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作者：羅會仟 中國科學院物理研究所

世界上是先有雞還是先有蛋？這個常年看似有點悖論的生物學問題一直困擾著人們。過去大部分科學家都認為先有蛋后有雞，因為恐龍是先造了個類似鳥窩的窩，再生了個類似鳥蛋的蛋，于是才有了雞的祖先——鳥類?？勺罱茖W家通過鑒定一種蛋殼里特有的蛋白質認定：必須是先有雞才有的蛋，因為這種蛋白質只能在雞的卵巢里產生。這么一來，究竟是蛋生了雞，還是雞生了蛋，成了一個生生不息的話題……
有趣的是，在物理學里同樣存在類似的話題——究竟是電生出了磁，還是磁生出了電？

電生磁與磁生電（From http://psat.yangtzeu.edu.cn/）

前文“[水煮物理] 之二：物理的第一次”已經說到物理的第一次給了電磁學：古希臘人發(fā)現(xiàn)了摩擦生電和磁石吸鐵現(xiàn)象。而實際上，關于電磁學的實驗和理論研究主要發(fā)生在19世紀，電磁學的研究讓人類從蒸汽機時代跨入到了電氣化時代，并且直到今天，電和磁還是生產和生活中最不可缺少的元素。有關經典電磁學這段歷史，我們簡要回顧如下（詳見《物理學年譜》）：人們首先認識到導電體和絕緣體的差別（英國格雷，1731年），然后明確兩種同性相斥異性相吸的電荷（法國杜菲，1734年），而暴雨中的雷電也是類似物質（美國富蘭克林，1752年），這種電也能引起生物的肌肉收縮（意大利伽伐尼，1780年）[見[水煮物理](17)：電母的彩妝]。
磁力的相互作用滿足的是平方反比定律（英國米歇爾，1750年），而靜電荷之間的相互作用，也同樣滿足平方反比定律（法國庫侖，1785年），電流可使磁針發(fā)生偏轉，磁鐵也能使電流偏轉，這意味著電和磁之間存在密切的關系（丹麥奧斯特，1819年）。進一步的實驗表明，用電流通過繞線的方法可以使其中鐵塊磁化（法國阿拉戈、蓋？呂薩克，1822年）；而方向相同的兩平行電流之間存在相吸或反之相斥的相互作用。并可以用分子電流解釋物體的磁性（法國安培，1822年）；從實驗結果可歸納出直線電流元的磁力定律（法國畢奧？薩伐爾，1822年），即電可以 產生磁。隨后實驗發(fā)現(xiàn)導線中電流和電勢差之間的正比關系，并證明導線電阻正比于其長度，反比于其截面積（德國歐姆，1826年）。
而磁通過電磁感應現(xiàn)象也同樣能產生電（英國法拉第、美國亨利，1831年），感應電流方向和切割磁力線方向相關（德國楞次，1833年），電流實際上就是運動著的電荷所組成，運動電荷之間的相互作用力跟其運動速度和加速度也存在關系 （德國韋伯，1846年），并且電荷總數(shù)是守恒的（英國法拉第，1843年）。不僅僅是磁能產生電，溫差效應也能產生電（俄國塞貝克，1821年），逆效應就是電流產生溫差，這個效應甚至能讓水結冰（法國珀耳悌、德國楞次，1834年），而電流其實也可以產生熱效應（英國焦耳，1843年）。通過一系列電、磁、熱的研究，發(fā)明了諸如起電盤（意大利伏特，1775年）作為電源，電流計（德國許外格，1820年）作為測量電流大小的儀器和電橋（英國惠斯通，1843年）作為精確測量電阻的儀器。最后到1856-1873年，英國的天才物理學家麥克斯韋用數(shù)學語言表達出法拉第電磁場的力線概念。 從電磁理論推斷電磁波的存在，它以光速傳播并斷定光就是一種電磁波。1873年麥克斯韋的《電和磁》問世，完成了經典電磁理論基礎。

經典電磁學的內容在中學物理中是重點難點之一，其中一個原因就是一會兒是左手定則，一會兒又是右手定則，這讓左撇子很郁悶[楊芳，鐵磁學外傳—（5）俺們磁電哥倆好]。實際上原則只有一個，就是麥克斯韋方程組，或者用洛倫茲力公式：F=qv X B。只要稍微懂得矢量代數(shù)，什么定則都可以忘記。遺憾的是，大部分中學數(shù)學課程都不講授矢量代數(shù)，這使得很多人在理解有些物理量既有方向也有大小的時候很困難，尤其是電磁學里面對的幾乎都是矢量，立馬就崩潰了。順便提一下，麥克斯韋方程組被評為世界上十大最美公式之首！稱麥克斯韋為天才物理學家一點都不過分，因為要把當時如此繁雜的電磁學研究成果統(tǒng)一解釋，是何等之困難，而最終的四個方程又是如此之簡潔。

