物理思想史与方法论-3课件

第三章电磁学的发展电磁学跟其它许多学科一样，不是短期内也不是靠某一位天才发展完善起来的，它是人类智慧长期积累的结果。但早期都只停留在对自然现象的表面观察上。关于电磁现象的真正深入系统的定量研究，是在生产有了一定程度的发展，科学水平有了较大提高的十七、十八世纪，人们采用实验方法研究和探讨电磁现象所遵循的各种规律后才开始的。3.1关于静电现象与静磁现象的研究吉尔伯特对静电现象也做了仔细的研究。他发现不仅摩擦过的琥珀有吸引轻小物体的性质，而且一系列其他物体如金刚石、蓝宝石、水晶、页岩、树脂等也有这种性质。他把这种性质称为“电性”。他是第一个用“电力”、“电吸引”、“磁极”等术语的人。他还把象琥珀这类能吸引轻小物体的物体称为“带电体”，把金属、人体、动物等不能用摩擦使它们具有吸引能力的物体称为“不带电体”。他认识到电现象是物质所具有的一种比较普遍的现象。

吉尔伯特通过对他所认识的电现象和磁现象的比较后认为，电和磁是两种截然无关的现象。这个结论给后来的电磁学发展带来了深刻的影响。他得出上述认识的主要依据是：(1)电性可以用摩擦的方法产生，而磁性是自然界中的磁体才具有的；(2)磁性有两种——吸引和排斥，而电性仅有吸引(当时还没有发现电的排斥现象)(3)电吸引比磁吸引弱，但是带电体可以吸引任何轻小的物体，而磁石只对可以磁化的物质才有力的作用；(4)磁体之间的作用不受中间的纸片、亚麻布之类物体的影响，而带电体之间的作用要受到这些物质的影响。当带电体浸在水中时，电力的作用可以消失，而磁体的磁力在水中不会消失；(5)磁力是一种定向力，而电力是一种移动力。对电现象理论作出最初尝试的是法国科学家杜菲（C.F.Du.Fay,1698－1739）。为了解释摩擦起电及电的吸引和排斥现象，杜菲认为存在有两种流，可以通过摩擦的形式把它们分开，使两个物体带异种电荷而相互吸引，当它们结合时，又彼此中和。这就是所谓的“双流”说。起电过程是一定量的电液从一个物体转移到另一个物体上，若一物体得到比它正常份量更多的电液，那么它就带“阳电”(即“正电”)，反之就带“阴电”(即“负电”)。为了解释异性电相吸引现象，他认为“虽然电液粒子彼此排斥，但是它们却为其它一切物质所强烈地吸引”。这样富兰克林的“一液说”取代了杜菲的“双流说”，成为当时比其他任何人更圆满地解释电现象的学说，为大多数人所接受。这样在十八世纪末并存着“一液说”和“双液说”。而无论是“单液说”还是“双液说”，它们的核心都是把电看作是一种粒子。这个观点和十八世纪科学界对光的本性的看法是一致的，都属于机械的微粒说。1780年，意大利解剖学家伽伐尼（A.L.Galvami,1737－1789）偶然发现，在雷雨来临时，与金属环相接触的青蛙腿发生痉挛现象。6年后他又观察到用两种金属组成的环和蛙腿接触也会引起蛙腿痉挛。于是他把这些现象加以总结后发表了《肌肉运动所产生的电力》的论文。认为蛙腿痉挛现象的发生是由于青蛙内存在“动物电”的缘故。这种“动物电”的发现引起了人们对电的本质的进一步探索并出现了三种不同的观点。即(1)认为动物电是动物身体内部产生的，它可以由脑发出，通过神经并积蓄在肌肉中，很可能是一种人们尚不知道的“自然力”。(2)认为是一种与电液相似的电，当金属与金属、金属与液体等相接触时，由于接触产生一种分离力，使两种电液分离而产生一种“流电”(3)认为伽伐尼是一种与普通电液不同的另一种液体，流电的产生是由于化学作用的结果。 英国物理学家法拉第 (MichaelFaraday,1791－ 1867)于1831年发现电磁感应现象后，于1833－1834年间深入研究了电解过程，建立了电解二条基本定律。