適讀人群 ：作為高等學校物理專業(yè)低年級學生學習電動力學課程的教材或參考書，也可作為電子、材料、通信等專業(yè)高年級學生的教學參考書

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電動力學是什么？它如何融入物理的一般框架中？

力學的四個范疇
在下表中我描繪出力學的四大領(lǐng)域：
經(jīng)典力學
（牛頓） 量子力學
（玻爾、海森伯、薛定諤等）
狹義相對論
（愛因斯坦） 量子場理論
（狄拉克、泡利、費曼、史溫格等）

牛頓力學在大多數(shù)的“日常生活”中是正確的，但是對高速（接近光速）運動的物體，它是不正確的，必須用狹義相對論（由愛因斯坦在1905年建立）代替；對非常�。ń咏�原子尺寸）的物體，牛頓力學因另外的原因失效，而由量子力學（由玻爾、薛定諤、海森伯及許多其他人在1920年左右發(fā)展起來的）取代。對非�？煊址浅Ｐ〉奈矬w（在現(xiàn)代粒子物理學中非常普遍），需要發(fā)展相對論與量子理論結(jié)合的力學，這個相對論量子力學稱為量子場理論—它在20世紀30年代和40年代開始建立，但是即便是現(xiàn)在也不能認為它是一個完全令人滿意的理論。在本書中，除了*后一章，我們完全是在經(jīng)典力學的范疇，盡管電動力學可以非常簡單地拓展到其他三個范疇。（事實上，電動力學在大部分方面的內(nèi)容自動地與相對論相容，這是歷史上相對論發(fā)展的主要動力。）

四種類型的力
力學告訴我們，當一個系統(tǒng)受到一個給定的力作用時，它是如何變化的。已知自然界中僅有四種基本力（到目前為止），我把它們按強度逐漸減弱的順序列出：
1強力
2電磁力
3弱力
4引力
這張單子的簡潔可能會讓你大吃一驚。摩擦力在哪兒？保持你不從地板掉下去的“支撐力”在哪兒？分子結(jié)合在一起的化學力在哪兒？兩個相互碰撞的臺球的碰撞力又是什么？答案是，所有這些力都是電磁力。的確，毫不夸張地說，我們生活在一個電磁世界里，在日常生活中所經(jīng)歷的幾乎每一種力，除了重力，都是源自電磁力。
把原子核內(nèi)質(zhì)子和中子結(jié)合在一起的力是強力（strong forces），它的作用距離非常之短，盡管它們的強度是電磁力的100倍，但我們無法“感覺到”它們。與輻射衰變有關(guān)的弱力（weak forces）不僅作用距離短，也比電磁力弱得多。至于引力，更是極其微弱（與其他力相比），所以除非質(zhì)量巨大（比如地球和太陽），否則我們也很難注意到它。兩個電子間的靜電排斥力是其之間相互引力的1042倍，如果原子是靠引力（代替電磁力）結(jié)合在一起的，那么一個氫原子就會比已知宇宙還大得多。
電磁力不僅是支配我們?nèi)粘Ｉ�活中的統(tǒng)治力，也是目前唯一被完全了解的力。當然，我們也有引力的經(jīng)典理論（牛頓的萬有引力定律）和相對論理論（愛因斯坦的廣義相對論），但是至今沒有令人滿意的引力量子理論（雖然很多人在探討它）�，F(xiàn)今，關(guān)于弱相互作用，已經(jīng)建立了非常成功（有點繁雜）的理論；對于強相互作用，也有引人注目的候選理論（稱為色動力學，chromodynamics）。所有這些理論都是從電動力學中獲得靈感和啟發(fā)的，目前還沒有一個理論能夠得到結(jié)論性的實驗驗證。因此，電動力學，一個完美和成功的理論，已經(jīng)成為物理學家的一種范式：一種其他理論效仿的理想模型。
經(jīng)典電動力學的定律是由富蘭克林、庫侖、安培、法拉第以及其他的科學家們零零碎碎地發(fā)現(xiàn)的，但是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋完成了*后工作，把它統(tǒng)一成一個完美緊湊的形式。這個理論至今已經(jīng)有150年的歷史了。

物理理論的統(tǒng)一
起初，電學（electricity）和磁學（magnetism）是完全獨立的學科。電學研究的是玻璃棒、貓皮、驗電球、電池、電流、電解和電燈；而磁學研究的是磁棒、鐵填充物、指南針和地磁極。但是，在1820年奧斯特注意到電流可以使一個磁針偏轉(zhuǎn)。很快，安培正確地推測出所有的磁現(xiàn)象都應歸結(jié)于電荷的運動。隨后， 1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了運動的磁體可產(chǎn)生電流。在麥克斯韋和洛倫茲對理論進行*后完善時，電學和磁學已經(jīng)完全交織在一起。不能再認為它們是分割的事物，而是同一個事物的兩個不同方面：電磁學（electromagnetism）。
法拉第推測光在本質(zhì)上也是電的，麥克斯韋理論為這個假設提供了驚人的證據(jù)。很快，光學—有關(guān)透鏡、面鏡、棱鏡、干涉和衍射的研究—也并入了電磁學。赫茲在1888年提出了對麥克斯韋理論的決定性實驗證實，他這樣說：“光和電之間的聯(lián)系現(xiàn)在已經(jīng)建立……在每一個火焰中，在每一個發(fā)光粒子中，我們看到一個電過程……因此，電的領(lǐng)域延伸到了整個自然界，它甚至密切地影響著我們自己：我們感知到我們擁有……一個電的器官—眼睛�！� 到了1900年，物理學的三大分支—電學、磁學和光學—合并成了一個單一的理論。（很快就發(fā)現(xiàn)，可見光在電磁輻射的光譜中只是一個很小的“窗口”，光譜從無線電波到微波、紅外線和紫外線，再到X射線和γ射線。）
愛因斯坦渴望有個進一步的統(tǒng)一理論，希望能像19世紀電和磁那樣來統(tǒng)一引力和電磁力。他的統(tǒng)一場理論（unified field theory）并不特別成功，但近年來，同樣的推動力催生了一系列越來越雄心勃勃（推測性的）的統(tǒng)一方案，從20世紀60年代開始，格拉肖、溫伯格和薩拉姆的弱電理論（electroweak）將弱力和電磁力結(jié)合在一起，發(fā)展到80年代的超弦理論（superstring，根據(jù)其支持者的說法，它將所有四種力整合在一個“終極理論”中）。在這個層次結(jié)構(gòu)中的每一步，數(shù)學上的困難都在增加，啟發(fā)性猜想和實驗驗證之間的差距也不斷擴大；然而，毫無疑問，由電動力學引發(fā)的力的統(tǒng)一理論已成為物理學發(fā)展中的一個重要課題。

