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的電磁感應理論的右手定則但卻合乎自然界的對稱規律。

對稱是生物進化發展的必然結果。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展完善的過程。從發現磁現象,到發現電,繼而對電和磁的性質和規律的研究,都體現了電和磁的對稱性。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象的本質,描述了一般情況下電荷、電流激發電磁場以及電磁場內部運動的規律。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。由對稱理論發展規律,存在左性電磁場是必然的。
2　左性電磁波的存在性
根據對稱原理,對稱是事物發展的規律,是變化的統一。因此電磁場也應遵循這一規律,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ε和磁導率μ同時為負的材料,通常是使介電常數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,此時介電常數為正。當ω→ω0時,諧振子同外電場 發生諧振,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為與外電場反相,從而出
現了負效應。這讓右性電磁波通過左手材料后變為左性電磁波的波性轉變方法是可行的,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,發現同性極磁場撞擊可
激發產生左性電磁波。
同性極磁場撞擊時激發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。基于這一原理將圖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、激發機理、電磁特性等問題,目前的研究還很膚淺,還需不斷深入。