根据以上二定律，电解中与被析出的每一个原子相联系的电量(ｎ为该元素的原子价，Ｆ为法拉第常数，Ｎ为阿伏伽德罗常数）。由此，任何离子所带电量总是一个最小基本单元的整数倍。据此，法拉第认为，应该存在着“与物质的粒子或原子联系在一起的一个绝对的电量”。这使他在事实上开始接触到电的原子性，正如赫姆霍茨(H·VonHelmholty,1821－1894)在1881年所指出的：“法拉第电解定律的最可惊异的结果也许是这样：如果我们接受元素物质由原子组成的假说，我们就不可避免地要作出结论说：电，不论是阳电还是阴电，也分为元素部分，其行为就象电原子一样。”德国物理学家韦伯(W·E·Weber,1804－1891)为了解释安培于1820年提出的分子电流假说，在1871年提出了一个很接近现代原子结构的模型，认为可以设想每一个物质原子上附有一个电原子，若Ｅ为带正电粒子，那么，－Ｅ为带等量异号电荷的粒子，他假设，－Ｅ粒子具有可称衡量，Ｅ粒子质量相形之下可忽略不计，韦伯当时认为，－Ｅ粒子静止不动，Ｅ粒子围绕－Ｅ粒子旋转。可以说韦伯已经猜测到了原子的电结构，唯一遗憾的是他把带电的正负号颠倒了。这样到十九世纪七十年代，关于带电本质问题事实上已经形成了两种不同的观点，一种以德国韦伯等为代表，把电看成一种带电粒子；另一种以英国法拉第、麦克斯韦(J·C·Maxwell,1831－1879)为代表，把电视为连续“以太”介质中应变的结果。有人根据该射线直线传播及在磁场作用下发生偏转等现象推断这是一种带负电的粒子流；也有人根据它能穿透薄金属窗推断它很可能同光线一样是一种电磁波，但后来的实验不断否定这种看法，特别是伦琴于1895年发现了Ｘ射线，为揭示阴极射线的粒子性提供了有力证据。对电子发现作出重大贡献的是英国物理学家汤姆逊（J·J·Thomson,1856－1940），他首先通过实验发现阴极射线不仅可被磁场偏转，也被电场偏转，据此他断言这是一种带负电的粒子；其次，他通过实验测定了这种荷电粒子的荷质比；最后，他发现，不管怎样改变放电管中的气体种类，也不管怎样改变电极材料，阴极射线荷质比保持不变。电子的发现不仅打破了原子不可分割的旧观念，为人类对物质结构进行探索打开了大门，而且为揭示带电本质的经典电子论的创立奠定了基础，它标志着人类对物质结构的认识，进入到一个新的阶段，因此，这是物理学发展史上一项具有划时代意义的重大发现。事实上，在电子被发现前，荷兰物理学家洛仑兹(H·A·Lorentz,1853－1928)就在1895年将电磁现象经过物质时所呈现的各种宏观现象归结为电磁波与物质中准弹性力作用下带电粒子间相互作用的结果，并在此基础上进一步发展了经典电子论。根据电子论，物体带电的本质是电子的转移。在正常情况下，构成物质原子中的正负电荷量相等，电量代数和为零，在宏观上呈电中性。若由于某种原因，物体失去一部分电子，则该物体带正电，得到电子的物体带负电；或者由于某种原因(如感应等)，物体中电子从某一部分转移到另一部分，则前者带正电后者带负电；或者由于光的作用，电子从金属中逸出形成光电子。总之，这一切都是基本带电粒子转换、传递或被激发的结果。3.1.3库仑定律的发现

