王惠磁场无处不在。让我们来了解关于磁物理学的三个有趣的事实

百变大咖秀20120809

    磁铁和磁铁在我们的日常生活中无处不在。磁铁和磁铁可以帮助我们在不熟悉的地方找到方向。冰箱贴纸可以把孩子们的画固定在冰箱门上。除了这些常见的例子之外,磁场在宇宙中也扮演着重要的角色。有时,磁场会对周围环境产生重大影响,例如在危险的磁环境以及广泛使用的核磁共振扫描仪中。然而,在大多数情况下,磁场仅仅存在并且受到其他更强力的影响。虽然不是很令人印象深刻,但在磁物理学中仍然有一些鲜为人知的秘密。磁性来自运动。一个带电荷的粒子即使什么都不做,也会产生电场。这个电场围绕着粒子,并将导致其他带电粒子做出相应的运动。如果附近有一个带相同电荷的粒子,它将被推开;如果附近有一个带相反电荷的粒子,则这两个粒子将彼此靠近。但是如果你让电荷移动,将会发生一些令人惊讶的事情:一个新的领域出现了!这个奇怪的场有不同的行为:它不直接指向电荷或远离电荷,而是围绕电荷旋转,总是垂直于电荷运动的方向。更重要的是,附近的带电粒子只有在它们处于相同的运动状态时才能感觉到新的磁场,并且它们感觉到的力垂直于它的运动方向。这个场就是我们所谓的磁场,它是由运动中的电荷产生的,而且只影响运动中的电荷。但是冰箱粘贴器不动。为什么它有磁力?你冰箱上的磁铁不动,但使磁铁运动的物质却在动。在磁体中,每个原子都有电子层,这些电子层是具有自旋性质的带电粒子。自旋是一个非常深刻和量化的特征。为了说明磁场,我们可以把电子想象成微小的旋转金属球(众所周知,这完全不准确)。这些电子是运动的电荷,每个电子可以产生它自己的微小磁场。在大多数物质中,电子在不同方向上运动并在宏观尺度上相互抵消;然而,在磁体中,大量电子排列整齐,产生足以将冰箱附接到冰箱上的磁场。因为我们在宇宙中看到的所有磁场都是由移动的电荷产生的,所以你永远不可能把磁北极和磁南极分开,它们总是成对地存在。如果你把一块磁铁切成两半,你会得到两块磁铁,磁力迅速减小,里面的电子仍然在移动,“自动”产生新的磁场并重新排列北极和南极。磁体的这种特性是众所周知的,以至于英国物理学家詹姆斯·克莱克·麦克斯韦直接得出结论,在他著名的麦克斯韦方程式中“不存在磁单极子”。麦克斯韦解释了电磁和电两种现象之间的关系,引入了电磁场的概念。多年来,人们一直认为“磁单极子并不存在”,但随着人们开始观察神秘而奇怪的亚原子世界,随着科学家对量子力学认识的加深,磁单极子已成为物理学的重要研究课题之一。保罗·狄拉克是英国物理学家,也是量子物理学的先驱之一,他发现磁单极假设的数学推理中隐藏着一些有趣的东西。让我们做个意识形态实验。如果存在磁单极,并且把它与一个普通的电荷配对,那么两个磁单极将开始旋转。这种旋转实际上与距离无关;不管它们相距多远,它们都会旋转。但是狄拉克知道角动量(以圆的形式存在,就像电荷和磁单极相互旋转一样)是量子化的——我们宇宙的角动量是离散的。一切都一样,包括这对电荷和磁单极。狄拉克意识到如果角动量被量子化,这些粒子上的电荷也必须被量子化。由于这种效应与距离无关,如果在整个宇宙中存在磁单极,就会引起电荷的量子化,这就是狄拉克量子化条件。物理学家的实验发现,电荷量的基本单位是基本电荷,这与磁单极的存在是一致的,但磁单极的存在尚未得到证实。磁性是狭义相对论的关键。詹姆斯·麦克斯韦发现电与磁之间的联系并不简单。他意识到它们实际上是一个硬币的两面,即电磁。电场的变化可以产生磁场,反之亦然。更重要的是,他指出,光现象实际上是由电与磁的相互干扰引起的。麦克斯韦把光和电磁理论定量地联系在一起的主动性被认为是19世纪数学物理学最伟大的成就之一,并深深地影响了后来的物理学家,包括爱因斯坦。爱因斯坦把麦克斯韦的工作进一步推进,认识到电、磁和运动之间存在着联系。让我们从单个电荷及其电场开始。当你跑过它时会发生什么?从你的观点来看,电荷似乎在运动。那么电荷在运动中起什么作用呢?是的,它们产生磁场。因此,不仅电场和磁场是一枚硬币的两面,而且可以通过移动来改变这两面。这也意味着不同的观察者将看到不同的场景:静态观察者可以看到电场,而更多的移动观察者将发现由同一源产生的磁场。正是这种思路促使爱因斯坦提出了狭义相对论,它是现代科学的基石。在这方面,我们应该首先对磁场表示感谢。

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