照亮相對論的光 (上)

我在《光的祕密》文中討論了電磁學的發展,以及馬克士威方程如何預言電磁波的存在。但是在 19 世紀末的物理學界仍然存在好幾片烏雲,而且正不斷擴大。其中一片就是牛頓力學與電磁學的結論互相抵觸。

相對性原理 (principle of relativity) 其實並非愛因斯坦所發現的。人類似乎很早就知道 (卻沒有去追問為甚麼,彷彿一切都是必然的) 我們能在行駛中的船上以在地上一樣的力度和角度打桌球、廚師能以在地上一樣的技巧將薄餅拋來拋去、而你也能夠在正以時速 900 公里飛行的飛機上從容不迫地與在地面上一樣做相同的動作。看來,我們習慣所有東西都是理所當然的。懷海德 (Alfred North Whitehead) 說

“It requires a very unusual mind to undertake the analysis of the obvious.”

伽利略是個 unusual mind。他發現了鐘擺等時定律、也發現了物質具有慣性 (inertia),即沒有被施外力的物質會一直保特其運動速度,即是以同樣的速率與方向繼續運動。所以相對性原理其實是伽利略發現的。

牛頓也知道伽利略發現了這個超越古希臘的知識。由觀察蘋果和月球的運動得出萬有引力定律的牛頓,肯定也是個 unusual mind。這是發生在 17 世紀的故事,距公元 5 世紀愛奧尼亞文明的衰亡足足遲了 1200 多年。我經常想像,如果阿基米德沒有被羅馬士兵所殺,也許人類文明會比現在進步上千年。

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回到主題。究竟描述光的電磁學與描述時空的相對論有何關係?關係在於電磁波動方程:

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其中 E 及 B 分別為電場及磁場,它們頭上的箭咀表示它們是三維向量。由上述公式可知電磁波的存在,其速度約為每秒 30 萬公里。究竟秒速 30 萬公里有甚麼問題呢?這個數字本身沒有問題,問題在於這一數字是個常數,即其數值不會改變。在數學中,我們都清楚知道常數的數學規則。但在現實中,「光速是個常數」究竟是甚麼意思?「不會改變」究竟是指何種情況之下不會改變?愛因斯坦的答案是:在宇宙間任何時間、地點、運動狀態下都不會改變!

想像小明在火車車廂中以速度 u 跑步,而火車正以速度 v 行駛,所以在月台上的人看到小明的速度就應該是 u + v 吧!接下在,我們想像正在跑步的不是小明,而是一道以速度 c 前進的光線。請問在月台上的人看到的這道光線正在以甚麼速度行進呢?是 c + v 嗎?不!答案是 c。無論這道光線向著哪個方向發射,其速度都是 c,不多也不少。

你可能會問:「這怎麼可能!如果我以光速向著一道光線跑去,我不是會看到兩倍光速嗎?」不,結果仍然是 c。在這場牛頓對馬克士威的比賽中,大自然選擇了馬克士威。馬克士威的電磁理論在宏觀的大尺度事物上是正確的,它與愛因斯坦的相對論相容,但與牛頓的絕對時間、空間概念相悖。大自然告訴我們,速度不是 1 + 1 = 2。在《你也能懂相對論》一文中,我們已經討論過狹義相對論,故此不再重複。相對性原理說明,宇宙間沒有絕對速度,可被測量的只有相對速度。即是說,月台上的人可以說是火車在運動,火車上的人也可以說是月台在運動,兩者的說法都一樣正確。

現在我想以電磁學的角度去討論相對論。一個運動中的帶電粒子會同時產生電場與磁場,而靜止中的帶電粒子則只會產生電場,沒有磁場。問題來了:哪究竟這粒子有沒有產生磁場?如果一個觀測者 A 相對於該粒子為靜止,他將不會測量到任何磁場。但如果有另一個觀測者 B 相對觀測者 A 運動,他將會測量到一個磁場,因為觀測者 B 相對該粒子也在運動。可是,物理現象必須是唯一的,因為同一個事件不可能得出兩個不同的結論。

我們來進一步分析這個問題。假設你有一個任意形狀的線圈和一塊可以改變磁場強度的電磁鐵。我們試試把電磁鐵穿過線圈,你可以做三個實驗:

  1. 固定電磁鐵,移動線圈;
  2. 固定線圈,移動電磁鐵;
  3. 固定線圈及電磁鐵,改變磁場強度。

如果我們真的做這三個實驗,會得到什麼結果呢?由於時間關係,我把結果告訴你:三個實驗都發現有電流通過線圈,其數值都完全一樣!

