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物理的感悟:(六十)電磁勢場真實麼?
2026/06/07 00:27
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物理學界存在著一種爭議:電磁勢場真的是物理量麼?還是只是一種純是為了建構物理理論的數學結構(mathematical construct)。

這個爭議並不是發生在經典電磁學。經典電磁學的核心觀念是電荷、電流、電場、磁場。核心公式是馬克士威方程組。勢場的觀念原先對於電場和磁場是分別提出的。電勢場直接可以從庫侖定律逆向推導出。磁勢場是佛朗茲·紐曼(Franz Ernst Neumann)及威廉·愛德華·韋伯(Wilhelm Eduard Weber)在1845及1846分別提出。也是從磁場逆向推導出來的。這兩個勢場合併成四維電磁勢場是相對論以後的事。這兩個觀念不能被測量。由於規範自由,甚至連表達的函數都不能確定,因此普遍被認為僅僅是數學結構。其中電勢場的觀念與重力加速場的觀念類似,較容易理解。由於磁勢場是從磁場散度為0逆推出來,再加上磁場是磁勢場的旋度,看起來很怪,很容易被認為是以數學湊出來的觀念。

爭議發生在量子電動力學(quantum electrodynamics),是量子論版的電磁學。不同於經典電磁學,電磁勢場是直接出現在量子電動力學的核心公式中。因此戴維·玻姆(David Bohm)認為既然在量子電動力學中的公式含有電磁勢場,怎麼可能不是物理量呢?他一直想找一個實驗方法證明電磁勢場是真實的物理量。

在1959年戴維·玻姆與亞基爾·阿哈羅諾夫(Yakir Aharonov)共同設計了一個實驗裝置證明在沒有電磁場,只有電磁勢場的狀態,仍然會受到電磁勢場的影響而產生可測試的效應,稱為阿哈羅諾夫−玻姆效應(Aharonov-Bohm effect)。

在量子論中最著名的實驗莫過於雙縫實驗。將電子群射向一片有兩個狹縫的板子。電子可能穿過任何一條縫。電子在穿過縫後射向一個探測屏幕。屏幕上會顯示電子之間互相干擾的圖樣。

阿哈羅諾夫−玻姆效應的裝置是在板子後面兩個縫中間放置一個螺線管(solenoid)。双縫實驗的電子無法穿透螺線管,只能繞過螺線管。將磁場限制在螺線管之內。螺線管之外沒有磁場。由於磁場是磁勢場的旋度,只要螺線管內有磁場,螺線管內外都會有磁勢場。依照量子論,磁勢場會改變電子干擾的圖樣。

螺線管內沒有磁場的狀態雙縫實驗產生一種圖樣。在螺線管內有磁場的狀態雙縫實驗會產生另一種圖樣。證明磁勢場確實對電子有影響。因此磁勢場證明真實存在。然而也僅此而已。這樣的實驗並不能測量磁勢場的值。至今也沒有找到方法測量電磁勢場的值。

雖然這個實驗說服了許多物理學者,然而實驗無法真正做到磁場一點都不外洩,仍然有些物理學者沒有被說服。爭議仍然存在。

從真實論的觀點這個爭議源自對於物理的錯誤理解。無庸置疑宇宙中的現象是真實存在的。人類的物理來自對真實現象的觀察。人類的觀察類似攝影。觀察的結果類似影像。就如影像不是真實的物體,人類基於觀察結果所建構的物理定律也只是景象的定律。因此在真實論之前的物理是描述景象的景象物理,不是描述真實現象的真實物理。

要描述真實宇宙必須覆蓋以座標系。要與人類觀察相接得採用人類的度量。狹義相對論採用閔考斯基度量。這個度量有缺陷。積質量衡量物質的材料量。光顯然需要材料,但是光的積質量在閔考斯基度量是0。這就是人類度量導致的問題。非人類如果是用另一種度量,例如歐幾米得度量,就沒有這個缺陷,卻可能有別的缺陷。

從真實物理到景象物理的觀念是漸進的。先是賦予人類的度量。再來是依據每個觀察者觀察。從真實進入相對。譬如真實四維動量,經各人觀察成為各人的相對四維動量。再從相對分為時間與空間分量。相對四維動量被分成時間分量的相對能量,與空間分量的相對三維動量。人類可以測量相對能量與相對三維動量。無論哪個層次都是物理,只是從真實物理漸進成人類可以測量的景象物理。

四維電磁勢場對應的是四維電流。沒有學者質疑四維電流不是物理。那麼伴隨四維電流的四維電磁勢場怎麼可能僅僅是數學結構呢?電磁勢場在電荷靜止狀態只有電勢場有值。磁勢場是觀察者有相對速度才有值,來自於勞倫茲變換。因此如果電勢場是物理量,磁勢場勢必也是物理量。電勢場的規範自由源於人類觀察的侷限。

上一篇已經說明,人類所能測量的電場與磁場實際上不是四維空間的觀念。是四維空間電磁勢場映射到愛因斯坦空間後產生的觀念。是景象物理,不是真實物理。人類所觀察到的全部都是景象物理。只有對應的四維空間觀念才可能是真實物理。


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