理论教育 质量概念研究:电磁学解释和惯性质量

质量概念研究:电磁学解释和惯性质量

时间:2023-11-09 理论教育 版权反馈
【摘要】:亚伯拉罕进一步认为,质量的纯电磁理论表明力学质量m的引入是无根据的,考夫曼的实验验证了这一结论。此外,他还认为,如果电荷体系的电磁质量等于每个个体电荷的电磁质量之和,或换句话说,如果电磁质量的相加性成立,那么电子或相似构造的其他粒子的动力学的纯电磁学解释似乎已经取得成功。在第二份题为《关于电子的电磁质量》的报告中,他纠正了先前的陈述并且得出结论:电子的质量仅仅是电磁现象。

质量概念研究:电磁学解释和惯性质量

电磁质量概念的早期支持者之一维恩,在一篇《关于力学的电磁学基础的可能性》的论文中第一次承认麦克斯韦、开尔文和赫兹都已经选择自然的方式把力学作为麦克斯韦方程组来源的基础。[57]然而,由于为这一目的而设计的力学模型不断增加的复杂性,维恩认为把电磁方程组作为力学定律的来源基础的物理学理论的未来发展更有前途。

提到海维赛德的“电惯性力”,维恩概括了这一结果并表达了他从电磁学理论中可导出力学惯性的坚定信念。“物质的惯性,它是除了引力作用之外给予质量的另一个独立的定义,不需要其他假设就可以从已被频繁引用的电磁惯性的概念中推导出来。”维恩惯性质量的引出是基于塞尔的关于由一个带电的“海维赛德椭圆体”运动中产生的电场能的计算。通过计算,维恩确定海维赛德的结论适用于低速v,但表明对于高速不得不考虑展开的其他项,即电磁质量是依赖于速度的。

质量的电磁学概念后来的发展,特别是作为它的倡导者马克思·亚伯拉罕的解释,与玻因廷1884年关于电磁场中能量转换的著名定理的发现紧密相联,也与由彭加勒预示其理论上的重要性且被亚伯拉罕以非常详细地计算出的电磁动量概念紧密相关。亚伯拉罕对惯性质量电磁性质的研究仅限于电子的力学中,特别是通过考曼夫的工作,这在那时是大量实验探索的主题。[58]在他著名的教科书《电学理论》中题为《电子动力学的基本假设和电磁学的世界图景》的一章中,亚伯拉罕声明他研究的目的是能以纯电磁学基础来解释考夫曼实验的电子动力学的发展。

通过计算,亚伯拉罕得到结论:如果电子的速度v在大小和方向上是常量,那么场的总电磁学动量G(f)同样是常量,且它的时间微分等于零。在他关于“电子动力学原理”的论文中,他给出了惯性定律的电磁学版本的精确表达:如果从一开始电子的运动是均匀的和纯粹平移的,且如果它的速度远小于光速,那么对于匀速运动的延续,无需外力或转矩。如果电子的速度v增加或减少而无方向上的改变,那么当它的大小由下式给出时,矢量dG(f)/df同样存在于运动方向上,,这里w是动力加速度,μ是电磁质量。并且,电子遵从作用于与运动方向相反且大小上等于加速度乘以电磁质量的力。

同时,亚伯拉罕把电子视为电荷(或者体积电荷或者表面电荷)均匀分布的刚性球体,无条件地拒绝可变形电子的想法。亚伯拉罕进一步认为,质量的纯电磁理论表明力学质量m的引入是无根据的,考夫曼的实验验证了这一结论。此外,他还认为,如果电荷体系的电磁质量等于每个个体电荷的电磁质量之和,或换句话说,如果电磁质量的相加性成立,那么电子或相似构造的其他粒子的动力学的纯电磁学解释似乎已经取得成功。牛顿的第二运动定律于是将成为电磁场的麦克斯韦理论的结果。[59]