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法拉第做了這些實驗。在實驗 (1) 裡,產生電流的原因是磁力。根據洛倫茲力方程式 (Lorentz force equation),由於沒有電場存在,作用於線圈內每單位電荷的力就是

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其中 u 為電荷的速度。由於磁通量 (magnetic flux) 是

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參考上圖,線圈由時間 t 的位置移動到時間 t + dt 的位置,帶狀範圍就是 [並非由硬幣導致……] 磁通量的改變,其量為

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考慮圖中點 P,經過了 dt 的時間後它移動至 P’ 的位置。如果 v 為電線段的速度,u 為電荷在電線內的速度,所以 w = v + u 就是電荷在點 P 的速度。由於每一格帶狀區域的面積就是 dA = (v x dl) dt代入 (3) 式就得到

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因為 u 平行 dl 於,所以我們就有

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現在利用恆等式

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可以把 (5) 式改寫成

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由於 w 就是電荷在點 的速度,所以 (w x B) 就是電荷所受的磁力,根據 (1) 式我們就有

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最後,根據電動勢的定義

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我們就得到

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亦即我們在中學學過的「電動勢等於磁通量的負改變率」

另一方面,我們也可以試試來考慮實驗 (2) 和 (3),看看會得到什麼有趣的結果。

首先,我們知道改變中的磁場能夠感生一個電場。實驗 (2) 和 (3) 中的電動勢均由此電場產生,其強度與第 (10) 式中的一樣:

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現在使用第 (2) 式,我們就會得到

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這就是積分版本的法拉第定律,對它作旋度 (curl) 就可得到在《光的祕密》一文中的微分版本法拉第定律。

在實驗 (2) 和 (3) 中,法拉第發現線圈內的電動勢的數值,竟然恰巧等於實驗 (1) 中所得的數值!你可能會說:「當然!根據相對論,重要的只是線圈和電磁鐵的相對運動,所以實驗 (1) 與實驗 (2) 和 (3) 所得的結果必然一樣。」可是,當年的法拉第並不懂得相對論,愛因斯坦也還未出世。而且這也不足以解釋實驗 (3) 的結果為何也是一樣。由電磁學的角度看,這純粹是個漂亮的巧合。法拉第也有個 unusual mind,他的直覺告訴他,「電」與「磁」應該是相同的物理現象。不過他一直要等到馬克士威發現他的馬克士威方程式,法拉第的假設才被證明。

由這些討論我們可以得出甚麼結論?基於完全不同的物理過程,實驗 (1) 與實驗 (2) 和 (3) 得到相同的電動勢:實驗 (1) 中產生電動勢的是磁場,而實驗 (2) 及 (3) 中產生電動勢的卻是改變中的磁場所感生的電場。嚴格來說,實驗 (1) 的結果並非法拉第定律,因為法拉弟定律所指的是由磁場所感生的電場。這個分別看似無聊,但是正正因為這一分別,令愛因斯坦得到靈感,最終發現狹義相對論。愛因斯坦在他的論文中指出,這個事實顯示在電動力學與力學中,根本不存在絕對靜止的概念。

電動力學 (electrodynamics) 就是研究電磁現象與粒子的相互作用的物理學分支。與牛頓力學不同,由馬克士威方程式出發的電動力學與相對論相容。當時大部分科學家都認為,牛頓力學在物理學界已經屹立了幾百年,而馬克士威寫下他的方程式只有區區幾十年,所以馬克士威一定是錯的。但愛因斯坦並沒有因為理論誕生的先後次序而否定馬克士威方程式。

