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1、第五十四章：要相信你看到的东西，但更要相信你看不到的东西灵遁者我之前就说过，任何时候思想都是宝贵的。任何一个时代当思想不具有价值的时候。我们就应该悲哀。我从来不敢说自己想的东西是正确的，但我提供了一种思路。人们需要这样的思路，需要这样的思考。人类的繁荣不是一步走到位的，就像认识从地心说，到日心说，到现在不知道“中心”在哪里。这些简单的文字，不是我发明的；这些实验和实验内容，更不是我实践的。我也和你一样，作为好奇者，是想去理解它的人，诠释它的人。然后还想知道更多东西的人。这一章我要为大家介绍什么是电偶极距，磁偶极距，磁化强度等抽象物理概念。一般而言，我们看不到的东西，我们说是很抽象的东西。你以为
2、现实中看到的东西远远多于看不见的东西，其实你错了。我们看不到的东西，远远多于我们可以看见的东西。所以你只相信你看到的东西，这是多么大的错误。但人又固执的相信自己，所以你会错的有多深，只有在最后你自己懂的。一个人应该相信他所看到的东西，还应该相信他所看不到的东西。但对于不能想象的事件，要保持谨慎。这是我给你们的建议。我们在要了解磁偶极距和电偶极距之前，应该先知道什么是电偶极子，磁偶极子。在电磁学里，有两种偶极子：电偶极子是两个分隔一段距离，电量相等，正负相反的电荷。磁偶极子是一圈封闭循环的电流，例如一个有常定电流运行的线圈，称为载流回路。偶极子的性质可以用它的偶极矩描述。这个描述很简短，但是很清
3、晰。接下来我们具体看看它们的定义。电偶极子是两个等量异号点电荷组成的系统。电偶极子的特征用电偶极矩p=ql描述，其中l是两点电荷之间的距离，l和p的方向规定由q指向 q电荷。电偶极子在外电场中受力矩作用而旋转，使其电偶极矩转向外电场方向。电偶极矩就是电偶极子在单位外电场下可能受到的最大力矩，故简称电矩。如果外电场不均匀，除受力矩外，电偶极子还要受到平移作用。电偶极子产生的电场是构成它的正、负点电荷产生的电场之矢量和。而磁偶极子是类比电偶极子而建立的物理模型。具有等值异号的两个点磁荷构成的系统称为磁偶极子。但由于没有发现单独存在的磁单极子，因此磁偶极子的物理模型不是两个磁单极子，而是一段封闭回路
4、电流。磁偶极子模型能够很好地描述小尺度闭合电路元产生的磁场分布 。比如，一根小磁针就可以视为一个磁偶极子。地磁场也可以看作是由磁偶极子产生的场。磁偶极子受到力矩的作用会发生转动，只有当力矩为零时，磁偶极子才会处于平衡状态。利用这个道理，可以进行磁场的测量。但由于没有发现单独存在的磁单极子，故我们将一个载有电流的圆形回路作为磁偶极子的模型。地球磁场可以近似为一个磁偶极子的磁场。但是，图内的 n 和 s 符号分别标示地球的地理北极和地理南极。这标示法很容易引起困惑。实际而言，地球的磁偶极矩的方向，是从地球位于地理北极附近的地磁北极，指向位于地理南极附近的地磁南极；而磁偶极子的方向则是从指南极指向指
5、北极。那么什么是电偶极距？在物理学里，电偶极矩衡量正电荷分布与负电荷分布的分离状况，即电荷系统的整体极性。对于分别带有正电量 qdisplaystyle q =、负电量-q的两个点电荷的简单案例，电偶极矩displaystyle mathbf p 为：p=qd；其中d是从负电荷位置指至正电荷位置的位移矢量。这方程意味着电偶极矩p的方向是从负电荷指向正电荷。注意到这跟在正电荷与负电荷之间的电场线的方向相反从正电荷开始，在负电荷结束。这里并没有矛盾，因为电偶极矩与电偶极子的取向有关，即与电荷的相对位置有关；它不能单独直接地表示出电场线的方向。称这双电荷系统为“物理电偶极子”。在距离超远于两个点电
