電磁場的對稱性與左性電磁波

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

對稱是生物進化發(fā)展的必然結果。人為了生存,必須形成對稱結構[1]。鳥為了飛翔,左右翅膀必須對稱,因此,科學和藝術都很重視對稱性。對于科學,對 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。在科學中,對稱性是指某種操作下的不變性或者守恒性,對稱性常與守恒定律相聯(lián)系。與空間平移不變 性對應的是動量守恒定律;與時間平移不變性對應的是能量守恒定律;與轉動變換不變性對應的是角動量守恒;與空間反射(鏡像)操作不變性對應的是宇稱守恒。 物理世界中存在多種對稱形式: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。
電磁場的對稱性就是不斷發(fā)展完善的過程。從發(fā)現(xiàn)磁現(xiàn)象,到發(fā)現(xiàn)電,繼而對電和磁的性質和規(guī)律的研究,都體現(xiàn)了電和磁的對稱性。后來Maxwell提出了變化電場產生磁場,變化磁場產生電場的2個假設,創(chuàng)立了電磁場理論。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,描述了一般情況下電荷、電流激發(fā)電磁場以及電磁場內部運動的規(guī)律。Maxwell方程組一方面表明電與磁具有對 稱性,即變化電場產生磁場,變化磁場產生電場。另一方面又表明電場與磁場的對稱性是不完全的。由式(1)、(2)可見,電場和磁場的旋度不對稱,參與磁場 形成的不僅有變化的電場,而且有電荷運動形成的電流;由式(3)、(4)可見,電場和磁場的散度不對稱,磁場是無源的,電場是由電荷產生的。這表明,對稱 性賦予了電磁場統(tǒng)一的共性,使之和諧有序;對稱破缺帶給電、磁及由電磁形成的各種場的差異,打破了對稱性造成的平衡、穩(wěn)定、靜止和不變的次序。

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

在自然界中并沒有介電常數(shù)ε和磁導率μ同時為負的材料,通常是使介電常數(shù)ε和磁導率μ同時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。在外電場作用下,當外電場的頻率ω ω0時,電子相對于原子核產生一個位移,并且在外電場方向上誘導一個極化,即極化方向同外電場方向一致,此時介電常數(shù)為正。當ω→ω0時,諧振子同外電場 發(fā)生諧振,外場誘導的極化很大,諧振子內積累了很大的能量,從而當外電場方向發(fā)生反轉時,諧振子的極化方向幾乎不受影響。也就是說,當頻率接近于諧振頻率 ω0時,諧振子的極化由與外電場同相位轉變?yōu)榕c外電場反相,從而出
現(xiàn)了負效應。這讓右性電磁波通過左手材料后變?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,可導出式(11)、(12),也就可產生左性電磁波。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　左性電磁波的產生
筆者在國家自然科學基金項目《基于漏磁激波檢測的三維圖像信息重構原理研究》中,運用對稱強電磁場裝置進行了實驗,發(fā)現(xiàn)同性極磁場撞擊可
激發(fā)產生左性電磁波。
同性極磁場撞擊時激發(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,保證磁場在峰點相撞。同時要求線圈產生的磁場

終要回到S極,也就是說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,則撞擊時就可使磁力線飛行到無窮遠處。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線圈形成磁單極結構,激勵電流產生的磁場方向相向。

在激發(fā)處施加同極性的具有磁單極性的磁場,如激磁波在近場具有磁單極性,則波被聚集且幅度增強;如激磁波在近場具有S-N或N-S偶極型結構,則波被削 弱,甚至無發(fā)射。采用圖3方法驗證了磁激波的磁單極性。實驗結果表明,發(fā)射波幅度增大近1倍,這說明激磁波在近場具有磁單極性。

對于磁單極形成的場結構不如偶極型磁場牢固,其渦旋方向易于控制,這為產生左性電磁波奠定了基礎。在激勵電流完全對稱時,激發(fā)波是沿x-y中心面對 稱的,2股激磁波平行運動。當激勵電流不對稱時,兩邊磁場不平衡,高的磁場梯度使渦旋方向轉向磁場弱的方向。因此調節(jié)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足×E和 ×B的取向,實現(xiàn)電場、磁場、波矢3矢量按式(9)、(10)右手定則或式(11)、(12)左手定則選擇。由于激磁波是運動的磁場,因而可感生電磁波。 改變激勵電流特性,就可產生左、右性電磁波。

4　結束語
左性電磁波從電磁場的對稱性理論看是存在的,通過調整激磁波激發(fā)方式,可產生左性電磁波。
但左性電磁波是一個新概念,對其物理本質、激發(fā)機理、電磁特性等問題,目前的研究還很膚淺,還需不斷深入。