電磁場(chǎng)的對(duì)稱性與左性電磁波

“對(duì)稱”是指物體相同部分有規(guī)律的重復(fù),從而達(dá)到一種平衡。對(duì)稱電磁場(chǎng)是研究電磁場(chǎng)在發(fā)展變化中保持著某些不變的性質(zhì),對(duì)稱就是一個(gè)平衡點(diǎn)。但電磁場(chǎng) 的對(duì)稱性是不完全的。如電磁波,其電場(chǎng)矢量、磁場(chǎng)矢量以及波矢方向滿足右手定則,稱為右性電磁波。從對(duì)稱性上看,應(yīng)有“左性”電磁波,即電場(chǎng)矢量、磁場(chǎng)矢 量以及波矢矢量遵從左手定則,但目前在實(shí)用中尚無(wú)左性電磁波。
為此,筆者提出與右性電磁波相對(duì)稱的左性電磁波,討論左性電磁波出現(xiàn)的必然性、產(chǎn)生方法及其主要特性。
1　左性電磁波是對(duì)稱電磁場(chǎng)理論發(fā)展的必然結(jié)果
左性電磁波和右性電磁波構(gòu)成了電磁場(chǎng)左、右對(duì)稱性。左性電磁波的提出是有悖于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)理論的右手定則但卻合乎自然界的對(duì)稱規(guī)律。

對(duì)稱是生物進(jìn)化發(fā)展的必然結(jié)果。人為了生存,必須形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)[1]。鳥(niǎo)為了飛翔,左右翅膀必須對(duì)稱,因此,科學(xué)和藝術(shù)都很重視對(duì)稱性。對(duì)于科學(xué),對(duì) 稱性決定了各種可能的守恒定律,因而更具有根本性的意義。在科學(xué)中,對(duì)稱性是指某種操作下的不變性或者守恒性,對(duì)稱性常與守恒定律相聯(lián)系。與空間平移不變 性對(duì)應(yīng)的是動(dòng)量守恒定律;與時(shí)間平移不變性對(duì)應(yīng)的是能量守恒定律;與轉(zhuǎn)動(dòng)變換不變性對(duì)應(yīng)的是角動(dòng)量守恒;與空間反射(鏡像)操作不變性對(duì)應(yīng)的是宇稱守恒。 物理世界中存在多種對(duì)稱形式:作用力與反作用力、正電與負(fù)電、吸引與排斥、正粒子與反粒子等。
電磁場(chǎng)的對(duì)稱性就是不斷發(fā)展完善的過(guò)程。從發(fā)現(xiàn)磁現(xiàn)象,到發(fā)現(xiàn)電,繼而對(duì)電和磁的性質(zhì)和規(guī)律的研究,都體現(xiàn)了電和磁的對(duì)稱性。后來(lái)Maxwell提出了變化電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng),變化磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)的2個(gè)假設(shè),創(chuàng)立了電磁場(chǎng)理論。通常的Maxwell方程組為

該方程組深刻揭示了電磁現(xiàn)象的本質(zhì),描述了一般情況下電荷、電流激發(fā)電磁場(chǎng)以及電磁場(chǎng)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。Maxwell方程組一方面表明電與磁具有對(duì) 稱性,即變化電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng),變化磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。另一方面又表明電場(chǎng)與磁場(chǎng)的對(duì)稱性是不完全的。由式(1)、(2)可見(jiàn),電場(chǎng)和磁場(chǎng)的旋度不對(duì)稱,參與磁場(chǎng) 形成的不僅有變化的電場(chǎng),而且有電荷運(yùn)動(dòng)形成的電流;由式(3)、(4)可見(jiàn),電場(chǎng)和磁場(chǎng)的散度不對(duì)稱,磁場(chǎng)是無(wú)源的,電場(chǎng)是由電荷產(chǎn)生的。這表明,對(duì)稱 性賦予了電磁場(chǎng)統(tǒng)一的共性,使之和諧有序;對(duì)稱破缺帶給電、磁及由電磁形成的各種場(chǎng)的差異,打破了對(duì)稱性造成的平衡、穩(wěn)定、靜止和不變的次序。

由上述電磁場(chǎng)的對(duì)稱性可見(jiàn),左性電磁波和右性電磁波可構(gòu)成左、右對(duì)稱電磁場(chǎng)。由對(duì)稱理論發(fā)展規(guī)律,存在左性電磁場(chǎng)是必然的。
2　左性電磁波的存在性
根據(jù)對(duì)稱原理,對(duì)稱是事物發(fā)展的規(guī)律,是變化的統(tǒng)一。因此電磁場(chǎng)也應(yīng)遵循這一規(guī)律,服從對(duì)稱律。既然存在右性電磁波,就必然存在左性電磁波。