電動力學的場形式
電磁學理論希望解決的基本問題是：我在這里舉起了一堆電荷（也許會把它們晃來晃去），那么對另外地方上的一些電荷，會發(fā)生什么？經(jīng)典的解采用場論（field theory）的形式：我們說電荷周圍的空間被電場和磁場（電荷的電磁“氣味”）所充滿。第二個電荷，在這些電場的存在下，會產(chǎn)生一個力；然后，電場把一個電荷的影響傳遞給另一個電荷—場是相互作用的媒介。
當一個電荷加速運動時，部分場從它自身“分離”，在某種意義上，它以光速傳播，攜帶有能量、動量和角動量，我們稱之為電磁輻射（electromagnetic radiation）。它的存在使（如果不是強迫的話）我們將場視為獨立的動力學實體，每一點都像原子或棒球一樣“真實”。因此，我們的興趣從電荷間作用力的研究轉(zhuǎn)向電場本身的理論。但是產(chǎn)生一個電磁場需要一個電荷，而探測一個電磁場需要另一個電荷，所以我們*好先回顧一下電荷的基本性質(zhì)。

電荷
1電荷有兩種，我們稱之為“正電荷”和“負電荷”，因為它們的影響往往是相互抵消的（如果在同一點上有電荷+q和 q，從電的角度來說，這和在那里沒有電荷是一樣的）。這似乎太明顯，不值得評論，但我鼓勵你考慮其他可能性：如果有8或10種不同的電荷？（事實上，在色動力學中，與電荷類似的量有三個，每一個量都可能是正的或負的。）或者，如果這兩種方法都沒有相互抵消呢？不尋常的事實是，正電荷和負電荷在體積物質(zhì)中以完全相等的數(shù)量出現(xiàn)，精確到驚人的程度，因此它們的影響幾乎完全被抵消。如果不是這樣的話，我們會受到巨大的壓力：如果正負電荷僅有1/1010沒有被相互抵消，一個土豆會劇烈爆炸。
2電荷是守恒的：它不能被創(chuàng)造或摧毀，因為現(xiàn)在的東西一直存在。（正電荷可以“湮滅”相等的負電荷，但正電荷不能簡單地自行消失，必須有東西吸收電荷。）所以宇宙的總電荷一直是固定的。這叫作電荷的整體守恒。實際上，我可以表述得更強烈一些：電荷的整體守恒將允許電荷在紐約消失，并立即在舊金山重新出現(xiàn)（這不會影響總數(shù)），但我們知道這不會發(fā)生。如果是在紐約，它去了舊金山，那么它一定是沿著一條連續(xù)的路徑從一個地方到另一個地方。這叫作電荷的局域守恒。稍后我們將了解如何表示電荷局域守恒的精確數(shù)學定律，稱為連續(xù)性方程（continuity equation）。
3電荷是量子化的。雖然經(jīng)典電動力學中沒有要求是這樣的，事實上，電荷是以離散的整數(shù)塊狀形式出現(xiàn)的—基本電荷單位的倍數(shù)。如果我們把質(zhì)子上的電荷稱為+e，那么電子攜帶電荷 e；中子電荷為零；π介子+e，0和 e；碳核+6e；等等（從來沒有
7392e，甚至1/2e） 一。這個基本的電荷單位非常小，所以實際中通常可以完全忽略量子化。水也“真的”是由離散的團塊（分子）組成的；然而，如果我們處理的是相當大量的水，我們可以把它當作一種連續(xù)的液體。事實上，這更接近麥克斯韋本人的觀點，他對電子和質(zhì)子一無所知，一定是把電荷想象成一種“膠狀物”，可以分成任何大小的部分，隨意涂抹。

單位制
電動力學的研究被使用不同的單位制所困擾，有時使得物理學家們之間難以交流。這個問題遠比力學更糟糕，尼安德特人仍然使用磅和英尺；在力學中，至少所有的方程式看起來都一樣，不管被測量量的單位是什么。牛頓第二定律仍然是F = ma，不管是英尺-磅-秒，千克-米-秒，還是別的什么單位。但在電磁學中情況并非如此，庫侖定律可能以以下不同的形式出現(xiàn)：

在常用的單位制中，*常用的兩種是高斯（cgs）制和SI（mks）制。基本粒子理論家傾向于第三種體系：哈維西德-洛倫茲（Heaviside-Lorentz）制。盡管高斯制具有簡潔的理論優(yōu)點，但大多數(shù)教授本科生的教師更喜歡國際單位制（SI），我想是因為他們采用了熟悉的常用單位（伏特、安培和瓦特）。因此，在這本書中，我使用了國際單位制。附錄C提供了一個將主要結(jié)果轉(zhuǎn)換成高斯單位制的“字典”。