十八世纪天文学和航海事业的发展，对磁针和指南针的设计提出了更高的要求，1773年，法国科学院以“什么是制造磁针的最佳方法”为题悬奖，库仑不仅获得了这次悬奖的头奖，而且以此为契机，开始了他对电磁现象的深入研究。在法国科学院公布关于船用指南针的最优结构的悬奖征文后，库仑转而研究电力和磁力问题。1785年他用扭秤的结构原理自制了一台精巧的扭秤，作了一系列的实验，证明了牛顿的平方反比定律也在电的以及磁的吸引和排斥中适用，并证明了电的作用跟电量的乘积成正比，即著名的库仑定律。其后，他又做了一系列同样的实验，其共同的结论是：同种电荷之间的斥力与它们距离平方呈反比关系。后来库仑又将这个结论推广到异种电荷的吸引力情况。运用矢量概念可以表述如下：两个点电荷之间作用力的方向沿它们的连线方向，同种电荷相斥，异种电荷相吸；其值与这两个点电荷的电量的乘积成正比，而与它们的距离平方成反比。库仑定律是电学中得到的第一个精确的定量规律，它的建立标志着电学从定性的观察和实验阶段进入了定量研究阶段。采用下式可完整而确切地表达出库仑定律的内容：其中ｋ为比例系数，为沿着两电荷连线方向的矢量。库仑假设力的大小与两点电荷电量的乘积成正比，这纯粹是与牛顿万有引力定律的一种类比。对库仑定律准确度的验证迄今仍在进行，实验验证的精确度越来越高。直到1971年，实验结果表明库仑定律偏离平方反比律的偏差小于2.7×10－16。对静电磁现象所进行的这一系列研究，促进了静电磁学的发展，特别是库仑和高斯等人的研究，使静电磁学开始由定性描述走向定量探讨，为电磁学的进一步发展打下了坚实的基础。从1909年到1918年美国物理学家密立根(Milikan,1868-1953年)对直接测定基本电荷e的绝对值做出了重大贡献。他进行了一系列用油滴测量电子的实验。他的方法从原理上讲是很简单的，用两块水平放置的金属板，在其间喷入悬浮的油滴，用显微镜观察它的运动。在极板间未加上电场时，油滴在重力和空气阻力下匀速下落。如果油滴在被电离的空气中捕捉到了一定量的电荷，就可以在极板上加上适当的电场使油滴匀速上升。实验发现，改变油滴的荷电量，油滴的速度即作跳跃式的变化。多次对同一油滴的速度进行测量，表明油滴的荷电量是同一数量e的整数倍。密立根最后的测量结果为e=1.59×10-19C(库仑)，与现代测量值e=1.60×10-19C非常接近，并且他由电解定律求出了阿伏伽德罗常数：密立根的工作表明，电荷总是以一个基本单元的整数倍出现。物质所带的电荷不是以连续的形式出现的，而是以一个个不连续的量值出现的，这称为电荷的量子化，但由于电荷的最小单元(即电子的最小电量e)是如此之小，使电的量子性在研究宏观现象的绝大多数问题中难以表现出来。3.2电磁联系的揭示1785年，法国物理学家库仑用扭秤实验测定了静电的相互作用和静磁的相互作用，在这个基础上建立了两个相似的公式，即库仑定律。然而,人们并没有以此为契机,进一步用实验或其他方法证明电和磁之间的相互联系、相互转化的可能性并得出这种转化的方法和条件。库仑甚至曾经断言，电与磁是两种完全不同的实体，它们之间不可能相互转化。此后的相当长一段时间内，人们便不再期望电与磁之间会有些什么联系了。就连电动力学的奠基人安培(A·M·Amper,1775－1836)和光波长度的第一位测定者杨(T·Young,1773－1829)都认为库仑的观点是正确的。安培甚至表示，他宁愿去“证明电和磁是互相独立的两种不同的流体”，而不是相反。杨在他的《自然哲学讲义》中指出：“没有任何理由去设想电与磁之间存在任何直接的联系。”柳暗花明又一村。1800年，意大利物理学家伏打发明的电池，为物理学研究提供了稳定的电流源，标志着人类认识电和磁之间的联系的时代已经到来。3.2.1奥斯特和电流的磁效应

