如何理解相对论中电场和磁场统一为电磁张量这一事实

如何理解相对论中电场和磁场统一为电磁张量这一事实
如何理解相对论中电场和磁场统一为电磁张量这一事实

如何理解相对论中电场和磁场统一为电磁张量这一事实
电场与磁场都是电荷产生的,其大小和方向都与距离电荷的远近有关,也都与电荷的大小有关,所不同的是,磁场还与电荷的运动速度有关.另外,电磁与磁场能够互相产生对方.从三维空间的观点看,两者的最大区别就是是否与速度有关.但从四维时空的观点看就不同了.狭义相对论说电磁场是不可分割的一个东西的不同表现而已,没有本质区别,就像一个立方体,你从一个侧面正看过去是一个正方形,转一个角度就变成了两个矩形,再转一个角度还可能是三个菱形.这三种不同的二维图形是表观上的区别,而本质上那只是一个正方体——就一个东西,根本谈不上区别!
简单地说,电力与磁力的统一大致是这样的：在洛仑兹变换下,一个惯性系的静电场,在另一个惯性系看来则是大小与方向都有所改变的静电场加上一个磁场——原本没有的磁场在变换中出现了!静磁场也同样可以变换出电场来.统一的四维电磁场二阶反对称张量共16个分量,但独立分量只有6个,它们就是电场和磁场各自的3个分量.这个张量的“大小”在洛仑兹变换中保持不变,变化的是它的“方向”（因此它的各个分量会改变）.
磁常被理解为是由电衍生而来的,这在一定意义上是对的,但要注意衍生是相互的,不是单向的.最好还是站在四维时空的观点上把两者就看成一种东西,当然,对于习惯了三维事物的人来说,这很难,需要较好的想象力和较高的数学水平,而对物理的深入理解自然更是不可或缺.
磁场其实是时空特性的必然结果,也就是说,只要爱因斯坦的狭义相对论所描述的“尺缩钟慢”效应的时空是真实的（非常多的事实已证明那确实是真的）,那么在电力存在的同时就必须伴随着存在磁力.
比如,0时刻在xy坐标的(0,0)和(0,1)两处飞过两个相同质量m和相同电量q的粒子,它俩的速度都是v,方向都沿着x轴的正方向.设相对论因子为r,r=(1-vv/cc)^(-1/2).以下带撇的量都是在与两粒子相对静止的动系中测得的量,不带撇的量是相对地面静止的静系中测得的量.动系中,原点处的那个粒子在电力作用下产生的沿y轴方向的速度u'=dy'/dt',加速度a'=du'/dt'=d(dy'/dt')/dt'.静系中看,“尺缩”只发生在x轴方向,y轴方向没有,所以,dy=dy'；而“钟慢”则与方向无关,所以,dt=rdt'；所以,u=dy/dt=dy'/rdt'=u'/r,a=……=a'/rr.总之,从纯粹的相对论时空的运动学的观点看,静系中测得的粒子的加速度a只有动系中的a'的1/rr.若取v=0.943c,则r=3,a=a'/9.
再从动力学的观点看同样的问题,假如只有电力F而没有磁力f,那么一定会得出与上段运动学的结果相矛盾的结论.首先得知道动系中的F'与静系中的F是什么关系,这可以从物体的“尺缩效应”的类比中得出定性的结果.动系中的圆球在静系中看是一个在x方向上压扁了的椭球,类似的,动系中各向同性的电力线分布在静系中看来则是在x方向上变得稀疏、在垂直于x方向的平面方向上变得密集——静系中将看到两电荷在连线方向上的电场变强,定量分析给出：F=rF'.质量会随速度而增大——m=rm',所以,a=F/m=(rF')/(rm')=F'/m'=a'.这与上段中a=a'/rr显然矛盾!而有了磁力f后,那两个粒子间的磁力是相互吸引的,正好可以削弱电力以保证a=a'/rr.定量分析的结果是：(F-f)=(F'-f')/r,a=(F-f)/m=[(F'-f')/r]/(rm')=(F'-f')/rrm'=a'/rr.这与运动学的结论就一致了.
综上所述,完全可以说是相对论的时空观要求磁力必须伴随着电力而存在,反过来,也可以说,宏观低速的世界中普遍存在的磁力正是相对论时空观正确性的一个有力的证明!通常以为,宏观低速的世界里相对论的效应都小得可以忽略,但为什么磁力又那么普遍呢?最根本的一个原因就是电力其实是极其巨大的,磁力作为电力的一个相对论的效应,尽管相对比值仍是十分微小,但绝对值却不算小,以至于我们在日常生活里都可以感受得到.
若q=1C,距离R=1m,则两粒子间的电力F=9*10^9N——90亿牛顿!若v=10m/s（刘翔般的速度）,则两粒子间的磁力f=10^-5N——十万分之一牛顿!若v=1km/s（子弹般的速度）,则两粒子间的磁力f=0.1N……巨大的电力之所以我们都没有体验,主要就是因为电荷有正负两种,一般物体总是很接近于电中性的状态.

事实不是理解的，是需要实验验证的
科学都是唯象的，研究这些只是做无用功

ls分析的很精辟了，如果再深一步已经不是我们普通人所能理解了