超导线圈、磁单极子、物理学界的未来与我的探究之路

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​和大家分享一篇古代文章。

这篇文章来自高三时的我,距今已经四年有余了。这篇文章全文6131个字,读起来大概需要十几分钟,不过里面的观点是错的,大家也就不必细看了。

这篇文章讲的是一道不存在答案的高考模拟选择题,题目内容大概是超导线圈和磁单极子的作用过程。两个本就不实际存在的物体,用高中的物理理论去分析,自然是不会得到什么太正确的回答。我基于当时物理竞赛的理论基础重新给予了分析,最终的结论是标答里的正确答案站不住脚。

——当然后来这个观点也被证明是错误的。大一下学电磁学的时候,我又回想起了这道题,在当时电光楼202团委办公室值班的时候,我用屋里的一个呼啦圈,一边比划一边和梁老师线上沟通,最后得出了我们都认同的结论:题目里的选项都是不正确的,我高三时的想法也是不不正确的。

至于正确的物理过程是什么,现在看来已经完全不重要了,这其中敢于深入探究的过程才是最重要的。许多东西深挖下去都站不住脚,这里面不仅有“真值与测量”的矛盾作用,更有许多我们不可抗拒的外力作用。纸有可能包不住火,但终究来讲,有纸和没纸还是不太一样的。比如最近的P30月亮门,彭林是真的尊重真相,也是真的倾尽所能在去支持王跃坤,作为一个本人不可控的话题与事故,这已经是最聪明、最折中的解决办法了。

但我认为,我就是为探究而生的。我要走的路,就是我有选择权、我有探究路线、我有发言权的路。

具体来讲,就是现在,我正在走的路。

以下是文章正文:《超导线圈、磁单极子与物理学界的未来》

据我所知,这道题在这篇文章之后,已经在后续几年从高考练习题之中删去了。


今天在物理课上,全班一起细致地分析了如下题目。虽然最后根据题面所得出的结果是无懈可击的,但是深究其本质,越想越深入,越想越可怕,可谓是细思恐极。以下是个人的一些见解。毕竟我是一个中学生,不是什么物理学本质的研究者,所以以下所写,必定会有疏漏,也必定会有自己产生疑问的地方,欢迎各界指正。

首先,我们在这里回顾一下这道题目。

将一超导线圈放在磁场中,现突然撤去磁场,则在超导线圈中产生感应电流。科学家发现,此电流可以持续存在,观察几年也未发现电流的变化。下列关于超导体正确的是:
A 由实验可知,超导体的电阻为零,电路中没有热损耗
B 条形磁铁的N极在不断接近超导线圈的过程中,线圈内感应电流方向一定不变
C 条形磁铁穿过超导线圈的过程中,线圈内感应电流方向一定变化
D 磁单极子穿过超导线圈的过程中,线圈内产生不断增强的电流

在对原题的众多解释孰是孰非毫无概念的情况下,我上网搜寻了一下原题,显然按照题面对超导所给出的定义,原题的解释也是错误的,请看下图。至于C项错误的原因,老师在课上已经给出了详细讲解,本文就不在此一一解释了。



下面我们来对D项的正确性进行具体分析。

根据题面的描述,超导线圈具有如下特性:
(1)和所有线圈一样,超导线圈从某些方面上遵守(注意,是某些方面)楞次定律——即,在外加磁场的条件下,它也具有“增反减同,来拒去留”的特性,可以产生感生电场。
(2)和非超导线圈不一样,在外部磁场突然消失的情况下,线圈内的电流既不会突增,也不会突减,更不会消失,而是会一直保存,转啊转,转啊转,山不转水转,水不转电流也在转,就这么一直转下去,除非外界磁场改变而按照(1)所述的方式导致电流改变。

磁单极子是什么?至今只有理论预言磁单极子的存在,而没有实验验证磁单极子的客观实在性。一般所说的磁场,其性质都是不允许存在磁单极子的——众所周知,磁感线是闭合的,它既没有一个看得见摸得着的起点,也没有一个能够切实属于自己的终点。但在磁单极子这里就不一样了。虽然磁单极子的物理实质我们无从了解,但是经过类比,我们在这里认为,他和电荷具有某种形式上的一致性——电荷有具体的正负,磁单极子有具体的NS;电场线起始或终止于电荷,磁感线起始或终止于磁单极子。

于是,这道题中磁单极子周围的磁感线、磁通量、磁通变化我们就都可以轻松的掌握了——其形式和电荷周围的电场线、电通量、电通量变化是完全一致的。一个磁单极子从无穷远处过来,穿过线圈,再回到线圈另一面的无穷远处,这之间的状况我们是完全可以分析的通的。