十九世纪初，康德(I·kant,1724－1804)的基本力和基本力向其他种类的力转化的哲学思想，对促进物理学家去寻找电与磁的本质联系起了积极的作用。丹麦物理学家奥斯特(H·C·Oersted,1777－1851)坚信自然力统一的思想。认为电、磁、光、热等现象之间存在着某种内在的联系，尤其是富兰克林发现的莱顿瓶放电能使钢针磁化的事实，更坚定了他的上述观点，为了寻找电与磁之间的联系，奥斯特作出了不懈地努力。他在1812年写的《关于化学力和电力的统一的研究》的著作中，提出了这样的设想：如果使电流通过直径较小的导线，导线会发热；若进一步缩小导线的直径，电流会使导线发光；进而推知，当导线直径小到一定程度，电流将会产生磁效应。应该指出，他的这条思路本身是不可取的、错误的，正是由于这个错误，使他走了几年的坎坷弯道。但他的电能转化为磁的思想却又是值得称颂的。从1819年冬至1820年春，奥斯特给一批精通自然哲学并具有相当物理学知识的学者讲授有关自然力统一的课程，使他有机会再一次认真考虑电与磁的相互转化问题。奥斯特猜想：如果电流能够产生磁效应的话，那么这种效应不可能在电流的方向上发生，因为许多人在这个方面所作努力的失败已经证明了这一点；这种作用很可能是横向的。在没有证实他的假想之前，他不愿在课堂上公开他的思想。他决定在上课前亲自做一次实验。第一个实验的安排，使用了一个小的伽伐尼电槽装置，让电流通过一根直径很小的铂丝，在这根铂丝下面放置一个封闭在玻璃中的磁罗盘，一切准备就绪,但一个意外故障使他想在课前试一下的想法未能如愿，于是他决定另找机会再做此项实验。晚上，当他在课堂上讲课时，他突然对完成上述实验显得如此信心十足，以致在大庭广众之下贸然启动了电源。奇迹出现了：他看到磁针受到了扰动。由于他使用的电流太弱，加之在电流的磁效应未被人们认识之前，磁针的扰动显得没有规则，因此这次实验并没有给听众留下深刻的印象。但深知这种扰动背后所包含的巨大意义的奥斯特却为此兴奋不已。在以后的三个月中，奥斯特深入地进行了实验研究。1820年2月21日他终于在欧洲当时各主要学刊上以极其简洁的文字叙述了他的实验过程和结果。在实验过程中，奥斯特将玻璃、木头、水、松脂、瓦片、石块等非磁性物体插在导线与罗盘之间，没有发现偏转的磁针与没有插入这些物体之前有什么不同。甚至当磁针浸在装有水的铜盆里的时候，磁针在电流的作用下仍然偏转。因此他得出结论：“电流冲击只作用在磁性粒子上，所有非磁性物体对于电流冲击是可入的。由于磁性物质或者磁性粒子阻止这种冲击通过，因而它们被电流冲击的冲力带动而发生偏转。”奥斯特又发现，磁针分别放在导体的上面和下面时，它的偏转方向正好相反。由此，他直觉地发现，他所定义的“电流冲击”含有两个性质：①它不仅存在于通电导体中，而且存在于通电导体的周围；②“电流冲击”沿着以导线为轴线的螺旋线传播，螺线的螺纹方向几乎与导线垂直。奥斯特的螺旋线，就是磁的横向效应的直观描述，后来在毕奥——萨伐尔定律和安培公式中，用积分的环路代替了螺线，最后又为法拉第在1831年发展为磁力线的概念。奥斯特的“电流冲击”虽然纯属思辩中的实体，它却有效地避免了使用牛顿等人的超距作用概念。奥斯特是电磁联系的第一个发现者，他使电磁学进入一个蓬勃发展的新时期。3.2.2安培的分子电流假说

1820年9月11日，刚从瑞士回国的阿拉果(F.Arago,1786－1853)向法国科学院汇报了奥斯特的最新发现,深受库仑电与磁之间没有必然联系思想影响的法国科学院的院士们大为震惊。之后，他们纷纷重复了奥斯特的实验，结果表明，既不是库仑的证明有错误，也并非奥斯特的发现不真实，而是他们自己产生了误解。库仑认为静电与静磁之间不可能产生相互作用，这是在历史条件限制下产生的带有局部真理性的假设,伏打电池问世后，物理学家们理应冲破这种局限去寻找电与磁相互作用的条件，即电流或运动中的带电体。奥斯特的发现使他们猛醒过来了。在科学上最善于吸取他人成功经验的安培作出了最迅速的反应。安培初步形成了这样一种思想，即磁的本质是电流(或运动的电荷)。诸如电流和磁体的相互作用、磁体和磁体的相互作用统统归结为电流之间的相互作用。