在自然界中并沒(méi)有介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)的材料,通常是使介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為正的材料在一定條件下等效為負(fù)性材料的。假定材料中的原 子和分子可以看作以某一固有頻率ω0諧振的束縛電子諧振子。在外電場(chǎng)作用下,當(dāng)外電場(chǎng)的頻率ω ω0時(shí),電子相對(duì)于原子核產(chǎn)生一個(gè)位移,并且在外電場(chǎng)方向上誘導(dǎo)一個(gè)極化,即極化方向同外電場(chǎng)方向一致,此時(shí)介電常數(shù)為正。當(dāng)ω→ω0時(shí),諧振子同外電場(chǎng) 發(fā)生諧振,外場(chǎng)誘導(dǎo)的極化很大,諧振子內(nèi)積累了很大的能量,從而當(dāng)外電場(chǎng)方向發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí),諧振子的極化方向幾乎不受影響。也就是說(shuō),當(dāng)頻率接近于諧振頻率 ω0時(shí),諧振子的極化由與外電場(chǎng)同相位轉(zhuǎn)變?yōu)榕c外電場(chǎng)反相,從而出
現(xiàn)了負(fù)效應(yīng)。這讓右性電磁波通過(guò)左手材料后變?yōu)樽笮噪姶挪ǖ牟ㄐ赞D(zhuǎn)變方法是可行的,表明了符合左手定則的左性電磁波是存在。
當(dāng)式(5)右邊為“+”號(hào),式(6)右邊為“-”時(shí),可導(dǎo)出式(11)、(12),也就可產(chǎn)生左性電磁波。式(5)、(6)的符號(hào)這樣選取是否可能?可在在三維空間分析式(5)有

3　左性電磁波的產(chǎn)生
筆者在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《基于漏磁激波檢測(cè)的三維圖像信息重構(gòu)原理研究》中,運(yùn)用對(duì)稱強(qiáng)電磁場(chǎng)裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)同性極磁場(chǎng)撞擊可
激發(fā)產(chǎn)生左性電磁波。
同性極磁場(chǎng)撞擊時(shí)激發(fā)生成波是一種磁性波,激磁波是以圖1所示的2線圈施加脈沖電流產(chǎn)生的,要求脈沖電流的上升沿極陡,2線圈電流同步,保證磁場(chǎng)在峰點(diǎn)相撞。同時(shí)要求線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)

終要回到S極,也就是說(shuō)激磁波飛行不久要返回原處,但是,如果使磁源形成單極性磁源,則撞擊時(shí)就可使磁力線飛行到無(wú)窮遠(yuǎn)處。圖2給出了形成雙端同極性磁源的方法?；谶@一原理將圖1中2線圈形成磁單極結(jié)構(gòu),激勵(lì)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相向。

在激發(fā)處施加同極性的具有磁單極性的磁場(chǎng),如激磁波在近場(chǎng)具有磁單極性,則波被聚集且幅度增強(qiáng);如激磁波在近場(chǎng)具有S-N或N-S偶極型結(jié)構(gòu),則波被削 弱,甚至無(wú)發(fā)射。采用圖3方法驗(yàn)證了磁激波的磁單極性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,發(fā)射波幅度增大近1倍,這說(shuō)明激磁波在近場(chǎng)具有磁單極性。

對(duì)于磁單極形成的場(chǎng)結(jié)構(gòu)不如偶極型磁場(chǎng)牢固,其渦旋方向易于控制,這為產(chǎn)生左性電磁波奠定了基礎(chǔ)。在激勵(lì)電流完全對(duì)稱時(shí),激發(fā)波是沿x-y中心面對(duì) 稱的,2股激磁波平行運(yùn)動(dòng)。當(dāng)激勵(lì)電流不對(duì)稱時(shí),兩邊磁場(chǎng)不平衡,高的磁場(chǎng)梯度使渦旋方向轉(zhuǎn)向磁場(chǎng)弱的方向。因此調(diào)節(jié)兩激勵(lì)電流的大小和脈沖前沿陡度,就 可使激磁波的感生電磁波滿足×E和 ×B的取向,實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、波矢3矢量按式(9)、(10)右手定則或式(11)、(12)左手定則選擇。由于激磁波是運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng),因而可感生電磁波。 改變激勵(lì)電流特性,就可產(chǎn)生左、右性電磁波。

4　結(jié)束語(yǔ)
左性電磁波從電磁場(chǎng)的對(duì)稱性理論看是存在的,通過(guò)調(diào)整激磁波激發(fā)方式,可產(chǎn)生左性電磁波。
但左性電磁波是一個(gè)新概念,對(duì)其物理本質(zhì)、激發(fā)機(jī)理、電磁特性等問(wèn)題,目前的研究還很膚淺,還需不斷深入。