歷史證明愛因斯坦又是另一個 unusual mind。在科學裡,無論一個理論的歷史有多悠久、它的數學有多嚴謹、提出它的人有多著名,只要它不符合觀察結果,它就是錯的。科學裡只有事實,沒有權威。

法拉第曾用磁鐵感生出一個電流,使浸在水銀中的電線迴轉運動。這其實就是現代發電機與摩打的原型,法拉第在實驗中造出世上第一個發電機和摩打,然而他並不知道在百多年後的今天,他的研究對世界造成多大的貢獻。

有一年,法拉第在他著名的倫敦聖誕科學講座示範他的電磁實驗。實驗完結後,觀眾之中有一位女士問他:「法拉第先生,請問這樣做有什麼用途?」

法拉第很禮貌地回答:「我的女士,請問一個初生嬰兒有什麼用途呢?」

“Mr. Faraday, of what use is this?”

“Madam, of what use is a newborn baby?”

就像在《光的祕密》提到的赫茲一樣,法拉第不知道他的偉大科學貢獻對後世會有什麼影響。每一個新的科學發現都像一個新生嬰孩,在當下我們可能不會看到即時用途。但經過時間,每一個科學發現都有無限可能性、每一個科學發現都同樣重要。這一種看待科學以及其他所有創新概念的態度,我們應該向法拉第好好學習。

下回,我們將會看看如何用相對論證明「電」與「磁」其實是相同的物理現象。

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光的祕密

霍金當年寫《時間簡史》時,出版社警告他:書內每多一條公式,銷售量便會減半。

為何我仍然會在科普裡寫數學公式?這是因為我希望即使讀者未能理解推導過程的每一個步驟,也能夠體會大自然確確實實是物理與數學的美麗結合。越基本的科學所涉及的數學就越複雜,所以有人說「物理是科學之父、數學是科學之母」。終究科學並不是寫作,科學必須經過嚴謹論證,不可能每一次都用純文字去解釋。

4633000725_8817dcedb9_b聖經上寫道:「神說:『要有光!』就有了光。」如果宇宙真的存在一個創造者,我不相信這會是祂說過的話。天文學家使用越來越大型亦越來越精密的天文望遠鏡收集來自宇宙深處的光,希望得知宇宙的奧秘。今次我要討論一個問題,其實「光」是甚麼?

我們一般說的光,多指可見光 (visible light),波長約由 400 納米至 700 納米。整個電磁波譜由射電 (即 radio wave) 到伽瑪射線 (gamma-ray),可見光只佔其中非常少的部分。為甚麼我們會叫它們做「電磁」波呢?光又為何會是電磁波?

在日常經驗裡,「電」與「磁」看上去是兩種不同的物理現象。事實上,「電」與「磁」是同一個硬幣的兩面,本為一體,只是其中的關聯不容易被察覺而已。

1665 年,牛頓用三稜鏡把白光分解為七彩的光。他把另一個三稜鏡倒轉放在彩光後面,發現七色能夠結合變回白光。他認為光是一種粒子,其他一些人則認為光是一種波動。

1806 年,奧斯特 (Hans Christian Ørsted) 發現了電流磁效應。有一天,他在課堂上做電學實驗的示範,察覺到電線旁的指南針會受電流影響,從而發現了電流可以產生磁場。這就開啟了物理學的一道大門:「電」與「磁」兩種看來互不相干的物理現象之間的關聯被發現了。

1831 年,法拉第 (Michael Faraday) 發現了磁場的改變能夠產生電流,原來電能生磁、磁亦能生電。這些發現暗示了「電」與「磁」有可能只是同一種物理現象的兩個表現。

在 19 世紀,科學界已經累積了非常多的電磁現象實驗數據,但卻未有人能夠解釋所有現象。終於在 1865 年,馬克士威 (James Clerk Maxwell) 成功將所有理論與實驗數據整理好,他只用幾條方程式就解釋了所有電磁現象,從此電學與磁學統一為電磁學,成為一個完整的電磁理論。這是現代物理史上第二次將兩個看上來不同的現象統一起來;第一次統一是牛頓用運動三定律和萬有引力定律把力學和行星運動結合起來,就是我們學過的經典力學。

