù)學(xué)上太復(fù)雜、太難懂。對(duì)于那些試圖理解它的人來說，又覺得麥克斯韋引入的一系列新概念有些混亂。正是在這樣的情況下，從1870年起亥姆霍茲著手試探各種電磁學(xué)理論是否存在可以統(tǒng)一的基礎(chǔ)，作為能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的發(fā)現(xiàn)者，他很快發(fā)現(xiàn)韋伯電動(dòng)力學(xué)與能量守恒定律相違，首先否定了它。接著，他又認(rèn)識(shí)到，如果麥克斯韋電磁場(chǎng)理論正確的話，那么諾埃曼的電動(dòng)力學(xué)就可以作為麥克斯韋理論的一種特殊情況。例如，可以把閉合電路當(dāng)作有電容器電路的一個(gè)特例。但是，這首先必須證明麥克斯韋假設(shè)的位移電流的存在。據(jù)此，亥姆霍茲在1879年以“用實(shí)驗(yàn)建立電磁力和絕緣體介質(zhì)的極化的關(guān)系”為題，設(shè)置了柏林科學(xué)院獎(jiǎng)，這個(gè)命題由三條假設(shè)組成：①如果位移電流存在，必定會(huì)產(chǎn)生磁效應(yīng)；②變化的磁力應(yīng)該能使絕緣體介質(zhì)產(chǎn)生位移電流；③在真空中上述兩條假設(shè)同樣成立。亥姆霍茲后來考慮到第三條假設(shè)的證明太難，就把它刪掉了。這個(gè)命題成為當(dāng)時(shí)還是亥姆霍茲的學(xué)生的赫茲(H·Herty,1857－1894)驗(yàn)證麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的出發(fā)點(diǎn)。赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)包括三個(gè)方面：1．證實(shí)麥克斯韋假設(shè)的位移電流

1885年，赫茲受聘擔(dān)任卡爾斯 魯高等工業(yè)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)物理學(xué) 教授。他發(fā)現(xiàn)該校實(shí)驗(yàn)室里有一 種名為里斯（Riess）螺管的振蕩線圈,這種線圈有初級(jí)和次級(jí),若給初級(jí)線圈輸入一脈動(dòng)電流,在次級(jí)線圈的端隙里便會(huì)產(chǎn)生電火花.赫茲意識(shí)到這是電流振蕩感應(yīng)的結(jié)果。他又發(fā)現(xiàn)，如果調(diào)整初級(jí)與次級(jí)線圈的相對(duì)位置，火花會(huì)有明顯變化，甚至次級(jí)線圈在某些位置上根本不產(chǎn)生電火花。他由此聯(lián)想到，如果在振蕩線圈附近放一塊介質(zhì)，交變電磁力將使介質(zhì)極化而產(chǎn)生位移電流，位移電流產(chǎn)生出新的電磁作用，迭加在原來的電磁場(chǎng)上,這樣就會(huì)使火花隙重新冒出火花。

1887年，赫茲按照上述思路設(shè)計(jì)了一臺(tái)“感應(yīng)秤”。赫茲先后將制成厚板的瀝青、紙、干木、砂石以及用橡皮槽盛好的45公斤汽油移近“感應(yīng)秤”，預(yù)料中的情況果然發(fā)生了——這就間接證實(shí)了位移電流的存在。赫茲將他的這一成果總結(jié)在他的《論在絕緣體中電過程引起的感應(yīng)現(xiàn)象》一文中。2．證實(shí)電磁波的傳播速度等于光速

證明了位移電流的存在并不足以說明電磁波的存在，因?yàn)樗瑯涌梢越忉尀槌嚯姶帕ψ饔玫慕Y(jié)果。在赫茲之前，法拉第和亥姆霍茲也曾試圖測(cè)量磁力傳遞速度或電磁波速，但都由于對(duì)電磁波的巨大傳播速度估計(jì)不足，使用的方法過于直接而歸于失敗。1888年3月，赫茲在進(jìn)行電磁波速的測(cè)量時(shí)，吸收了前人失敗的教訓(xùn)，不去直接測(cè)量波速，而是用駐波方法先測(cè)出駐波波節(jié)長，又根據(jù)麥克斯韋電磁波速等于光速的結(jié)論，算出該電磁波的振蕩周期，然后他又用湯姆遜在1853年確立的振蕩器振蕩周期公式，計(jì)算出他所使用的偶極振蕩器的振蕩周期。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在考慮了測(cè)量誤差以后，兩者相等，從而肯定了電磁波速等于光速。3．證明電磁波與光波具有同一性

