我曾确信,在磁场中运动的电荷所受的力也是一种电场力,正是这种确信促使我去研究了狭义相对论。——爱因斯坦
运动的电荷会产生磁场,但运动是相对的,当我与电荷以相同的速度运动时,磁场还会存在吗?
粒子轨迹
答案是不存在,因为磁场的本质是电场的相对论效应。众所周知,相对论效应一般发生在高速或大质量的情况下,例如速度接近光速引发的钟慢效应,巨大质量引起的时空弯曲等等。然而磁场却是一种宏观可见的低速相对论效应。
磁场为什么是电场的相对论效应?根据相对论,电场和磁场统一为电磁场,二者构成了一个二阶张量,换言之,电磁场可以分解为电场部分和磁场部分,但是电场和磁场不再具有绝对性,没有明显的分界线,需要根据观测者所在的参考系来决定,在某一参考系中观测者所观测到的是纯电场力,在另一参考系中观测者可能会观测为电场力与磁场力的合力。
相对论效应
简略证明如下:
假设一个相对静止的参考系S,以速度v相对运动的参考系S'。
在参考系S的竖直方向上经过两个电子(电荷量q),运动速度同参考系S'一样为v,方向都沿x轴的正方向。
在参考系S中,由于尺缩效应,电场线会更密集,在参考系S'中的场强为:
E'=E/γ
其中γ是洛伦兹因子:
在参考系S'中的电子相对静止,电子受力为: