场的图示法：物理学发展中引力方向与距离关系的解释

在19世纪中后期，物理学中引入了新的、革命性的观念，它们打开了一条通往新的哲学观点的道路，这个新的观点与旧的机械观不同。法拉第（Faraday）、麦克斯韦（Maxwell）与赫兹（Hertz）的成就使现代物理学得以发展，使新概念得以诞生，新的“实在”的图景也形成了。

现在我们来描述这些新概念如何在科学上引起突然的变化，并阐明它们怎样逐渐地得到澄清和加强。我们将用逻辑推理的程序来叙述它的发展，不一定完全依照年代的先后来叙述。

这些新概念的起源与解释电的现象有关，但是为简便起见，我们不如首先从力学中介绍它们。我们知道两个粒子会相互吸引，而它们的吸引力跟距离的平方成反比。我们可以把这一情况用一种新的方法来表示，但这样做有什么好处还一时很难看出来。小圆代表一个吸引体，譬如太阳就是一个吸引体。实际上你应该把这个图想象为空间中的一个模型，而不是一个平面图。因此图中的小圆实际上代表在空间中的一个圆球，例如太阳。把一个所谓检验体的物体放在太阳的附近，它就会被太阳所吸引，而引力发生在连接这两个物体的直线上。因此图上的线表示太阳对于检验体在各个位置上的引力。每根线的箭头表示这个力是朝着太阳的，就是说，这种力是引力。这些线都是引力场的力线。目前看来，这不过是一个名词，没有什么理由让我们十分重视它。我们的图中有一个特色，以后将加以发挥。力线是在空间没有任何物质的地方形成的，目前，所有的力线（或简单地说成为场）只表示一个检验体放在构成场的圆球附近时会有何种行为。

在我们的空间模型中，力线总是跟圆球的表面垂直的。因为它们都是由一点发散出去的，因此离圆球最近的地方最密，愈远愈疏。如果我们把离球的距离增加到2倍或3倍，则在我们的立体模型中力线的密度会减小为1/4或1/9。因此力线有两个作用，它们一方面表示作用在一个圆球（例如太阳）附近的物体上的力的方向，另一方面空间力线的密度又表示力如何随距离的大小而变化。

场的图，若正确地解释，它表示引力的方向及其与距离的关系。从这样的一个图中可以看出引力定律来，正如从描写引力作用的文字中，或确切而简略的数学语言中可以看出引力定律来一样。这个场的图示法，虽然我们这样称呼它，并且觉得它清楚而有趣，但是我们没有什么理由相信它会表示出任何真实的意义。在引力的例子中很难看出它有什么用处。这些线不过是图形而已，有人想象确有许多真实的力的作用沿着这些线通过，这样想象自然可以，但是你必须同时想象沿着这些线，作用力的传递速率是无限大的。根据牛顿定律，两物体间的力只与距离有关，与时间毫无关系。力从物体传到另一个物体竟不需要时间！但是，任何理智的人都是不会相信速率无限大的运动的，因此要使这个图起到比模型更大的作用是不会有什么结果的。

我们现在并不准备讨论引力问题，我们介绍这些，只不过为了对电学理论中相似的推理方法作一个简化的解释而已。

现在来讨论一个实验，这个实验用机械观来解释会有很大的困难。假设电流在一个环形导体通过，在这个环的中央放上一个磁针。在电流通过的瞬间，产生了一种新的力，这种力作用于磁极上，并且与连接导线和磁极的直线垂直。如果这个力是由一个作圆运动的带电体产生的，则罗兰的实验告诉我们，这个力与带电体的速度有关。这些实验情况与任何力都只在两个粒子的连线上作用而且只与距离有关这一哲学观点相矛盾。

