磁场无处不在:磁物理学的三个有趣现象

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北京时间12月14日消息,磁铁和磁力在当一帮人的日常生活中无处这麼,磁针不可不能否帮助当一帮人在没熟悉的地方找到方向,而冰箱贴不可不能否将孩子的画固定在冰箱门上。除了那先 常见的例子,磁场还在宇宙中扮演着重要角色。有后后,磁场会对附近环境产生重大的影响,比如在危险的磁星环境,以及用途很广的核磁共振扫描仪。不过,在大多数请况下,磁场而是 我简单地居于,并受到其他更强作用力的影响。随便说说全是很起眼,但磁物理学中还是蕴含着其他鲜为人知的秘密。

▲磁星(想象图)是中子星的并全是,拥有极强的磁场,能通过衰变不断释放出高能量的电磁辐射

磁力源于运动

蕴含电荷的单个粒子,尽管那先 全是做,也会产生五个 电场。这俩 电场围绕在粒子附近,会引导其他带电粒子做出相应的运动。后后附近有五个 带同样电荷的粒子,那它就会被推开;后后是带相反电荷的粒子,那二者就会互相靠近。

因此 ,后后你让这俩 电荷运动起来,就会居于令人惊讶的事情:五个 新的场冒出了!这俩 奇怪的场表现出与众不同的行为法律依据:它全是直接指向或远离电荷,而是 我围绕着电荷旋转,总是垂直于电荷运动方向。更重要的是,附近的带电粒子不上可不能否 在同样居于运动请况时,不可不能否感受到这俩 新的场,而它感受到的作用力又是垂直于它的运动方向。

这俩 场也而是 我当一帮人所说的磁场,它既是由运动中的电荷产生的,一起也只影响运动中的电荷。因此 ,冰箱贴不须会运动,它为那先 有磁力呢?

你的冰箱贴磁铁这麼在运动,因此 构成它的物质正在运动。在磁铁中,每个原子都具有一层又一层的电子,而电子是具有自旋性质的带电粒子。自旋是并全是十分深奥因此 量子化的实物。为了阐述磁场,当一帮人不可不能否将电子想象成微小的旋转金属球(当然当当一帮人知道,原来想象严格来说是很不准确的)。

那先 电子全是运动中的电荷,而每个电子都能产生被委托人的微小磁场。在大多数物质中,电子具有不同的运动方向,并在宏观尺度上相互抵消;因此 在磁体中,絮状的电子会排列整齐,产生足以将冰箱贴粘附在冰箱上的磁场。

磁单极子后后居于

后后当一帮人在宇宙中见到的所有磁场全是通过运动中的电荷产生的,因此 ,你永远无法将磁北极和磁南极分开,它们永远成对居于。后后你将一块磁铁切成两半,我能 得到两快磁力变小的磁铁;它们实物的电子依然在不断运动,“自动地”产生新的磁场,重新编排北极和南极。

磁体的这俩 性质众所周知,以至于英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)在他著名的麦克斯韦方程组中,直接断定“磁单极子不居于”。麦克斯韦阐述了电和磁并全是大间题之间的关系,并引入了电磁场的概念。多年以来,当一帮人总是对“磁单极子不居于”的观点深信不疑,但随着当一帮人开始观察到神奇而古怪的亚原子世界,随着科学家对量子力学的了解日益加深,磁单极子又成为物理学界重要的研究主题之一。量子物理学的先驱之一、英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)注意到,在磁单极子假说的数学推理中,隐藏着其他有趣的东西。

我能 们来做五个 思想实验,后后磁单极子居于,因此 你将它与五个 普通的电荷配对,那二者就会开始旋转。这俩 旋转实际上与距离无关;无论二者相距多远,它们可不能否 旋转。但狄拉克知道,角动量(呈圆圈形式的动量,正如电荷和磁单极子互相旋转的请况)是量子化的——当一帮人宇宙中的角动量是离散值。一切皆是这麼,包括这俩 对电荷和磁单极子。

于是,狄拉克意识到,后后角动量是量子化的,这麼那先 粒子上的电荷也都而是 量子化的。而后后这俩 作用与距离无关,因此 后后整个宇宙中居于磁单极子语录,它就会引起电荷的量子化,这而是 我“狄拉克量子化条件”。物理学家的实验发现,电荷量的基本单位为基本电荷,这与磁单极子的居于相符合,但至今仍未证实磁单极子的居于。

磁是狭义相对论的关键

詹姆斯·麦克斯韦发现的电和磁之间的联系不须简单,他意识到,二者随便说说是同五个 硬币——电磁学——的两面。电场的改变不可不能否产生磁场,反之亦然。更重要的是,他指出光大间题随便说说而是 我电和磁相互扰动时产生的。

麦克斯韦将光与电磁学理论进行定量联系的创举被认为是19世纪数学物理最伟大的成就之一,也深刻影响了已经 的物理学家,其中就包括爱因斯坦。爱因斯坦将麦克斯韦的工作更进了一步,他意识到电、磁和运动之间居于联系。我能 们从单个电荷及其电场开始,当你跑动经过它的可不能否能 居于那先 ?

从你的强度来看,电荷似乎才居于运动之中。这麼,运动中的电荷会做那先 ?没错,它们会产生磁场。因此 ,不仅电场和磁场是同五个 硬币的两面,因此 我能 通过运动的法律依据,使二者居于转换。这也愿因,不同的观察者会看得人不同的景象:静止的观察者可不能否能 看得人五个 电场,而更具移动性的观察者会发现由同一来源产生的磁场。

正是这俩 思路有益于爱因斯坦提出了狭义相对论——现代科学的基石。对此,当一帮人应该首先向磁场表达谢意。