電磁理論反思錄(3)—麥克斯韋推理“光是電磁波”過程存在的缺陷

司 今

（廣州毅昌科技研究院 廣州 510663 E-mail:[email protected]）

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摘 要 ：麥克斯韋是電磁波理論的奠基者，“光是電磁波”結論的提出者，本文首先從史學角度探討了麥克斯韋“光是電磁波”結論的推理過程及其可能存在的不合理因素，並按照麥克斯韋推理思路延續推理得出，光與麥克斯韋電磁波概念應存在本質區別，光應是一種粒子流，光子有自旋和自旋磁性，光的波現象應是由“光子洛倫茲運動”產生的。

關鍵詞：光，磁極，電磁波，LC振盪，洛倫茲運動，庫倫電磁荷定律

中圖分類號： 0441 文獻標識碼：A

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0、 引言

麥克斯韋從電磁感應與LC振盪現象中得到啟發，通過引入位移電流，建立了他的“交變電磁場理論”，即變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場，這本是經典電磁學普通的電磁感應現象，但他將這種現象推廣到“感應傳遞”中去後，指出：開放的LC振盪電路會反射一種叫“電磁波”的東西，可以傳遞LC振盪電路所發射的能量，這就是他赫赫有名的“電磁波理論”；同時，他還首先宣佈：“光也是一種電磁波”。

我們先不說開放LC振盪電路發出的所謂“電磁波”到底是個什麼東西，我們單考察一下麥克斯韋給出“光也是一種電磁波”結論的理論依據是什麼?——瞭解這一推導過程，將有助於我們更好地認識LC振盪產生的電磁波與光之間到底有什麼本質區別和連續。

1、麥克斯韋是得出“光是電磁波”結論的過程

從一些文獻及教科書介紹中獲悉，麥克斯韋給出“光也是一種電磁波”的理論推理依據是：

麥克斯韋按照他的電磁波理論方程組描述，他認為：電與磁應該是統一的；根據這一想法，他假設：如果電和磁是相互聯繫的，從庫倫電荷力公式與磁荷（

指偶極磁子的磁極）力公式上來看，則從屬於電現象的常數k_e 與磁常數k_m之間就應該存在某種關係，常數k_e已經由“庫倫實驗”通過測量二個電荷之間的力F= k_e.q.Q /r² 中得到確定，其測定結果是： k_e=9.00×10^⁹N•m²/C²；如果再通過“某種實驗”能夠對庫倫磁荷公式力公F=k_e.p_m1.p_m2/r² 中的k_m給予確定，那麼不就可以找出電與磁之間的聯繫了嗎？

但關鍵問題在於：庫倫磁荷定量中的磁極是磁鐵，而磁鐵的磁極按“安培環流說”應該是由運動電荷以某種變化方式形成的，故此，我們不可能簡單的採用一個“標準磁極”，像“標準質量”一樣，鎖在巴黎的拱頂地下室，然後把一切其他的磁極同它相比較，即我們沒有辦法確定磁極的標準衡量尺度。

然而，“奧斯特實驗”給了我們啟示：對於磁鐵，我們得知由磁場施加在磁極上的力是F=p_m.B；對於運動電荷，由磁場所施加的力是F=q.v.B；由於電荷與磁鐵之間關係的奇怪矢量特性，情況變得複雜了。不過，有一件事是清楚的：磁極具有電荷乘以速度的單位，即p_m=q.v 如果v垂直於B力就是F=q.v.B；而在磁極上的力是F=p_m.B，因此，我們可以規定一個磁極為電荷乘以速率，即：p_m=qv，1磁極=1C.m/s.

如果測定二個單磁極之間的力，就能確定常數k_m；而實踐中並沒有這樣做，我們是通過測量二根通電導線之間的力以確定k_m常數，其結果是k_m=1.00×10^^-7 N•m²/(磁極)² =1.00×10^^-7N•s²/C².

考慮二個常數k_e 與k_m之間的單位,我們可以看出:k_m→N•m²/C², k_e→N•s²/C²,由此可得出：k_e/k_m = m²/s².換句話說，k_e 、k_m比值是速率的二次方，代入k_e 、k_m常數值得到：速率c=√k_e/k

_m=√=9.00×10^⁹N•m²/C²/1.00×10^^-7N•s²/ C²=3×10^⁸ m/s.