就按照网上解答的那个图来讲,磁单极子从上面穿过的过程中,穿过线圈的叉场是一直在增强的——按照楞次定律的表述,感应出的点儿场也一直在增强,从而电流一直在加大。

在磁单极子穿越线圈的一瞬间,超导线圈的磁通量为0,这时便不能按照楞次定律分析了——我们需要应用上面提到的超导线圈特性(2):和非超导线圈不一样,在外部磁场突然消失的情况下,线圈内的电流既不会突增,也不会突减,更不会消失,而是会一直保存。现在,穿过线圈的磁通量突然(注意,是突然)将为0,线圈内的电流将会维持原有的状态。(至于磁通为什么是一直增大,而又在一瞬间降为0,可以由类比出的磁单极子状态下的高斯定理解释,在这里不予说明,只需定性认识即可。——致小黑,我真的没有想出什么简单的方法来证明这个,真的不是我想秀优越。)

磁单极子穿过线圈之后,线圈的磁通量和之前相比发生了天翻地覆的变化——之前是叉场,现在是点儿场;之前是叉场一直在增大,现在是点儿场一直在减小。点儿场减小,相当于叉场增大,从而感应出的点儿场也一直在增强,电流按照刚才的方向一直增大。

按照题面上对超导线圈的描述以及我们自己对磁单极子的类比,D选项简直marvellous,不,就是marvellous,fantastic,excellent,无懈可击。

下面,我们来对超导线圈和磁单极子的物理本质一一进行解释,与此同时不断地重新审视我上述所列出的分析。首先提起注意的是,以下所说的和本题的题面解释有所冲突,所以以下所说的原理、方法全部不能用在实际的操作与解答中。如果因为用了下述结论、违背了题面解释而导致选择出现错误,我不承担任何责任。

超导是指导电材料在温度接近绝对零度的时候,物体分子热运动下材料的电阻趋近于0的性质。“超导体”是指能进行超导传输的导电材料。“零电阻”是超导体的一个非常重要的特性,由此导致超导体中的电压与电流不能遵从欧姆定律(实际上在我认为超导体根本不能视作纯电阻),而在超导体范围中欧姆定律由伦敦方程所替代。“完全抗磁性”是超导体另外一个非常重要的特性。“完全抗磁性”要求,磁场中的金属处于超导状态时,体内的磁通量需要为零。与物质都具有的抗磁性不同,在“完全抗磁性”的作用下,超导体从某些角度来讲也许不遵守楞次定律,计算其感生电流也不能按照磁通量变化率等于感生电动势的负值来计算。

根据超导体的这些性质,我们来重新分析D项。

磁单极子在从上部逐渐靠近超导线圈的过程中,由磁单极子发出的磁感线在超导线圈中产生的叉场磁通量一直在增大。但是超导线圈是不能允许这种变化的——超导线圈内的磁通量需要始终为0 。为了改变这一现状,超导线圈只能自身产生“抗磁电流”,这种电流在超导线圈内部激发出大小和外部磁通量完全相同的点儿场,抗磁电流引发的磁通量和磁单极子引发的磁通量数值完全相等,大小完全相反,从而保证了超导线圈中的磁通量为0 。根据上面的解释图,这时的抗磁电流是逆时针方向的。

在磁单极子恰好位于超导线圈平面的一瞬间,值得我们注意的事发生了。此时在超导线圈平面内,磁单极子所引发的磁通量全部是沿半径方向的。此时,没有一根磁感线穿出超导线圈,也没有一根磁感线穿回超导线圈。超导线圈在这时的磁通量为0 。外部所施与的磁通量为0,也就无需抗磁电流来抵消外加磁场了,所以此时超导线圈内部没有电流。如此平静,也仅在这一瞬间。

美好总是短暂的,我们只有能力享受当下的美好,却没有能力改变外界的世界。超导线圈此时就处于一种“物是人非事事休”的状态——磁单极子还是那个磁单极子,但仅仅是穿越到了超导线圈的下面,其所穿过超导线圈的磁感线便全部改变了方向,现在磁单极子在超导线圈平面所引发的磁场为点儿场,外加磁通量穿出超导线圈平面。外面的世界很精彩,外面的世界也很无奈。发现自己不能做什么来改变外部磁场,超导线圈也便只能“欲语泪先流”了,只能通过改变自己来适应这个世界。改变自己的方法其实很简单——更改抗磁电流的方向,使得抗磁电流在线圈平面产生的磁场为叉场,依然还是和外界磁通量大小完全相等,方向完全相反,磁通量依然保证为零。

总结以上分析,我们便可得到超导线圈中的电流变化规律——先逆时针增大到最大,然后突变为0,紧接着突变到顺时针最大,然后再慢慢减小到0 。请注意,务必注意,一定注意,这不是根据题面的描述所得到的,只能从某些角度解释物理现象,但不能应用于答题规律中。