其實，電磁學并不是那么地難。只要我們搞清楚究竟電是如何產生磁，磁又是如何產生電的微觀機理，就一切明朗了。首先讓我們重新認識一下什么是電，什么是磁。電起源于電荷，微觀粒子是帶有正電荷或者負電荷的，它們的分布和運動就會形成電場和電流。磁之所以能產生電，實際上就是電荷在磁場中受力而運動，形成電流；而電之所以能產生磁，是因為運動的電荷會產生磁矩，形成一定的磁場分布。這里涉及到一個很重要的概念，電場和磁場。什么是場？馬克思早就說過場是一種物質，電場和磁場都是物質而不是意識，雖然它們看不見摸不著。愛因斯坦質能方程說明物質和能量其實可以相互對應。實際上，場就是特指某種能量分布，一些物體在其中會因能量梯度的不同而感受到作用力，這個作用力可以驅動物體的運動。不僅僅是電和磁可以產生場，質量本身也可以產生引力場。電磁場就是電和磁在空間的一種能量分布而已，電荷和磁矩在其中會受到作用力，這就是電生磁和磁生電的奧秘所在。

要注意的是，雖然說電和磁兩兄弟來自同一個媽而且不分家，但畢竟哥哥和弟弟還是有區(qū)別的?？纯醋钚〉碾姾伞娮泳椭?，它不僅僅只有質量、體積、一個單位電荷，還有另外一個特征——自旋。即電子本身就是帶1/2個單位磁矩的，一個單位磁矩叫玻爾磁子，就是具有N極和S極的最小磁單元。自旋并不是說電子不僅繞原子核公轉還有自轉，實際上由于電子半徑非常之小，要是自轉能產生如此大的磁矩的話，其邊緣的速度就必定超過光速，這是違反物理規(guī)律的。我們并不清楚為什么電子會有自旋的特征，但我們清楚地認識到，電子具有內稟磁矩——自旋磁矩?，F(xiàn)代物理學研究表明，不僅僅是電子，類似電子的其他輕子也有1/2的自旋磁矩，而其他微觀粒子也有不同的磁矩大小，有的粒子完全可以不帶電荷但卻有磁矩，如中子。原子核的質子和中子組成將形成核磁矩，而核外電子也將產生繞核運動的軌道總磁矩和自旋總磁矩。實際上，電子的自旋磁矩要比軌道磁矩大得多，故原子的總磁矩主要來自于不同自旋方向的電子數(shù)差異形成的總自旋磁矩。這么一來，固體的磁性就來源于材料中原子磁矩的排列方式。如果原子磁矩大小相同并且方向相同，那么材料整體將體現(xiàn)鐵磁性，它可以發(fā)生自發(fā)磁化并形成穩(wěn)定態(tài)，如電流磁場把鐵磁化成磁鐵。如果原子磁矩大小相同，但是相鄰的磁矩方向相反，那么材料整體將體現(xiàn)反鐵磁性。如果原子磁矩的排列是雜亂無章的，那么材料整體就是順磁性。原子磁矩在材料內部一定范圍內形成微區(qū)的不同分布，可以形成所謂的磁疇，即每個疇區(qū)總磁矩方向都不一樣。這么看來，磁的起源要比電的起源要更為復雜。

盡管人們早已經知道，電的單位載體就是電荷，但是磁的單位載體是磁荷么？這一點很令人困惑。如果你注意到前文提到磁都只說磁矩。而不說磁荷就感受到困難所在了。無論你把任何一塊N-S磁鐵斷開，形成的兩塊磁鐵還是分別具有N和S極，甚至到了微觀粒子還只能說磁矩不能說磁荷！理論上，磁荷又叫做磁單極子，即獨立具有N極或者S極的磁單元。許多理論家都預言了磁單極子的存在，但是實驗物理學家費了九牛二虎之力和無數(shù)個日夜去尋找卻總是無功而返，其中包括多次的太空探測實驗。直到2009年，德國和法國物理學家在一種自旋冰晶體（鈦酸鏑和鈦酸鈥單晶）中，通過在低溫下（0.5-2K）加強磁場使得磁單極子分離，觀察到了磁單極子的存在。中子散射和Muon子散射的數(shù)據清晰地看出磁單極子是分開的。雖然發(fā)現(xiàn)的磁單極子只是在固體材料內部并且在某些特定的外在條件下實現(xiàn)，但這讓科學家對探測孤立磁單極子的仍然充滿了濃厚的興趣和希望。

物理學家已經把電相互作用力和磁相互作用力統(tǒng)一為電磁相互作用，并進一步和弱相互作用以及強相互作用統(tǒng)一為大統(tǒng)一理論。微觀粒子之間電磁相互作用是通過交換電磁場能量量子——光子實現(xiàn)的，電生磁和磁生電不過是電磁相互作用的宏觀體現(xiàn)。當然，更多的難題還在后面，人們目前仍然不知道電子的內部結構，也尚未清楚電荷本身的起源。何況磁荷還遮著面紗，更無法知曉其內部結構了?；蛟S，這就是后輩物理學家在前人的肩膀上繼續(xù)前進的理由。