“在電子電路中，電子的流動(dòng)被限制在導(dǎo)體內(nèi)，但能量傳遞并不依靠這些粒子的相互碰撞；相反，這個(gè)過(guò)程是通過(guò)電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的。電磁場(chǎng)雖然源于帶點(diǎn)利息，卻能自由擴(kuò)展到周圍空間。”

場(chǎng)的特性讓許多新手感到困惑，尤其是如果他們將電子在電路中的流動(dòng)類比為水在管道中的流動(dòng)。如果不考慮遠(yuǎn)距離的相互作用，就難以理解晶體管、電容、電感和其他電子元件的運(yùn)作原理。

但這些場(chǎng)究竟如何表現(xiàn)？電場(chǎng)相對(duì)容易理解：最基本的形式就是帶電粒子之間的靜態(tài)引力和斥力。正是這種力將電子束縛在原子核周圍，也是泡沫塑料屑粘在貓身上的原因。

磁場(chǎng)則更令人費(fèi)解。大多數(shù)教科書聲稱它們是同一基礎(chǔ)現(xiàn)象的表現(xiàn)形式，但隨后卻將磁場(chǎng)當(dāng)作一個(gè)完全獨(dú)立的、有著自己看似隨意制定的規(guī)則的實(shí)體來(lái)處理。作者們就像是從帽子里隨機(jī)抽出一個(gè)“B場(chǎng)”或“H場(chǎng)”，這些磁場(chǎng)只在教材認(rèn)為合適的時(shí)候才對(duì)運(yùn)動(dòng)的粒子產(chǎn)生作用。

狹義相對(duì)論

要建立更直觀的理解，我們需要從光速談起。這個(gè)概念的重要性常被誤解，但從最基礎(chǔ)的層面來(lái)看，它似乎是對(duì)因果律的基本約束：任何超距作用的傳播速度都無(wú)法超越無(wú)質(zhì)量基本粒子，光子，在空間中的行進(jìn)速度。

這對(duì)牛頓物理學(xué)構(gòu)成了有趣挑戰(zhàn)。假設(shè)有個(gè)叫 Finn 的人乘坐以 90% 光速遠(yuǎn)離你的宇宙飛船，其船體前后各裝有間隔約100米的閃光信標(biāo)。

后部信標(biāo)定時(shí)閃光。至于前部信標(biāo)，F(xiàn)inn 不想在飛船內(nèi)鋪設(shè)百米導(dǎo)線，于是設(shè)置了光電探測(cè)器來(lái)捕捉后部閃光并觸發(fā)前部信標(biāo)。

按照常規(guī)的物理觀念，你所處的參考系和芬恩所處的參考系是同等有效的。事實(shí)上，芬恩可能會(huì)認(rèn)為自己是靜止的，而你是正在遠(yuǎn)離他的人。在 Finn 的飛船上，按照物理規(guī)律，應(yīng)該不會(huì)出現(xiàn)什么異常的物理現(xiàn)象。Finn 觀察時(shí)，后部信標(biāo)先行閃光，隨后經(jīng)過(guò)330納秒（光穿越船體所需時(shí)間），前部信標(biāo)應(yīng)被觸發(fā)。 但在你的參考系中，這顯然矛盾！當(dāng) Finn 飛船后部信標(biāo)發(fā)出的光子行進(jìn) 100米時(shí)，飛船前端已逃逸至前方90米處。要么 Finn的光子光子比你的光子傳播得快得多，要么前部信標(biāo)需要更多的時(shí)間才能讓船前端的信號(hào)燈亮起來(lái)。 早期嘗試解決這一問(wèn)題的一個(gè)理論是“光以太”概念：這是一種宇宙介質(zhì)，光子被認(rèn)為在這種介質(zhì)中以恒定速度傳播。這一理論暗示了存在一個(gè)特殊的“以太錨定”的參考系。如果這個(gè)參考系恰好是你的參考系，那么以極高速度穿越以太的Finn 就會(huì)發(fā)現(xiàn)他宇宙飛船上的物理現(xiàn)象開始出現(xiàn)異常。 然而光以太始終缺乏實(shí)證依據(jù)，最終解決方案來(lái)自狹義相對(duì)論。該理論指出所有慣性參考系都等價(jià)，關(guān)鍵在于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的參考系會(huì)以不同方式體驗(yàn)時(shí)空。例如，在我們參考系中，對(duì) Finn 飛船的瞬時(shí)測(cè)量會(huì)顯示其長(zhǎng)度收縮，且船上時(shí)間流逝比地球更緩慢。