电流作用于磁极上的力要精确地表示出来是很复杂的，事实上这比表示引力要复杂得多，可是我们也能把这种作用跟引力的作用同样清楚地想象出来。我们的问题是：电流用怎样的一种力作用于放在它附近的磁极上的呢？要用文字来描述这种力是相当困难的，即使用数学公式来表示也一定是复杂而笨拙的。最好是把我们所知道的所有作用力用带有力线的图表示出来，或者更确切他说，用带有力线的空间模型表示出来。但是也有一些困难，因为一个磁极总是跟另一个磁极同时存在的，它们共同构成一个偶极子。不过我们往往把磁针想象得很长，使得只须计及作用于与电流比较靠近的这个磁极上的力。另一极因为离得太远，作用于它的力可以忽略。为了避免混淆起见，我们假定靠近导线的磁极是正的。

作用于正磁极上的力的性质可以从看出来。

绘在导线旁边的箭头表示电流从较高电势流向较低电势的方向。所有其余的线都表示属于这个电流的力线，这些力线都处在某一平面上。假如图画得恰当，那么这些力线既能表示出电流在给定的正磁极上的作用力的矢量的方向，同时还能表示出矢量的长度。我们知道力是一个矢量，要决定它必须知道它的方向和长度。我们主要是讨论作用在磁极上的力的方向问题，这个问题是：怎样从图中去找出空间中任何一点的力的方向呢？

在这样一个模型中要看出一个力的方向，不会像前面的例子那样简单，因为在前例中力线是直线。为了方便起见，中只画了一根力线。图中指出，力的矢量在力线的切线上，力的矢量的箭头和力线上的箭头所指的方向相同。这样，箭头的方向就是在这一点上作用于磁极上的力的方向，一个好的图，或更确切地说，一个好的模型，也能够把任何一点上力的矢量长度表示出来。这种矢量在力线稠密的地方，也就是靠近导线的地方较长，而在力线较疏，亦即离导线较远的地方较短。

用这种方法，力线或场就使我们能够决定在空间中任何一点作用于磁极的力。以目前来说，这是我们煞费苦心地绘出一个场的惟一论据了。知道了场表示什么，我们就会以更浓厚的兴趣来考查相应于电流的力线。这些线都是围绕着导线的一些圆圈，它们所处的平面跟导线所处的平面相垂直。从图上看到力的特征以后，我们再一次得出这样的结论，力作用的方向垂直于连接导线与磁极间的任何直线，因为圆的切线总是与半径垂直的。我们对于作用力的全部知识；都可以总结在场的构图中。我们把场的概念插入在电流与磁极的概念之间，以便用简单的方式把这些作用力表示出来。

任何一个电流都有一个磁场，换句话说，在有电流通过的导线附近的磁极上总是受到一种力的作用。我们不妨顺便提一提，电流的这种性质使我们能够制造出一种灵敏的仪器来探测是否有电流存在。我们一旦知道了如何从电流的场的模型来看磁力的特征，我们就能绘出通电导线周围的场来表示空间任何点上磁力的作用。作为第一个例子，我们来研究一下所谓螺线管。它实际上就是一卷金属线，我们的目的就是要用实验来掌握关于与通过螺线管中的电流相关连的磁场的知识，并把知识结合在场的构图中。图上已经把结果显示出来了，弯曲的力线是闭合的，它们围绕着螺线管，表征着电流的磁场。

磁棒的磁场，也可以用表示电流的磁场的同样方法来表示。力线是从正极到负极的。力的矢量总处在力线的切线方向上，而且近极处最大，因为在这些地方力线最密。力的矢量表示磁棒对正磁极的作用。在这个情况里，场的“源”是磁棒而不是电流。

应该仔细地比较一下前面的两个图，的是通过螺线管的电流的磁场，是磁棒的场。我们且不管是螺线管还是磁棒，而只注意它们外面的两个场。我们立刻会注意到它们的性质是一模一样的，两者的力线都是从螺线管或磁棒的一端延伸到另一端。

场的图示法结出了它的第一个果实，如果我们不画出场作为启发，我们很难看出通过螺线管的电流和磁棒之间有什么相似之处。(www.xing528.com)