以上,我们解释了超导体的相关性质在这道题中所起到的作用。下面我们来关注另外一个要点——磁单极子。事先声明,事先声明,以下关于磁单极子客观存在性以及其对物理学影响的讨论,只是我个人的一点想法,一点而已。

磁单极子是理论物理学中所预言的一些仅带有N极或S极单一磁极的磁性物质,它们的磁感线分布类似于点电荷的电场线分布。截止到2013年末,科学家尚未发现磁单极子。没有理论证明他一定存在,也没有理论证明他一定不存在;没有实验证明他一定存在,也没有实验证明他一定不存在。

在现在通行的麦克斯韦电磁理论中,有一些本质规律是我们一并认同的——它不是定律,不是定理,而是人类对物理本质最基本的认识,是电磁学上层建筑的理论基础,是不用证明也无法证明的原理。这些原理包括:

(1)磁感线是无头无尾的环状闭合曲线,它不起始于某个位置,也不终止于某个位置。规定小磁针的北极所指的方向为磁感线的方向。磁铁周围的磁感线都是从N极出来进入S极,在磁体内部磁感线从S极到N极。

(2)对于一个闭合曲面来讲,根据(1)的性质,只要有一条磁感线穿出这个闭合曲面,为了形成闭合曲线,它必须再次穿回这个闭合曲面。有多少磁感线穿出这个曲面,就有多少磁感线传入这个曲面,向外的磁通量和向内的磁通量互相抵消,任一闭合曲面磁通量为零。有一个定理用来描它,叫做静磁场的高斯定理。

(3)对于一条处在磁场中的闭合曲线来讲,沿着它转一圈,从起始位置再次回到起始位置,每一个微元的磁感应强度B乘以其长度L的加和,等于穿过闭合曲线内部的所有电流I的加和与真空中磁导率的乘积。和静电场不同,静电场是保守场,围着任意闭合路径转一圈,从起点回到了终点,其位置没有变化,其电势也就必定不能变化,从而E和L乘积的加和等于0 。静磁场的这条性质叫做安培环路定理。

麦克斯韦在前人大量工作的基础上,兢兢业业,克服无数困难,总结出了完整概括电磁场全部性质的麦克斯韦方程组——它是完全概括静电场的两条性质在电磁场中的扩展,也是完全概括静磁场的两条性质(上述的性质(2)和性质(3))在电磁场中的扩展。只用四个方程,便完整地概括了电磁场的全部性质,可谓集大成之举。

由麦克斯韦自己的工作,他成功预言了电磁波的存在(后经赫兹得以证实,为了纪念他在这方面的贡献,频率的单位被命名为赫兹),也成功的导出了真空中的光速c。在他的笔下c的形式是如此简单,以至于即使参考系发生了改变——速度变化、甚至于加速度变化,光速c的大小依然不变。

这一总结不要紧,他却把伽利略的脸打得啪啪作响——按照我们日常所认同的伽利略变换,绝对速度等于相对速度加上参考系自身的速度。在他的理论中,绝对速度等于c,相对速度还等于c,而参考系自身的速度可以任意取值——这是根本不符合伽利略变换的。

到底是伽利略变换错了,还是麦克斯韦的结论错了?人们曾经试图过推翻麦克斯韦的理论(通过寻找一种绝对静止的参考介质“以太),但是失败了。于是在经过了若干年的彷徨与紧张之后,爱因斯坦提出了相对论,成功的维持住了即将坍塌的物理学理论大厦——拆了一部分,加了些地基,又盖出了更高的高楼。

磁单极子于今日物理学界的作用,大概和麦克斯韦之前的研究一样——如果存在磁单极子,那么磁感线将不再是闭合的。这使得上述静磁场基本规律(1)从根本上不再成立——磁单极子发出的磁感线,有确定的起点。从而,由它所导出的基本规律(2)和(3)也便不再成立了。

磁场高斯定理和安培环路定理不再成立,与之相似的描述电场的两条定理(他们叫做高斯定理和环路定理)也许也受到了相当的冲击,麦克斯韦方程组也许失去了其完全概括电磁场的价值。啪,一个磁单极子,打了麦克斯韦的脸,正如100年前伽利略——世界上第一个用实验研究物理现象的人——被打脸一样。物理学也许会再次陷入危机。

我们上述针对D项的讨论,无论是第一层次基于题面描述的讨论,还是第二层次基于超导性质的讨论,都是将磁单极子和电荷相类比,从而应用电场线的相关性质得出的结论。这种类比固然是有其道理的,然而谁有能保证其正确性呢?电场线客观完整地描述了电场,从而电场线的性质也就代表着电场的性质。电场线有头有尾,从正电荷或无穷远出发,而终止于负电荷或无穷远处,不存在、不相交、不相切、不闭合,这些都是建立在我们现有认知对电场的认识之上的,而现有对电场的认识又基于描述电场的全部两条定理——上文提到的高斯定理和环路定理。现在由于磁单极子的出现,磁场高斯定理和安培环路定理已经不再成立了,我们又有什么理由能够将磁单极子引发的磁感线用类比过来的”磁单极子高斯定理“和”磁单极子环路定理“加以分析呢?