赫茲在1888年完成了電磁波速等于光速的證明后，繼續(xù)尋求電磁波與光波同一性的實(shí)驗(yàn)證明。他用一根直徑為3cm，長為26cm的偶極振蕩器發(fā)射電磁波，該波經(jīng)鏡面反射后，形成波長為66cm的短波駐波，他又用金屬面使電磁波作45°的反射,用高為2ｍ，孔徑為1.2m的金屬拋物面使電磁波聚焦，用金屬柵使電磁波偏振,用一個(gè)硬瀝青大棱鏡使電磁波折射等。結(jié)果，光波所具有的一切物理性質(zhì)在電磁波上都顯示了出來。這就充分證實(shí)了麥克斯韋關(guān)于光是一種電磁波的預(yù)言，從實(shí)驗(yàn)上給予麥克斯韋理論以強(qiáng)有力的支持。赫茲實(shí)驗(yàn)同時(shí)也為人類利用電磁波奠定了基礎(chǔ)。在赫茲宣布他的發(fā)現(xiàn)后不到6年，意大利工程師馬可尼(G·Marcom,1874－1937年)和俄國的波波夫(A·S·Popov,1859－1906年)分別實(shí)現(xiàn)了無線電遠(yuǎn)距離傳播，并很快投入實(shí)際應(yīng)用。其他無線電技術(shù)也如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，無線電報(bào)(1894年)、無線電廣播(1906年)、導(dǎo)航(1911年)、無線電話(1916年)、短波通訊(1921年)、傳真(1923年)等以及現(xiàn)在的無線電搖控、遙測(cè)、衛(wèi)星通訊等各種技術(shù)的發(fā)明，可以說都是赫茲實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物。赫茲在電磁學(xué)理論方面的研究同樣成就顯著。麥克斯韋理論中包含20個(gè)方程，、、、、 在方程中看起來似乎處于同等的地位。赫茲認(rèn)為真空以太中的麥克斯韋電磁場(chǎng)方程可以概括為如下四個(gè)基本方程：其中只有和在方程式中是基本的物理量，而且不管是在以太中還是在物質(zhì)中，和都處于同等地位。這實(shí)際上表明，和是標(biāo)志電磁場(chǎng)的基本物理量，不管是在物質(zhì)中還是在以太中情況都一樣。赫茲還提高了麥克斯韋方程的獨(dú)立性。麥克斯韋電磁場(chǎng)理論是通過假設(shè)性的以太準(zhǔn)力學(xué)模型而導(dǎo)出的，在赫茲看來，由于人們對(duì)以太的結(jié)構(gòu)毫無所知，因此電磁場(chǎng)理論與其從以太的力學(xué)模型出發(fā)，還不如直接從麥克斯韋方程式出發(fā)，“所謂麥克斯韋理論就是麥克斯韋的一組方程式”，赫茲對(duì)麥克斯韋理論的這一理解，是電磁場(chǎng)理論觀念方面的一次躍進(jìn)，是從電磁場(chǎng)的以太媒質(zhì)屬性解釋到電磁場(chǎng)的獨(dú)立實(shí)體解釋的一個(gè)中間環(huán)節(jié)。赫茲雖然還沒能從物質(zhì)實(shí)在性的角度理解電磁場(chǎng)的獨(dú)立性，但是卻已從數(shù)學(xué)方程式與基本物理量的角度，也即從觀念上，間接猜測(cè)到了電磁場(chǎng)的獨(dú)立性，從而向現(xiàn)代場(chǎng)論思想邁出了一大步。3.3.5洛侖茲對(duì)電磁場(chǎng)理論的貢獻(xiàn)

