電磁場(chǎng)的對稱(chēng)性與左性電磁波

“對稱(chēng)”是指物體相同部分有規律的重復,從而達到一種平衡。對稱(chēng)電磁場(chǎng)是研究電磁場(chǎng)在發(fā)展變化中保持著(zhù)某些不變的性質(zhì),對稱(chēng)就是一個(gè)平衡點(diǎn)。但電磁場(chǎng) 的對稱(chēng)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(mǎn)足右手定則,稱(chēng)為右性電磁波。從對稱(chēng)性上看,應有“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稱(chēng)的左性電磁波,討論左性電磁波出現的必然性、產(chǎn)生方法及其主要特性。
1　左性電磁波是對稱(chēng)電磁場(chǎng)理論發(fā)展的必然結果
左性電磁波和右性電磁波構成了電磁場(chǎng)左、右對稱(chēng)性。左性電磁波的提出是有悖于傳統的電磁感應理論的右手定則但卻合乎自然界的對稱(chēng)規律。

對稱(chēng)是生物進(jìn)化發(fā)展的必然結果。人為了生存,必須形成對稱(chēng)結構[1]。鳥(niǎo)為了飛翔,左右翅膀必須對稱(chēng),因此,科學(xué)和藝術(shù)都很重視對稱(chēng)性。對于科學(xué),對 稱(chēng)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,對稱(chēng)性是指某種操作下的不變性或者守恒性,對稱(chēng)性常與守恒定律相聯(lián)系。與空間平移不變 性對應的是動(dòng)量守恒定律;與時(shí)間平移不變性對應的是能量守恒定律;與轉動(dòng)變換不變性對應的是角動(dòng)量守恒;與空間反射(鏡像)操作不變性對應的是宇稱(chēng)守恒。 物理世界中存在多種對稱(chēng)形式:作用力與反作用力、正電與負電、吸引與排斥、正粒子與反粒子等。
電磁場(chǎng)的對稱(chēng)性就是不斷發(fā)展完善的過(guò)程。從發(fā)現磁現象,到發(fā)現電,繼而對電和磁的性質(zhì)和規律的研究,都體現了電和磁的對稱(chēng)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,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)內部運動(dòng)的規律。Maxwell方程組一方面表明電與磁具有對 稱(chēng)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)的對稱(chēng)性是不完全的。由式(1)、(2)可見(jiàn),電場(chǎng)和磁場(chǎng)的旋度不對稱(chēng),參與磁場(chǎng) 形成的不僅有變化的電場(chǎng),而且有電荷運動(dòng)形成的電流;由式(3)、(4)可見(jiàn),電場(chǎng)和磁場(chǎng)的散度不對稱(chēng),磁場(chǎng)是無(wú)源的,電場(chǎng)是由電荷產(chǎn)生的。這表明,對稱(chēng) 性賦予了電磁場(chǎng)統一的共性,使之和諧有序;對稱(chēng)破缺帶給電、磁及由電磁形成的各種場(chǎng)的差異,打破了對稱(chēng)性造成的平衡、穩定、靜止和不變的次序。

由上述電磁場(chǎng)的對稱(chēng)性可見(jiàn),左性電磁波和右性電磁波可構成左、右對稱(chēng)電磁場(chǎng)。由對稱(chēng)理論發(fā)展規律,存在左性電磁場(chǎng)是必然的。
2　左性電磁波的存在性
根據對稱(chēng)原理,對稱(chēng)是事物發(fā)展的規律,是變化的統一。因此電磁場(chǎng)也應遵循這一規律,服從對稱(chēng)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ε和磁導率μ同時(shí)為負的材料,通常是使介電常數ε和磁導率μ同時(shí)為正的材料在一定條件下等效為負性材料的。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,當外電場(chǎng)的頻率ω ω0時(shí),電子相對于原子核產(chǎn)生一個(gè)位移,并且在外電場(chǎng)方向上誘導一個(gè)極化,即極化方向同外電場(chǎng)方向一致,此時(shí)介電常數為正。當ω→ω0時(shí),諧振子同外電場(chǎng) 發(fā)生諧振,外場(chǎng)誘導的極化很大,諧振子內積累了很大的能量,從而當外電場(chǎng)方向發(fā)生反轉時(shí),諧振子的極化方向幾乎不受影響。也就是說(shuō),當頻率接近于諧振頻率 ω0時(shí),諧振子的極化由與外電場(chǎng)同相位轉變?yōu)榕c外電場(chǎng)反相,從而出
現了負效應。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。
當式(5)右邊為“+”號,式(6)右邊為“-”時(shí),可導出式(11)、(12),也就可產(chǎn)生左性電磁波。式(5)、(6)的符號這樣選取是否可能?可在在三維空間分析式(5)有

3　左性電磁波的產(chǎn)生
筆者在國家自然科學(xué)基金項目《基于漏磁激波檢測的三維圖像信息重構原理研究》中,運用對稱(chēng)強電磁場(chǎng)裝置進(jìn)行了實(shí)驗,發(fā)現同性極磁場(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(xiàn)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(xiàn)圈電流同步,保證磁場(chǎng)在峰點(diǎn)相撞。同時(shí)要求線(xiàn)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(xiàn)飛行到無(wú)窮遠處。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(xiàn)圈形成磁單極結構,激勵電流產(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;如激磁波在近場(chǎng)具有S-N或N-S偶極型結構,則波被削 弱,甚至無(wú)發(fā)射。采用圖3方法驗證了磁激波的磁單極性。實(shí)驗結果表明,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。

對于磁單極形成的場(chǎng)結構不如偶極型磁場(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。在激勵電流完全對稱(chēng)時(shí),激發(fā)波是沿x-y中心面對 稱(chēng)的,2股激磁波平行運動(dòng)。當激勵電流不對稱(chēng)時(shí),兩邊磁場(chǎng)不平衡,高的磁場(chǎng)梯度使渦旋方向轉向磁場(chǎng)弱的方向。因此調節兩激勵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(mǎn)足×E和 ×B的取向,實(shí)現電場(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。由于激磁波是運動(dòng)的磁場(chǎng),因而可感生電磁波。 改變激勵電流特性,就可產(chǎn)生左、右性電磁波。

4　結束語(yǔ)
左性電磁波從電磁場(chǎng)的對稱(chēng)性理論看是存在的,通過(guò)調整激磁波激發(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,對其物理本質(zhì)、激發(fā)機理、電磁特性等問(wèn)題,目前的研究還很膚淺,還需不斷深入。