於是，麥克斯韋意識到“光的速率埋藏在電荷與磁鐵之間的力中”，他由此推斷：電擾動引起磁擾動，磁擾動又反過來引起電擾動，並且這種“交變擾動”可以以光速傳播；

同時，他指出，可見光也是一種電磁波，而且只是電磁波中的很小部分，並且所有電磁波全都以相同的速率c=3×10^⁸ m/s傳播。^[1]

2、麥克斯韋得出“光也是一種電磁波”結論的“二個隱形假設”

通過上面引述可以看出，麥克斯韋在確定k_m值時存在二個隱形假設，即：

（1）、F_e=F_m，這說明他的“光也是一種電磁波”的推斷是建立在庫倫電荷力與磁荷力是同一種力基礎之上的，即他首先將電、磁力作了“統一”假定。

（2）、p_m=q.v，這說明磁極是電荷運動產生的，即靜止電荷並不產生磁極；靜態電荷之間的力來自於電場，運動電荷之間的力來自於磁場。

F=q_m.H，是磁荷在線性磁場強度H下所受的磁場力（稱磁荷力），且H=k_m.q_m./z²；F=q.v.B,是電荷在垂直於v方向產生曲線運動時所受的力（稱洛倫茲力，且B=Φ

_m/S；因此說，H與B物理含義是有差異的。

麥克斯韋用F=q_mB=qvB來推理光速為c是將二種不同物理含義的磁場強度認為是同一種，這是其致命的缺陷。按庫倫磁荷定律與洛倫茲公式物理含義來分析，q_m.H≠q.v.B。

不過，依據上述二種假設，我們可以給出另一種推斷：

假如F= k_e.q.Q/r²= k_m.p_m1.p_m2/r² 成立，則可以得出：k_e/k_m=p_m1.p_m2/q.Q；

假如p_m=q.v成立，代入k_e/k_m= p_m1.p_m2/q.Q中，則可得出: k_e/k_m= v_1•v₂；

這說明，對於導線中的運動電荷而言，二根導線產生力作用是由於運動電荷通過導線時轉化成了磁極，但電荷電場並不參與二根導線間的力形成；可見，二根導線之間之所以產生力是由於電荷有運動速度v

₁、v₂的存在，這是二根通電導線力產生的要素，可這並沒有反映力傳遞速度問題，更沒有說力傳遞需要光參與，而且力傳遞與光速也不存在必然聯繫。

依據麥克斯韋給出的c=√k_e/k_m=3×10^⁸ m/s，則有k_e＝c².k_m，結合k_e/k_m= v_1•v₂，就會得出c²= v_1•v₂；假如二根導線裡的電子運動速度相同，則有v₁=v₂=c，如果不相等，則說明二根導線裡的電子運動速度必定有一個要超光速c，這豈不與愛因斯坦的“光速不變假設”相矛盾？

為什麼會出現此現象呢？原來，k

_e與k_m就像磁通量Φ_m與磁荷量p_m之間一樣存在單位換算問題，即將B=Φ_m/S與B=k_m.p_m/R² 結合，則可得出：

Φ_m/S=Φ_m/π.R²=k_m.p_m/R²，即Φ_m =π.k_m.p_m.

這裡可將π.k_{m 看作是}磁極單位與韋伯磁單位之間的轉換系數；可見，磁通量Φ_m與庫倫磁荷p_m應是同一概念。^[2]

如果p_m=q.v、F= k_e.q.Q/r²= k_m.p_m1.p_m2/r² 成立，則有：

F=B_1.p_m2=p_m1.p_m2/π.r²= q_1.v₁ .q_2.v₂/π.r²=v_1.v₂/π•q₁q₂/r ²= k_e.q_1.q₂/r².

由此可得k_e= v

_1.v₂/π.

如果將k_e=v_1.v₂/π與k_e＝c².k_m結合，就可得：

v_1.v₂＝π.k_m.c²，即c²＝v_1.v₂/π.k_m.

因k_m =1.00×10^^-7 N•s²/C²，故有：

v_1.v₂＝π.k_m.c²＝9×10^¹⁶×3.14×1.00×10^^-7＝2.826×10^^10.

這樣，對於二個運動電荷而言，只要v₁或v₂不大於1.062×10²m/s就不會出現v₁或v₂超光速問題了。

假如二根平行導線中通入電流時電子的運動速度相等，這時，它們在導線內的運動速度應是：v_e1=v_e2=1.6811×10^⁵ m/s.

由此可見，麥克斯韋所推出的c值，並不是真正物理意義上的光速，它只不過與光速數值有巧合罷了；如果以此認為麥克斯韋證明了“光也是一種電磁波”，那也只能算是他對光認識的一種“曲解”之舉；光與麥克斯韋電磁波概念應存在本質區別！

如果我們將麥克斯韋推出c=√k_e/k_m=3×10^⁸ m/s的方法與思路，運用到像氫原子中自旋電子與自旋氫核二個磁荷體上（如右圖），則有c²＝ve_.vp/π.k_m，這裡ve、vp都是以地球上一點為參照基的速度。

已知：k_m =1.00×10^^-7 N•s²/C²、c=3×10^⁸ m/s、v_地自=4.65×10² m/s、v_e=2.188×10^⁶ m/s；

由此可得，氫原子核相對地球上一點為參照基的運動速度（實質也是氫原子運動速度）就是：

v_p=π.k_m.c²/v_e＝9×10^¹⁶×3.14×1×10^^-7/2.188×10^⁶＝1.292×10^⁴ m/s .