6、荷相隔距离之处，物理电偶极子所产生的电场，可以近似为其电偶极矩所产生的电场。令物理电偶极子的两个点电荷相隔距离d趋向于 0 ，同时保持其电偶极矩p不变，则极限就是“点电偶极子”，又称为“纯电偶极子”。物理电偶极子产生的电场，其多极展开式的一次项目就是点电偶极子产生的电场。磁偶极矩是矢量，方向由负磁荷指向正磁荷。与“电偶极矩”相对应。历史上，人们最早认为天然磁体（或人造磁铁）是由无数小的磁偶极子组成，每一个小的磁偶极子由相距很近的等量正、负磁荷构成。后来人们认识到磁荷并不存在，物质的磁性乃是由分子电流定向排列而产生，于是用闭合元电流i重新定义这个量，使等效“磁偶极矩的概念保存下来。载流回路中的磁
7、场在一个载流回路中，磁矩的计算是电流乘于回路面积：m=i*a（m为磁矩，i 为电流，a 为面积矢量：它与电流i的流向遵守右手螺旋定则）；磁偶极矩（pm）计算公式：pm=0*m。载流回路在磁场中的力矩m和能量 u ，与磁矩的关系为：m=mbu=-mb其中，b 为磁场。磁矩是磁铁的一种物理性质。处于外磁场的磁铁，会感受到力矩，促使其磁矩沿外磁场的磁场线方向排列。磁矩可以用矢量表示。磁铁的磁矩方向是从磁铁的指南极指向指北极，磁矩的大小取决于磁铁的磁性与量值。不只是磁铁具有磁矩，载流回路、电子、分子或行星等等，都具有磁矩。科学家至今尚未发现宇宙中存在有磁单极子。一般磁性物质的磁场，其泰勒展开的多极展开
8、式，由于磁单极子项目恒等于零，第一个项目是磁偶极子项、第二个项目是磁四极子项，以此类推。磁矩也分为磁偶极矩、磁四极矩等等部分。从磁矩的磁偶极矩、磁四极矩等等，可以分别计算出磁场的磁偶极子项目、磁四极子项目等等。随着距离的增远，磁偶极矩部分会变得越加重要，成为主要项目，因此，磁矩这术语时常用来指称磁偶极矩。有些教科书内，磁矩的定义与磁偶极矩的定义相同。但大家要知道，在任何物理系统里，磁矩最基本的源头有两种： 电荷的运动，像电流，会产生磁矩。只要知道物理系统内全部的电流密度分布（或者所有的电荷的位置和速度），理论上就可以计算出磁矩。像电子、质子一类的基本粒子会因自旋而产生磁矩。每一种基本粒子的内禀
9、磁矩的大小都是常数，可以用理论推导出来，得到的结果也已经通过做实验核对至高准确度。例如，电子磁矩的测量值是9.2847641024焦耳特斯拉。磁矩的方向完全决定于粒子的自旋方向（电子磁矩的测量值是负值，这意味着电子的磁矩与自旋呈相反方向）。整个物理系统的净磁矩是所有磁矩的矢量和。例如，氢原子的磁场是以下几种磁矩的矢量和： 电子的自旋。电子环绕着质子的轨域运动。质子的自旋。再举个例子，构成条形磁铁的物质，其未配对电子的内禀磁矩和轨域磁矩的矢量和，是条形磁铁的磁矩。对于计算磁偶极距的方法，要具体分析问题，比较复杂。需要用到高等数学，本人也不擅长，故不做计算。可以给大家列出一些计算结果。在原子物理学
10、和核子物理学里，磁矩的大小标记为udisplaystyle mu ,!u ，通常测量单位为玻尔磁子或核磁子。磁矩关系到粒子的自旋，和或粒子在系统内的轨域运动。大家看到了，有电子磁偶极距，质子磁偶极矩，中子磁偶极距等。当然还有核子磁偶极矩，分子磁偶极距。核子系统是一种由核子（质子和中子）组成的精密物理系统。自旋是核子的量子性质之一。由于原子核的磁矩与其核子成员有关，从核磁矩的测量数据，更明确地，从核磁偶极矩的测量数据，可以研究这些量子性质。虽然有些同位素原子核的激发态的衰变期超长，大多数常见的原子核的自然存在状态是基态。每一个同位素原子核的能态都有一个独特的、明显的核磁偶极矩，其大小是一个常数，
