【涨知识】理解“磁性其实是一种相对论效应”


首先,我们要理解相对论。假若在A点有两个飞船,甲是静止的,乙是有速度的,观察者在B点。乙由于运动,对B处观察者而言,乙到观察者的距离小于甲到观察者的距离,虽然表面上看上去是一样的。这是因为根据相对论效应,运动的物体会使空间距离缩短。

所以,乙飞船内的系统(我们称为运动系)成立的物理规律,若想对地面系统(我们称为静止系)中的观察者起作用,则需要将乙系统中的距离x”进行缩小。

现在,乙飞船内有一个静止的电荷q1,它对飞船内的另一个电荷q2产生的电力,遵循库仑定律,公式为

公式中的r”是指运动电荷q1到q2距离,是一个矢量。

若将q2放到地面上的观察者处,这时,飞船内的q1与q2的距离不再是两个相对静止时的直接距离了。此时q1与q2之间的距离是一个扭曲的空间距离。

若q1和q2相对静止时的距离为r”,q1和q2相对运动时的距离为r’,则r”比r’大,r”与r’的换算关系如下:

则运动电荷q1静止系中的观察者处的电荷q2产生的电力作用的库仑公式推导如下:

从上面的最张结果可以看出,运动电荷产生的电力=假定电荷静止时产生的电力+电荷运动时与电荷运动速度有关的电力(也称洛仑兹力)。

后者产生的电力包含一个叉积, 这个叉积部分,现在被称为磁感应强度,是个伪矢量。也就是说,磁场并不是真的存在,但为了研究问题的方便性,也可以认为磁场真的存在并有方向,但跟矢量一起合成时却遵循叉积原则。

说白了,磁场其实是在相对论情况下的库仑定律转换到经典情况下得到的附加结果。

犹如,运动物体的能量=静止时静止质量*光速的平方+静止质量*物体速度的平方的一半+……

我们活在经典的环境中,所以只能经典的方式感受到运动电荷产生的两种完全不同的力。

犹如我们是活在鱼缸中的金鱼,看到鱼缸外的直线,永远只能曲线。而看到的直线,在鱼缸外很可能是曲线。所以,鱼缸外是更真实的四维时空。

同样的事物,在三维空间与四维时空会产生同样的效果,但理解的方式却需要调整,为了理解,我们将造成时空扭曲的运动电荷的电力转换为“静止电荷产生的电场力”和“跟电荷运动速度大小有关的磁场力”。

【摘录他人看法:在狭义相对论中将电场和磁场统一为一个整体,不再分开来讨论,电磁场由一个四维的二阶张量描述。在不同的参考系中看到的电场是不一样的,磁场也是不一样的。这个场张量在变换参考系时遵循一定的变换关系,具有协变性,变换前后都满足张量形式下的麦克斯韦方程组,所以可以把电动力学完整地纳入狭义相对论的框架之中。洛伦兹力和静电力不再是两个本质不同的力,统一成为闵可夫斯基力[公式],洛伦兹力公式重新写为[公式],其中,q是电量,这是一个相对论标量,变换坐标系值不会改变,[公式]是相对论中重新定义的固有四维速度矢量[公式]是相对论中定义的四维电磁场张量

所谓张量,其实是三维向量的乘积。如果是两个三维向量的乘积,叫二阶三维张量。二阶三维张量是一个九维的量,必须用9个分量才能完整地表示一个二阶张量。 流体力学中常用的二阶三维张量:应力张量、变形速率张量等。所以, 标量为零阶张量,向量为一阶张量。】

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