它與地球的第二宇宙速度v=1.12×10 ⁴ m/s基本相一致，說明這個速度應是氫原子在地球上作“布朗運動”時的“逃逸速度”，在高空中運用同步衛星應該可以測出這個值。

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3、LC發射、接收與光發射、接收之間的差異

麥克斯韋電磁波理論是建立在經典電磁學之上的，他通過對LC振盪二個關鍵步驟（電容器充放電與線圈磁通量變化）的理論昇華，得出他的“電磁場交變”理論，即電磁波理論，這種理論的本質與光理論應是有本質區別的，具體說就是：

開放LC振盪電路發出的所謂“電磁波”實質是一種交變磁場，接受體中的電子受此交變磁場影響會產生磁感應而產生運動變化；光則是光源體的原子受熱（接收能量）產生電子躍遷所發射出的自旋光子流，接受體中的電子受光源體發出光子“的撞擊才產生運動變化。

也就是說，LC振盪發出的電磁波應是一種交變磁場，這與光是二碼事，交變磁場在空間傳播具有間歇性、場效應性，且不具有粒子性；光則是一種粒子流，它伴隨自身自旋磁場而運動，它的運動與交變磁場運動存在本質差異。

仔細研究LC 振盪，我們會發現，LC振盪應產生二種效應：

1、電磁感應效應，這就是麥克斯韋所說的電磁波，它發出的是一種交變磁場；接收體接收信號的方式是以磁感應方式來完成的。

2、激發光子效應，這就是我們所說的光，它發出的是一種帶有自旋和磁矩的光子流；接收體接收信號的方式是撞擊效應。

二者最明顯的差異在於熱效應與成像上，具體差異列表如下：

從上圖表數據及現象描述可見，在LC振盪產生的電磁波譜中，只有微波具有了熱效應；微波通常由直流電或50Hz交流電通過一特殊器件來獲得；可以產生微波的器件有許多種，但主要分為兩大類：半導體器件和電真空器件，其中電真空器件是利用電子在真空中運動來完成能量變換的，如下圖所示。

可見，微波是LC振盪中的交變磁場發射向“交變磁場+熱輻射”過渡的波，其具有“場+粒”特性，而且微波有似光性和似聲性的特點；當電磁波到達紅外線級別後，那就純粹是一種熱體發光現象了。

按目前物理學中電磁波的廣義含義，我們可以將電磁波分為三類：

（1）. 磁場波：發射體只產生交變磁場，並向外傳播這種交變磁場所稱的電磁波，如LC振盪中的中、長波類，這種LC振盪只向外發射交變磁場，並不發射粒子流（如光子），這種波的發射特點是：LC發射→N-S→S-N→N-S→……接收體中LC接收器對這種交變磁場的感應只是一種普通的電磁感應現象。

（2）. 混合波：發射體既產生交變磁場又發射粒子流，如微波，接受體既有接受交變磁場能量又有吸收光子能量，這是一種“電磁感應+粒子吸收”的混合波形式，故伴有熱現象。

（3）. 粒子波：發射體因接受外界能量或內部能量變化影響而向外發射粒子流，這種粒子流的發射與運動具有脈衝性，且具有明顯熱特徵。

由此我們認為，電磁波與光應是二個截然不同的概念，光不是麥克斯韋所說的電磁波，而是一種帶有自旋磁場的光子流，當光子運動通過接受物空間磁場時（需在納米尺度下），就會產生像電子一樣的洛倫茲運動而表現出轉彎現象，從而造成我們所說的衍射現象。

麥克斯韋通過√ke/km=3×10^8m/s計算結果就斷定“光也是電磁波”只能算是一種假說，並沒有真正的物理機制依據提供支持。

關於這方面論述敬請參閱司今《關於光與麥克斯韋電磁波本質區別問題的探討》一文。

3、小結

3.1、LC振盪是一種普通的電磁感應現象，麥克斯韋給出的“光是電磁波”的推理存在瑕疵。

3.2、光與麥克斯韋電磁波之間應存在本質區別。

3.3、光是一種粒子流，光子有自旋和自旋磁矩性，光的波動現象是由“光子洛倫茲運動”產生的。

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[1].【美】Richard P.Olenick,Tom M.Apostol David L.Goodstein/著/李椿，陶如玉 譯《力學世界》，北京大學出版社2002年2月第1版，P150-152頁.

[2].司今/《物質自旋與力的形成》，吳水清主編《格物》2012.8總第51期，P53-58頁.

[3].司今/《高斯定理的物理意義及其在場物理學中應用的得失》，中國預印本網站：

http://www.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFile&id=2c92828242215f220142fbda818e009b

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司 今：男，1966年10月出生，皖蚌埠市人，機械工程師，主要從事理論物理學研究，著有《關於地球橢圓軌道和自旋變化成因的探討》、《物質自旋與力的形成》、《量子力學磁矩的含義》、《高斯定理的物理意義及在物理學中應用的得失》、《關於陀螺運動及其研究方法的討論》、《波粒二象性的本質》等多篇論文發表。

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