回到磁場(chǎng)

要解釋磁現(xiàn)象的本質(zhì)，只需借助相對(duì)論中的長(zhǎng)度收縮效應(yīng)：即運(yùn)動(dòng)物體在其行進(jìn)方向上的表觀尺寸和間距會(huì)縮短。雖然這種效應(yīng)在常規(guī)速度下可忽略不計(jì)，但電場(chǎng)卻是個(gè)例外，即便導(dǎo)線中電子的平均漂移速度通常每分鐘不超過(guò)幾厘米。

考慮一段靜止的銅導(dǎo)線。金屬內(nèi)部，導(dǎo)帶中的自由電子在帶正電的固定銅離子晶格間流動(dòng)。內(nèi)部電場(chǎng)確保電子被束縛在導(dǎo)體內(nèi)，但約束并不嚴(yán)格：

銅導(dǎo)體的極簡(jiǎn)模型

在此場(chǎng)景下，由于正負(fù)電荷平衡，無(wú)論從靜止電荷還是運(yùn)動(dòng)電荷的參考系觀察，導(dǎo)體都不會(huì)對(duì)周圍電荷產(chǎn)生凈電場(chǎng)。

接下來(lái)設(shè)想一個(gè)玩具電路：一個(gè)由一米長(zhǎng)導(dǎo)線構(gòu)成的回路，內(nèi)部有100個(gè)自由電子。在靜止（實(shí)驗(yàn)室）參考系中，無(wú)論電子靜止還是繞回路運(yùn)動(dòng)，其平均間距始終恒定保持1厘米。唯有增減電子數(shù)量才能改變間距，否則一米導(dǎo)線內(nèi)永遠(yuǎn)均勻分布著100個(gè)基本電荷。

但運(yùn)動(dòng)中的電子確實(shí)會(huì)表現(xiàn)出長(zhǎng)度收縮效應(yīng)！即當(dāng)它們相對(duì)于觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，行進(jìn)方向上的表觀間距會(huì)比運(yùn)動(dòng)電子自身感知的 “真實(shí)” 距離要小。要調(diào)和這一矛盾，必須認(rèn)識(shí)到在運(yùn)動(dòng)電子的自身參考系中，它們的分布會(huì)顯得更稀疏；對(duì)這些電子而言，導(dǎo)線圈的形態(tài)與實(shí)驗(yàn)室參考系中的觀測(cè)結(jié)果并不相同。

基于此，讓我們重新審視載流導(dǎo)體模型。如前所述，在實(shí)驗(yàn)室參考系中，導(dǎo)體長(zhǎng)度不變，因此（表觀收縮的）電子密度與銅離子密度保持平衡，不會(huì)對(duì)附近靜止電荷產(chǎn)生凈電場(chǎng)：

若導(dǎo)體外存在與內(nèi)部電子同向運(yùn)動(dòng)的自由電荷呢？從該電荷的視角來(lái)看，導(dǎo)體內(nèi)部呈現(xiàn)為稀疏分布的靜止電子與密集反向運(yùn)動(dòng)的正離子！

換言之，在該電荷的參考系中，會(huì)感受到將其拉向?qū)w的凈電場(chǎng)——但該效應(yīng)僅在其與電子同向運(yùn)動(dòng)時(shí)顯現(xiàn)：

運(yùn)動(dòng)電荷參考系下的電場(chǎng)分布

本質(zhì)上這就是磁場(chǎng)的起源。雖然這種分析方式并非萬(wàn)能，該模型在處理永磁體或加速電荷時(shí)會(huì)變得復(fù)雜，但至少為這種神秘作用力提供了更直觀的解釋路徑。

原文轉(zhuǎn)載自：https://lcamtuf.substack.com/p/whats-the-deal-with-magnetic-fields，經(jīng)過(guò)翻譯及校驗(yàn)