电动力学导论（英文注释版·原书第4版）

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关于本书 电动力学是什么？它如何融入物理的一般框架中？ 力学的四个范畴 在下表中我描绘出力学的四大领域： 经典力学 （牛顿） 量子力学 （玻尔、海森伯、薛定谔等） 狭义相对论 （爱因斯坦） 量子场理论 （狄拉克、泡利、费曼、史温格等） 牛顿力学在大多数的“日常生活”中是正确的，但是对高速（接近光速）运动的物体，它是不正确的，必须用狭义相对论（由爱因斯坦在1905年建立）代替；对非常小（接近原子尺寸）的物体，牛顿力学因另外的原因失效，而由量子力学（由玻尔、薛定谔、海森伯及许多其他人在1920年左右发展起来的）取代。对非常快又非常小的物体（在现代粒子物理学中非常普遍），需要发展相对论与量子理论结合的力学，这个相对论量子力学称为量子场理论—它在20世纪30年代和40年代开始建立，但是即便是现在也不能认为它是一个完全令人满意的理论。在本书中，除了*后一章，我们完全是在经典力学的范畴，尽管电动力学可以非常简单地拓展到其他三个范畴。（事实上，电动力学在大部分方面的内容自动地与相对论相容，这是历史上相对论发展的主要动力。） 四种类型的力 力学告诉我们，当一个系统受到一个给定的力作用时，它是如何变化的。已知自然界中仅有四种基本力（到目前为止），我把它们按强度逐渐减弱的顺序列出： 1.强力 2.电磁力 3.弱力 4.引力 这张单子的简洁可能会让你大吃一惊。摩擦力在哪儿？保持你不从地板掉下去的“支撑力”在哪儿？分子结合在一起的化学力在哪儿？两个相互碰撞的台球的碰撞力又是什么？答案是，所有这些力都是电磁力。的确，毫不夸张地说，我们生活在一个电磁世界里，在日常生活中所经历的几乎每一种力，除了重力，都是源自电磁力。 把原子核内质子和中子结合在一起的力是强力（strong forces），它的作用距离非常之短，尽管它们的强度是电磁力的100倍，但我们无法“感觉到”它们。与辐射衰变有关的弱力（weak forces）不仅作用距离短，也比电磁力弱得多。至于引力，更是极其微弱（与其他力相比），所以除非质量巨大（比如地球和太阳），否则我们也很难注意到它。两个电子间的静电排斥力是其之间相互引力的1042倍，如果原子是靠引力（代替电磁力）结合在一起的，那么一个氢原子就会比已知宇宙还大得多。 电磁力不仅是支配我们日常生活中的统治力，也是目前唯一被完全了解的力。当然，我们也有引力的经典理论（牛顿的万有引力定律）和相对论理论（爱因斯坦的广义相对论），但是至今没有令人满意的引力量子理论（虽然很多人在探讨它）。现今，关于弱相互作用，已经建立了非常成功（有点繁杂）的理论；对于强相互作用，也有引人注目的候选理论（称为色动力学，chromodynamics）。所有这些理论都是从电动力学中获得灵感和启发的，目前还没有一个理论能够得到结论性的实验验证。因此，电动力学，一个完美和成功的理论，已经成为物理学家的一种范式：一种其他理论效仿的理想模型。 经典电动力学的定律是由富兰克林、库仑、安培、法拉第以及其他的科学家们零零碎碎地发现的，但是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦完成了*后工作，把它统一成一个完美紧凑的形式。这个理论至今已经有150年的历史了。 物理理论的统一 起初，电学（electricity）和磁学（magnetism）是完全独立的学科。电学研究的是玻璃棒、猫皮、验电球、电池、电流、电解和电灯；而磁学研究的是磁棒、铁填充物、指南针和地磁极。但是，在1820年奥斯特注意到电流可以使一个磁针偏转。很快，安培正确地推测出所有的磁现象都应归结于电荷的运动。随后， 1831年法拉第发现了运动的磁体可产生电流。在麦克斯韦和洛伦兹对理论进行*后完善时，电学和磁学已经完全交织在一起。不能再认为它们是分割的事物，而是同一个事物的两个不同方面：电磁学（electromagnetism）。 法拉第推测光在本质上也是电的，麦克斯韦理论为这个假设提供了惊人的证据。很快，光学—有关透镜、面镜、棱镜、干涉和衍射的研究—也并入了电磁学。赫兹在1888年提出了对麦克斯韦理论的决定性实验证实，他这样说：“光和电之间的联系现在已经建立……在每一个火焰中，在每一个发光粒子中，我们看到一个电过程……因此，电的领域延伸到了整个自然界，它甚至密切地影响着我们自己：我们感知到我们拥有……一个电的器官—眼睛。” 到了1900年，物理学的三大分支—电学、磁学和光学—合并成了一个单一的理论。（很快就发现，可见光在电磁辐射的光谱中只是一个很小的“窗口”，光谱从无线电波到微波、红外线和紫外线，再到X射线和γ射线。） 爱因斯坦渴望有个进一步的统一理论，希望能像19世纪电和磁那样来统一引力和电磁力。他的统一场理论（unified field theory）并不特别成功，但近年来，同样的推动力催生了一系列越来越雄心勃勃