考夫曼在哥廷根物理学协会上的关于电子通过同时发生的电场与磁场和电子的e/m的测定的电子偏转的著名实验真的验证了亚伯拉罕的论点吗?在关于他实验的第一份报告中,考夫曼总结了他的结果,声明电磁质量μ,即他所谓的“表观质量”(scheinbare mass),有与他叫作“真实质量”(wirkliche masse)的力学质量m一样的数量级,然而随着速度的增加,“表观质量”大大超过了“真实质量”。由于这些结果,考夫曼认为分布于电子上(或在里面)的不同电荷的假说导致了“真实质量”为零的结论。在第二份题为《关于电子的电磁质量》的报告中,他纠正了先前的陈述并且得出结论:电子的质量仅仅是电磁现象。同时,亚伯拉罕在一篇题为《电子的动力学》的论文中,持与考夫曼术语一致的观点,“经常被使用的‘表观’质量和‘真实’质量的术语可能导致混乱”,他警告道:“在力学的意义上,‘表观’质量是真实的,而‘真实’质量显然是不真实的。”亚伯拉罕还指出:“严格地说,电磁质量不是一个标量而是一个以旋转的椭圆体对称的张量。”以考夫曼的实验为基础,亚伯拉罕以这样的话总结了他的报告:“电子的惯性起源于电磁场。”同年,在卡尔斯巴德的一次科学会议的致辞中,亚伯拉罕宣称:“电子的质量纯是电磁性的。”洛伦兹以“当然是现代物理学最重要的结果之一”向这一结论致敬,然而,他还是承认:“如果我们喜欢,我们自由地相信有一些小的物质质量依附于电子,据说等于电磁质量的一百分之一。”尽管洛伦兹因此承认亚伯拉罕论点的实验证实的非决定性,但是他在简单原理的基础上似乎已经大体上同意了亚伯拉罕的观点。(www.daowen.com)

这样,质量的电磁学概念的程序已经建立:一旦原子和分子被还原为正的和负的电荷,并且它们的惯性行为在电动力学的基础上被解释,那么整个物理世界总的来说将只有正的和负的电荷以及它们的电磁场,自然中的所有过程将被还原为对流和它们的辐射,世界的“原料”(stuff)将被从它们的物质实体上剥夺。

质量的电磁学说随着它的含义很快开始吸引学术界的注意。尽管它几乎不能被认为曾经赢得了普遍的接受,但是大量杰出的物理学家表达了他们的赞同。例如,彭加勒在《科学与方法》中宣称:“我们所称作质量的东西只是一种表象,所有惯性都将起源于电磁学。”巴克耳则再次核对了考夫曼的实验,认为:“有形原子的质量将最终作为仅仅只是虚构而显示自身。”都柏林大学学院数学物理学教授康韦在一篇题为《电磁质量》的论文中,发展了一种电磁质量张量的理论,即“质量二次曲面”理论。康斯托克、哈金斯和威尔逊在质量的电磁概念的基础上解释了原子物理学。[60]

然而,因为质量的电磁理论不能成功实现对除原子之外的物质组成的推广,因此对此理论的早期热情不久就减弱了。此外,电子质量的速度依赖的实验验证——迄今为止它是电磁学概念的主要证据——在革新的相对论中发现了一种新的解释。

对于质量概念的发展以及因此对于普遍物理学理论的发展,物质的电磁理论具有决定的重要性。直到它的出现,物理学家和哲学家大体上都追随被称为物理实在的实体概念之物。根据这一观点,一个自然的物体,首先是它是什么:仅仅以它固有的、不变的和持久的性质为基础,在它之中质量是物理的表达而惯性质量是定量的测量。然而,电磁概念提议剥夺它的实质质量这个固有本质的内容。尽管电荷——至少在某程度上——履行了质量的功能,但真正的物理学行为的场不是物体,而是如麦克斯韦和玻因廷所表明的环绕的介质。场是能量的场所,物质变得不再是物理事件反复无常的唯一依托者。把质量解释为物质的量,或更精确地,把惯性质量视作物质的量的测量,现在已经失去了所有的内涵。对实体来说,它的首要本质已经被丢弃。在这个词的现代意义上,质量的电磁概念不仅是最早的场论之一,而且它也充分表达了现代物理学以及现代物质哲学的基本原则。[61]

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