11、通过细心设计的实验，可以测量至非常高的精确度。这数值对于原子核内每一个核子的独自贡献非常敏感。若能够测量或预测出这数值，就可以揭示核子波函数的内涵。现今，有很多理论模型能够预测核磁偶极矩的数值，也有很多种实验技术能够进行原子核测试。任何分子都具有明确的磁矩。这磁矩可能会跟分子的能态有关。通常而言，一个分子的磁矩是下列贡献的总和，按照典型强度从大至小列出：1、假若有未配对电子，则是其自旋所产生的磁矩（顺磁性贡献）2、电子的轨域运动，处于基态时，所产生常与外磁场成正比的磁矩（抗磁性贡献）3、依照核自旋组态，核自旋所产生的总磁矩。还有一个我们需要了解和知道的概念叫磁化强度，也是经常出现的。磁化强度，
12、又称磁化矢量，是衡量物体的磁性的一个物理量，定义为单位体积的磁偶极矩，如下方程：；其中，mdisplaystyle mathbf m 是磁化强度，n是磁偶极子密度，mdisplaystyle mathbf m 是每一个磁偶极子的磁偶极矩。当施加外磁场于物质时，物质的内部会被磁化，会出现很多微小的磁偶极子。磁化强度描述物质被磁化的程度。采用国际单位制，磁化强度的单位是安培米。物质被磁化所产生的磁偶极矩有两种起源。一种是由在原子内部的电子，由于外磁场的作用，其轨域运动产生的磁矩会做拉莫尔进动，从而产生的额外磁矩，累积凝聚而成。另外一种是在外加静磁场后，物质内的粒子自旋发生“磁化”，趋于依照磁场方向
13、排列。这些自旋构成的磁偶极子可视为一个个小磁铁，可以以矢量表示，作为自旋相关磁性分析的经典描述。例如，用于核磁共振现象中自旋动态的分析。物质对于外磁场的响应，和物质本身任何已存在的磁偶极矩（例如，在铁磁性物质内部的磁偶极矩），综合起来，就是净磁化强度。在一个磁性物质的内部，磁化强度不一定是均匀的，磁化强度时常是位置矢量的函数。麦克斯韦方程组就是描述磁感应强度displaystyle mathbf b 、磁场强度displaystyle mathbf h 、电场displaystyle mathbf e 、电势移displaystyle mathbf d 、电荷密度displaystyle rh
14、o 和电流密度displaystyle mathbf j 的物理行为。但还有一些物质表现出抗磁性，这是为什么呢？抗磁性是物质抗拒外磁场的趋向，因此会被磁场排斥。所有物质都具有抗磁性。可是，对于具有顺磁性的物质，顺磁性通常比较显著，遮掩了抗磁性。只有纯抗磁性物质才能明显地被观测到抗磁性。例如，惰性气体元素和抗腐蚀金属元素（金、银、铜等等）都具有显著的抗磁性。当外磁场存在时，抗磁性才会表现出来。假设外磁场被撤除，则抗磁性也会遁隐形迹。在具有抗磁性的物质里，所有电子都已成对，内秉电子磁矩不能集成宏观效应。抗磁性的机制是电子轨域运动，用经典物理理论解释如下：由于外磁场的作用，环绕着原子核的电子，其轨域运动产生的磁矩会做拉莫尔进动，从而产生额外电流与伴随的额外磁矩。但是大家一定不要忘记，以上所有物理概念，电偶极距，磁偶极距，磁化强度等，都是需要和电磁场挂钩，只有在电磁场“平台”上才能实现这种计算。这正是麦克斯电磁学方程的精髓。而我上面所描述的这些概念现象，我们都是看不见的。但是通过它们，我们看到了更多的东西，更远的东西，电磁学发展，带来了人类生活革命性的改变，我们也将走的更远。生命在于运动，更在于探索。灵遁者摘自独立学者，作家，艺术家灵遁者量子力学科普见微知著