"思想实验"中的麦克斯韦方程组

　　 [摘要] 麦克斯韦方程组以一种公理关系的方程组形式表达了电磁场的本质,它不是从电磁学经验公式的前提中演绎出来的,其诞生的关键是“位移电流”的“思想实验”,这使我们领悟到思想形象与表达形式之间本质性的统一性在人类理性思想中的作用和它们的文化影响,突出表现了物理学进步的真正特征。麦克斯韦方程组给“思想实验”阐释提供了一个最适用的案例。 　　[关键词] 思想实验 麦克斯韦方程组 磁场 　　 　　麦克斯韦方程组(Maxwell's equations)(积分、微分表达见右下图)是英国物理学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell 1831 - 1879)在19世纪建立的描述电场与磁场的四个基本方程:电荷是如何产生电场的(高斯定理);验证了磁单极子的不存在(高斯磁场定律);电流和变化的电场是怎样产生磁场的(安培定律);变化的磁场如何产生电场的(法拉第电磁感应定律),人类从此走进了电磁波时代。对麦克斯韦方程组的科学意义、哲学思想、蕴涵的物理简单美、对称美、和谐美与统一美,相关论文都有全面系统的探讨,而我们常常忽略“思想实验”在麦克斯韦方程组诞生中的重要作用。 　　实验室条件下不能看到或不能直接感受的物理“现象”,只能通过人类的思想间接地“想象”它们,通过间接方法去捕捉它,这就是“思想实验”,麦克斯韦的思想实验就是一个最成功的例子。 　　一、特殊性 　　麦克斯韦方程组的特殊性在许多场合被广泛引以为据,同时,麦克斯韦方程组可以看作是物理学一个特殊的分界标志。一方面,它与经典物理学(牛顿力学、光学、热力学等)完全不同,它给现代社会带来的成果有目共睹;另一方面,它又被看成是古典意义的,以区别于相对论、量子力学等全新的现代物理学,这种特殊的地位使它具有一种历史性意义,需要文化意义的阐释。事实上,许多具有重要意义的物理概念总是在一种更广泛的文化意义上被重新阐释而被运用,比如,物理学中“场”的概念己渗透到人们的思想观念中,并在许多领域得到应用,格式塔心理学(Gestalt Psychology)的心理场(Psychological field)就是一例。 　　二、创造性 　　麦克斯韦工作的关键是著名的“位移电流(Displacement current)”的思想图像,即把变化的电场也看成为一种(以太)电流。在这以前,安培定律己表明,电流可以产生磁场,法拉第定律则表明,变化的磁场可以产生电场,但是受当时实验条件所限,实验物理学家都没有发现变化的电场可以产生磁场这样的事实。麦克斯韦不是实验物理学家,他在理论物理领域内工作,他的实验室是思想,他只须做思想实验。“位移电流”的思想实验脱离了具体实验环境的限制,让麦克斯韦在以前的安培公式中添加电场的变化率一项,完成了麦克斯韦方程组物理本质化的关键。由此我们可知,并不是麦克斯韦完全依靠数学演绎方法直接从库仓定律、安培定律、法拉第定律等数学表达式中推导得到了麦克斯韦方程组,而是首先用思想实验方法补充了安培公式,从而使以前几个相互没有内在统一性的电磁公式成为了具有本质性意义的麦克斯斯韦方程,成为了可以表达一种全新的物理对象的数学形式。在这个意义上,他是先于爱因斯坦和玻尔等人而创造性的进行缜密的思想实验的科学家。有关这方而的介绍可以参看列昂.库珀(L.N.Cooper 1972年诺贝尔物理学奖获得者)的《物理世界》(An introduction to the meaning and structure of physics)一书。 　　三、开拓性 　　当牛顿定律以一个简洁的方程式(F=Ma)表达了经典力的核心概念的时候,物理对象之间的关系是明白的、感性直观的――力就是物理对象之间的时空关系。比如气体中的分子虽然是肉眼看不见的,但人们仍然把它们当作可以看见的小粒状物体,就象在显微镜下可以看到的灰尘一样,但是场却是一种人类感官无法直接或(在感官感觉的意义上)间接感受的对象,但是人们仍然相信它的存在,除了人们在它的间接的物理效应中被证实以外,另一个主要的原因就是麦克斯韦方程组以优美的数学组合方式表达了电磁场,这是一种对事物的本质的表达,这表明,人类的理性思维和表达方式已经进入了了一个新的阶段,当然这种进步是最艰难的,量子力学的历史就充分说明了这一点,直到今天人们仍在殚精竭虑地去想象由波函数表达的“量子态”究竟是“什么”。 　　麦克斯韦方程组所具有的重要的物理学史的意义是,它开拓性的扩展了人们对物质的认识,形成了新的物质概念和世界观。 　　四、类似性 　　麦克斯韦的“位移电流”思想图像,使我们领悟到了西方科学思想中的“以太流”,虽然人们无法在现实事物中找到它,但在有效的思想实验中却无法没有它,这与中国古老的“气”的观念有着本质上的类似性。不同的是,“以太流”是数学与物理的统一本质,而“气”是人文意义的,是人与世界统一的观念形态,因此它们在自己适用的领域里都具有重要的文化价值,中文里“电气”一词的广泛使用,就是中西文化结合下对“气”这一词的最恰当的使用的例子。我们很难相象,如果没有“以太流”的思想形象,大量的最基本的现代数学物理概念,如矢量场、势、散度、张量……如何能够建立起来,又如何能被人们学习和得到真正的理解。至于“气”在中国文化中的意义就无须在此说了。 　　五、统一性 　　虽然我们现在已无法追踪麦克斯韦当时的具体思想过程,但是我们仍可以领悟到,一个成熟的物理思想与采用何种表达方式是无必然性,然而,我们不可否认麦克斯韦方程组揭示了电场与磁场相互转化中产生的对称性优美,这种优美以现代数学形式得到了充分的表达。这说明,真正的创造力来自于“思想实验”的性质和选择其表达方式的统一性。 　　麦克斯韦方程组以一种公理关系的方程组形式表达了电磁场的本质,其诞生的关键是“位移电流”的“思想实验”,这使我们领悟到思想形象与表达形式之间本质性的统一性在人类理性思想中的作用和它们的文化影响,突出表现了物理学进步的真正特征,同时给“思想实验”阐释提供了一个最适用的案例。 　　参考文献: 　　[1]列昂.库珀著.杨其方等译.物理世界.海洋出版社,1981. 　　[2]麦克斯韦著.戈革译.电磁通论.武汉出版社,1991. 　　[3]周剑铭.麦克斯韦方程组的文化阐释.

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文