现在场的概念将经受更严格的考验，我们很快就将知道它不仅仅是一种关于作用力的新的图示法。我们可以这样想：暂且假设场惟一地表征由它的源所规定的一切作用。这只是一个猜测。这句话的意思是，假如螺线管的场与磁棒的相同，则它们所有的作用也一定相同。也就是说，两个通电的螺线管的行为会跟两根磁棒的一样，它们相互吸引或推斥，而引力或斥力与距离有关，这完全和两根磁棒所发生的情况一样。这句话还表示一个螺线管和一根磁棒之间也会像两根磁棒一样地吸引或推斥。简单地说，通电的螺线管所有的作用和磁棒的相应作用是一样的，因为只有场能起这些作用，而场在这两种情况里具有相同的性质。实验完全确认了我们的猜测。

没有场的概念要想找出这些论据会是多么困难呀！要把作用于通电的金属线与磁极间的力表示出来是非常复杂的。假如是两个螺线管，便须研究两个电流相互作用的力。但是一旦利用场的概念，我们发现螺线管的场和磁棒的场是相似的，我们就可以立刻认识所有这些作用的性质了。

我们现在有理由更加重视场了。对描述现象来说，似乎只有场的性质最为重要，场源不同是无关重要的。场概念的重要性在于它能够引导我们发现新的实验论据。

场已经被证明是一个很有用处的概念。它起初只是当作在源与磁针间的某种东西，用来描述两者之间的作用力。它被想象为电流的“经纪人”，电流的一切作用都靠它来完成。但是现在经纪人还兼充翻译员，它把定律翻译成简单、明确、易懂的语言。

场的描述的最大功绩意味着用它来间接地考察电流、磁棒、带电体的所有作用将变得很方便，亦即可借助于场作翻译员。我们可以认为场总是跟电流连在一起的某种东西，即使没有一个磁极去检验它是否存在，它总是存在的。我们还要把这个新的线索加以引申。

带电导体的场可以用描述引力场。电流的场或磁棒的场的同样方法来叙述。我们同样再举出一个最简单的例子，要画出一个带正电的圆球的场，我们必须提出这样一个问题：当一个小的带正电的检验体放在作为场源的带电圆球附近，它会受到什么样的力的作用？我们之所以用一个带正电的检验体而不用一个带负电的，这只是一个惯例，它只是决定力线的箭头应该朝哪一个方向画。因为库仑定律与牛顿定律相似，所以这个模型跟前面引力场的模型也相似。两个模型的惟一不同之点便是箭头的方向相反。两个物体的正电荷相互推斥，而两个物体的质量相互吸引。可是一个带负电的圆球的场会跟引力场相同，因为小的带正电的检验体会受场源的吸引。

假使电极与磁极都处于静止状态，那么它们之间不会有任何相互作用，既没有吸引，也没有推斥。若用场的语言来表述这种情况，我们可以这样说：一个静电的场对一个静磁的场没有影响，反过来说也一样。“静场”是指不依时间而变化的场。假如没有外力的干扰，磁棒与带电体可以放在一处而永不发生作用。静电场、静磁场和引力场的性质各不相同，它们不会互相混合；不论有无其他的场存在，各自保持自己的个性。

现在我们回到带电圆球上来，它原来一直处于静止状态，现在假定由于受某种外力的作用而开始运动。带电圆球运动了，这句话用场的语言来说便是：带电体的场随时间而变化。但是根据罗兰的实验，我们知道带电的圆球的运动相当于电流，而每一电流必有一磁场相伴存在。因此我们论证的程序便是：

带电体的运动——→电场的变化

↓

电流——→伴随有磁场

因此我们断定：由带电体的运动而产生的一个电场的变化，永远由一个磁场相伴。

我们的结论是根据奥斯特的实验作出来的，但是这一结论所包含的意义还不止这些，它使我们认识到一个随时间而变化的电场与伴随着的一个磁场对于我们作进一步的论证是非常重要的。

带电体在静止的时候只有静电场，而带电体一旦运动，磁场就出现了。我们还可以进一步说，假使带电体更大，或运动得更快，则由带电体运动所产生的磁场也更强。这也是罗兰实验的一个结果。用场的语言来说，电场变化愈快，相伴的磁场便愈强。

电流体的学说是依照机械观建立起来的，这里我们已把熟知的论据由电流体的语言译成场的新语言了。我们在后面还会看到，这种新语言是多么清晰，多么有用处！