所以,现在对于磁单极子这种可能存在的新兴事物,我们没有现有的通俗易懂的理论在中学物理甚至普通物理学层面加以认知和分析。物理学和数学等学科不同,物理学是一门以实验为基础的科学。实验讲究实事求是,物理学也讲究客观反应现实。尽管实验存在系统误差和偶然误差,但是在尽量减小或消除它们之后,实验结果是什么,就是什么,不容一丝更改。早年间亚里士多德凭借着自己对世界的哲学性的认识总结出了一些物理规律,而一千多年之后,第一个站出来做实验的人伽利略用实验现象初步对他提出了质疑,之后在牛顿、开普勒等人的不断实验、不断分析、不断认知的进程中,亚里士多德的部分认知被推翻,牛顿三定律、开普勒三定律、伽利略变换、万有引力定律等的物理学根基被稳固的建立了下来。这些,都与我们对世界的客观感知与分析是分不开的。注意,是客观,是通过实验获得的客观。

而在现在的科学世界中,磁单极子只是一种预言,他可能会如当年麦克斯韦预言的电磁波一样被证实,也有可能在今后的时间长河中被湮没。对于这样一种虚无缥缈的东西,我们根本无从发现,也就更无法通过实验认知来获取他的性质了。

所以,无论是基于超导体现有的科学认知,还是基于磁单极子目前的未知性,这道题的出现,都实属可笑。

下面,让我们再来回顾一下这道题。

将一超导线圈放在磁场中,现突然撤去磁场,则在超导线圈中产生感应电流。科学家发现,此电流可以持续存在,观察几年也未发现电流的变化。下列关于超导体正确的是:
A 由实验可知,超导体的电阻为零,电路中没有热损耗
B 条形磁铁的N极在不断接近超导线圈的过程中,线圈内感应电流方向一定不变
C 条形磁铁穿过超导线圈的过程中,线圈内感应电流方向一定变化
D 磁单极子穿过超导线圈的过程中,线圈内产生不断增强的电流

首先分析题面:“将一超导线圈放在磁场中,现突然撤去磁场,则在超导线圈中产生感应电流。”看到这里,这道题便没有了存在的价值——按照超导体目前已知的完全抗磁性,突然撤去磁场以后,超导线圈内的感应电流会突然变成0.

再来分析选项:“磁单极子穿过超导线圈的过程中,线圈内产生不断增强的电流。”磁单极子是否存在,是什么样的存在,有什么存在价值,它的存在将会导致什么,他又以什么样的性质影响着这个物理学世界,我们根本无从了解,又如何应用他的性质完成题目呢?

人类在这个世界中的存在,是如此的渺小。哲学中认为在思维与存在中存在为本源,客观存在决定了这个世界的价值;思维能够正确认识存在,人类能够通过对世界的不断分析认知,来了解这个奇幻而又简单的世界。迄今为止,物理学的发展越来越趋向深入,而其总结出来的基本规律,却越来越简单——麦克斯韦方程组初始状态下有20个方程组,但经过后人的不断化简,最终用四个方程组成的方程组完美的概括了现在认知的电磁场的全部性质。我有幸能生活在这个物理学蓬勃发展的当今世界中,并且,如果有机会,我愿意为“打前人的脸”——不断深入的发现这个世界的本源,做出自己的贡献。物理学现在并非一片歌舞升平,即使爱因斯坦、普朗克、德布罗意、薛定谔等一大批前赴后继的物理学家在近一百年内使得人类历史上的物理学的思维深度以及高度上升到了无与伦比的水平,但是物理学界的未来,依然大有前途。

时过境迁,自己也已经不是小时那个随时充满欢声笑语的自己了。越来越沉浸于歌词诗句中所描绘出的那些意境,也曾想过能感受到那份心动,拥有属于自己的幸福。但是,漫漫长路,起伏不能由我;人海漂泊,换来的也许只是尝尽人情淡薄。世间多少深情都独自走向了寂寞,多少幽幽香气都只能所在自己的深深旧梦中。但是,作为一个有志于学习理工科的男生,感知这个世界,总结这个世界,能够让我获得从未体验过的心中的慰藉。我愿意为世界的发展,贡献出自己的一份力量。

分类: 物理

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