赫茲的實(shí)驗(yàn)雖然證實(shí)了麥克斯韋理論本身的正確性，但是它卻并沒有結(jié)束場(chǎng)論思想的發(fā)展歷程，麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的內(nèi)在矛盾與物理實(shí)質(zhì)尚待洛侖茲(H·A·Lorentz,1853－1928)進(jìn)一步甄別和明確。在洛侖茲進(jìn)入電磁學(xué)領(lǐng)域的時(shí)候,電磁學(xué)領(lǐng)域中已存在明顯對(duì)立的兩種研究傳統(tǒng)：從法拉第、麥克斯韋到赫茲的近距作用思想和以安培、韋伯、諾埃曼等人為代表的超距作用思想。近距作用理論認(rèn)為，電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)是連續(xù)的電磁場(chǎng)，而電磁場(chǎng)則是在電磁媒質(zhì)(以太與物質(zhì))中以光速傳播的橫向波動(dòng)，兩個(gè)電荷系統(tǒng)Ａ和Ｂ之間的相互作用是這樣進(jìn)行的：系統(tǒng)Ａ的電磁擾動(dòng)，首先直接引起的是其周圍相鄰處電磁場(chǎng)的擾動(dòng)；然后，這一電磁擾動(dòng)將以光速Ｃ從系統(tǒng)Ａ相鄰處傳播到系統(tǒng)Ｂ處；最后引起電荷系統(tǒng)Ｂ的擾動(dòng)。在上述過程的第一和第三步中，伴隨有系統(tǒng)的能量、動(dòng)量和角動(dòng)量與電磁場(chǎng)的這些相應(yīng)量之間的轉(zhuǎn)換，而在第二步中，則存在著電磁場(chǎng)的能量、動(dòng)量和角動(dòng)量從一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的傳遞，這一步的完成是與電磁能量流、動(dòng)量流及角動(dòng)量流的存在分不開的。近距作用理論的基本特征是：它只考慮場(chǎng)或作為動(dòng)力學(xué)實(shí)體的空間，而把“源”放在較為次要的地位。因而有人把近距作用理論稱為“無源場(chǎng)論”。而超距作用理論認(rèn)為，電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)是帶電微粒及其運(yùn)動(dòng)，而帶電粒子之間存在一種瞬時(shí)的有心作用力，這種作用既不需要時(shí)間，也不需要媒介。超距作用理論的基本特征是：只強(qiáng)調(diào)“源”(電荷、磁極和電流)，而忽視空間任何電磁作用都屬于由這些“源”發(fā)射出的沿直線傳播的瞬間力的作用。洛侖茲早年贊同超距作用理論，直到赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)麥克斯韋近距作用理論后，洛侖茲才逐漸轉(zhuǎn)向了近距作用的觀點(diǎn)。但是，洛侖茲并沒有因此而從一種傳統(tǒng)跳到另一種傳統(tǒng)，而是巧妙地將超距作用思想和近距作用思想融合起來。具體地說，洛侖茲在否定超距作用的同時(shí)保留了超距作用理論中的帶電微粒和微粒電流思想，又吸取了近距作用理論中的電磁媒質(zhì)和電磁場(chǎng)思想，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造了標(biāo)志經(jīng)典物理高峰的電子論。1891年，洛侖茲在《電子以太》的演講中，明確表明接受麥克斯韋的近距作用理論。1892年，洛化茲發(fā)表《麥克斯韋理論及其在運(yùn)動(dòng)物體上的應(yīng)用》一文，極大地發(fā)展了麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，他將電磁波視為以太中的橫波，并認(rèn)為以太和物質(zhì)粒子之間在力學(xué)上完全獨(dú)立而有電磁相互作用。也就是說，帶電的物質(zhì)粒子可以影響以太的電磁狀態(tài)，而以太的電磁狀態(tài)又使帶電的物質(zhì)粒子受力。同時(shí)，洛侖茲還將電磁擾動(dòng)以有限速度傳播的概念引入到帶電粒子之間的相互作用中。在當(dāng)時(shí)，電磁擾動(dòng)被認(rèn)為是通過以太傳播的，洛侖茲對(duì)以太的性質(zhì)提出了自己的假定。在他看來，宏觀介質(zhì)既然可以歸結(jié)為懸浮在真空中的帶電粒子，介質(zhì)中的以太應(yīng)該在密度和彈性方面都與真空中的一樣，無任何特別之處。當(dāng)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，也不應(yīng)該帶動(dòng)其中的以太運(yùn)動(dòng)。這樣,微觀的電動(dòng)力學(xué)方程變得簡(jiǎn)單明確,而宏觀介質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)方程可以從這些簡(jiǎn)單的微觀方程推導(dǎo)出來。這說明,洛侖茲的電磁場(chǎng)概念與麥克斯韋和赫茲的電磁場(chǎng)概念有很大的差別：首先，麥克斯韋的電磁場(chǎng)缺乏高度的統(tǒng)一性，它的載體既可以是真空中的以太媒質(zhì)，又可以是實(shí)在的物體媒質(zhì)。而洛侖茲的電磁場(chǎng)則具有內(nèi)在一致性，無論是在真空中還是在物體中，它都是以太的一種狀態(tài)；其次，麥克斯韋的電磁場(chǎng)只是物體媒質(zhì)或以太媒質(zhì)的一種屬性，這些物體媒質(zhì)或以太媒質(zhì)除了作為電磁場(chǎng)的載體外，還同時(shí)可以充當(dāng)其它力學(xué)現(xiàn)象的載體。而洛侖茲的電磁場(chǎng)卻是以太的唯一屬性，以太只能作為電磁場(chǎng)的載體,而不能充當(dāng)其它任何力學(xué)現(xiàn)象的載體。因此，在事實(shí)上，洛侖茲的電磁場(chǎng)概念已與麥克斯韋的電磁場(chǎng)概念有質(zhì)的區(qū)別，麥克斯韋的電磁場(chǎng)只是物質(zhì)或以太的一種屬性，而洛侖茲的電磁場(chǎng)雖然仍要以太作為載體，但實(shí)際上已是以太本身的代