讀者若有中學程度的物理底,該會聽過庫倫定律 (Coulomb’s Law) 與法拉第定律 (Faraday’s Law) 等等之電磁學定理。這些定律全被包含在馬克士威方程式 (Maxwell’s Equations) 當中,所有的電磁現象都可以從這四個公式推導出來:

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其中 EB 分別為電場 (electric field) 及磁場 (magnetic field)、ρ 是電量密度 (charge density)、J 是電流密度 (current density),E與 上面的箭咀表示它們是三維向量。

現在嘗試由 (1) 式推導出庫倫定律。把 (1) 式作體積積分,就會得到

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左邊使用高斯散度定理 (Gauss’s divergence theorem),右邊使積分電量密度寫成總電量 Q,就有

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考慮球狀對稱,左邊就只剩下沿半徑向外的電場分量,所以變成純量 EdA 的積分,故此就得到電場

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這就是讀者熟悉的庫倫定律。

其實當年馬克士威的方程式組包含了二十個公式,以上只有四個公式的現代版本是由黑維塞 (Oliver Heaviside) 與吉布斯 (Josiah Willard Gibbs) 於 1884 年使用向量形式重新表達的。

說到這裡,究竟電磁學與光有甚麼關係?早在 1676 年,奧勒.羅默 (Ole Rømer) 聰明地利用觀測所得之木星衛星掩食時間與理論上的數值比較,從而計算出光從木星飛到地球的時間,是有史以來首次測量到光速的準確數值:約為秒速 30 萬公里。

馬克士威發現,使用 (1) 至 (4) 式可以推導出數學之中用來描述波動的波動方程,因此他預言電磁波的存在。問題在於如何得知電磁波與光是同一種物理現象?以下我將推導電磁波動公式,答案就藏在結果之中。

考慮 (2) 式,把它作旋度 (curl),並使用恆等式

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就得到

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由於旋度算子與對時間的偏微分算子互相獨立,作用次序可以互換。再將 (1) 式代入 (9) 式左邊,將 (4) 式代入右邊,當我們考慮真空狀態,電量密度及電流密度均為零,就得到

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(10) 式可寫成

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同樣地,磁場也可以寫成

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讀者可以自行推導。(11) 式與 (12) 式就是電磁場三維向量波動公式,它們每一個方向的分量都可以寫成下述模樣:

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這就是波動方程,f(x,t是位置 x 與時間 t 的純量函數,u 是波的速率。所以我們發現電磁現象可被描述成一種波動,而且在真空下具有速率

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所以這樣就證明了電磁波的存在。

(14) 式之中的真空電容率與真空磁導率皆為常數:

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由此計算出 c 大約等於秒速 30 萬公里!「這不是光的速度嗎?何等巧合!」由於電磁波的速率與光速非常巧合地一致,這使得馬克士威不得不下結論說,光就是電磁波!

到了 1886 年,赫茲 (Heinrich Rudolf Hertz) 在實驗中證實了電磁波的存在,成為世上第一個傳送電磁波的人 ,頻率的單位赫茲 (Hz) 亦以他的名字命名。

當年,赫茲在課堂上做電磁波傳送實驗,有學生問他:「這樣做有什麼實際用途?」

赫茲回答:「一點用也沒有。」

誰又知道,今天差不多每個人都有一部手提電話、電台和電視台無時無刻都在廣播、現代人最重要的必需品不是食物不是水,而是 Wi-Fi。

馬克士威把電學與磁學結合成為電磁學,更把光學一同納入電磁學的範疇。這是物理史上一次極其重要的統一,大自然在人類面前展示出她偉大而美麗的一致性。不過,馬克士威的電磁理論當年亦曾被科學家所懷疑,因為 (14) 式的結論「光速是個常數」完全抵觸了牛頓的物理學觀點:時間及空間的絕對性。這個問題最終在 1905 年被愛因斯坦提出的狹義相對論解決了。

下一次,我們將會討論電磁波的特性,以及電磁學與相對論的關係。

我想,宇宙若存在一個創造者,祂說的應該是:「要有馬克士威方程!」就有了光。