什么是磁力?

考虑磁性的一种方式是它是对静电力的“相对论修正”。这是因为所有信息(包括电荷移动时电场的传播/持续更新)都不能以超过光速的速度传播。因此,只有运动的带电粒子在磁场中感受到磁力,只有运动的带电粒子才能产生磁场。如果粒子不移动,则不需要校正电场,因为不需要持续更新,因此不需要“校正”即磁场。这意味着磁性材料之所以具有磁性,只是因为里面的电子都以类似的方式移动或“自旋”;这意味着它们的磁场加起来。

考虑这个思想实验:费曼在他著名的物理讲座中首先提出了这个实验。考虑两根相等的导线在同一方向上承载相等的电流。这可能有点高级:但它们都有磁场,按照右手定则。由于电流基本上是移动电荷,因此它们都受到弗莱明左手规则的作用力。而因此,他们吸引。我们知道电线中的电流由电子携带(与电流相反,因为它们带负电),而带正电的原子核保持静止。

由于电线带中性电荷(负电荷量 = 正电荷量),所有力都来自磁力而不是电力。此外,原子核没有移动,因此它们不受力。我们只需要考虑电子就可以找到导线上的总力!让我们假设我们不知道磁力是什么而只知道电,我们如何解释导线之间的吸引力?

如果我们像爱因斯坦那样,假装自己是一个电子,我们会看到什么?现在质子在移动而电子在静止。(我们通过说所有电子都以相同的速度移动来简化一些事情。)但是,还有其他奇怪的事情发生了:听说过长度收缩或时间膨胀吗?好吧,当电子相对于原子核移动时,他们看到原子核在他们的参考系中被挤压,并且导线看起来更短。但由于电子都以相同的速度运动,这些似乎并没有被压扁。

所以现在正电荷的密度大于负电荷的密度,电子看到导线带正电!相反的电荷相互吸引,因此电子会感受到朝向电线的力并与它们一起拉动电线(在此参考系中它们不会感觉到磁力,因为它们没有移动)。这就是磁引力的来源!(时间膨胀只是使力的大小在数值上正确。)我们也不必担心原子核,因为我们已经说过它们没有力。

你可能会问:但是电子的运动速度不是很慢,所以相对论真的不重要吗?是的,它们移动得很慢,但是有很多电子,所以很多小的修正加起来会产生明显的力。

因此,磁性只是计算这种对磁力的“相对论校正”的简化方法,而无需在不同的参考系之间跳跃。事情就是这样发生的,因为物理学和数学有点奇怪,磁场、磁力和粒子的运动都彼此成直角(弗莱明的左手规则)。实际上,当涉及带电粒子(忽略电子自旋)时,所有存在的只是电力和相对论。

在经典物理学中,重力有它自己的“相对论校正”,类似于磁力。但是这个力太小了,因为引力太弱了,只有在很重的东西(比如双星系统)中才会明显。此外,还有更重要的修正,这些修正都包含在广义相对论中,所以我们从未真正谈论过它们。