因此，在他的电磁理论中，电流和电流之间的相互作用是最基本的，他把这种力称为“电动力”，把研究这种力的理论称为“电动力学”。安培是一个分子论者。在1821年1月，提出了著名的分子电流假说。这个假说的主要内容是：电流从分子的一端流出，通过分子周围的空间，从分子的另一端注入；磁体的电流呈对称分布状,并且所有的分子电流呈规则的排列。因此对外显示宏观磁性；非磁化分子的电流，由于它们在每个分子周围都是均匀对称地分布着，所以非磁体不具备磁性，倘若非磁化分子受到外磁场或电流的作用，它们的电流的对称分布状受到破坏，变得跟磁体的分子一样，这时的分子称为磁化分子。安培分子电流假说不仅能够用于磁现象的解释，而且也可以用于化学化合和化学亲合力的解释。但这却成了他的学说不能被立即和普遍接受的一个重要原因，因为接受这一学说就意味着接受关于物质结构的一个新的理论。安培在电磁联系方面所取得的成就是举世公认的，麦克斯韦曾把安培誉为：“电学中的牛顿”。并且认为，安培所建立的电磁理论，“它在形式上是完整的，在准确性方面是无懈可击的。”3.2.3法拉第和电磁感应现象

1821年的一个偶然机会，把法拉第引到电学研究领域，此后，他便再也没有放弃过对于物理学的研究。当他着手研究由电流产生磁力的奇特性质时，奥斯特关于环绕载流导线的电冲击是园形的描述，给他留下了深刻的印象。1821年9月，他把一个小磁针放在载流导线周围进行观察，发现小磁针有环绕导线作圆周运动的倾向。他立即想到，一个单独的磁极将会围绕电流作持续的旋转。他立即对电进行了检验，结果他的想法被证实了。这一次的成功大大鼓舞了法拉第在这一领域里继续进行深入探索的信心，并引导他想到奥斯特发现的逆效应是否存在的问题，在1822年的日记里写下了“由电生磁，由磁生电”的大胆设想，并着手于后一个转化的艰苦探索。电磁转化的研究工作，使法拉第直觉地意识到环绕着载流导线有一个圆形的作用“线”，他设想这是当电流通过导线时在导线内的分子和周围的媒质中引起的某种“紧张”状态，这种状态是从张力的源——载流导线向周围传播开去的。是否可以合理地猜想，如果这种张力能够加强和集中，它将能在邻近的导线内引起同样的紧张状态呢？在1821年到1831年间，法拉第曾经由于冶炼不锈钢、改良光学玻璃和研究气体的液化而常常中断这一探索，但还是不时回到这个课题上。起初，他试图用强磁铁靠近闭合导线或用强电流使邻近的闭合导线中产生出稳定的电流，但都一次次地失败了。他探寻使磁体产生最大张力的最好形状是什么，最后得出结论说，可能是很厚的环。1831年，他又从美国物理学家约瑟夫·亨利(J·Henry,1799－1878)用强电磁铁所作的实验中受到启发，于是就在一个8/7英寸厚、外径为6英寸的软铁环上绕上两个彼此绝缘的线圈Ａ和Ｂ，Ｂ的两端用导线连接成闭合回路，在导线的下面放置一个与导线平行的小磁针；Ａ和一个电池组相连接在一个开关上。法拉第原来设想，通以强电流的线圈Ａ将成为一个电磁铁，产生强大的张力，这张力将通过铁环中的粒子传递到另一侧，作用于线圈Ｂ使其中产生出电流来。所以他的原初目的还是想由一根通电导线的磁场作用在另一根导线中产生出电流。1831年8月29日法拉第在进行这一实验时偶然发现，当开关合上有电流通过线圈Ａ的瞬间，小磁针发生了偏转。随后又停到原来的位置上；当开关断开切断电流时，磁针又发生了偏转。这表明，一个电流通过铁环介质而感应出了另一个电流。这个实验通常被称为电磁感应的发现，但事实上并非完全如此。因为法拉第虽然想到了这就是他寻找了将近十年的由磁产生电流的现象，但还没有明确地领悟到这一现象的暂态性的本质特点。在这个发现之后，法拉第立即想到，是否还有其他方法能够获得同样的效应，特别是铁环和线圈Ａ是不是产生这一效应的必要条件。10月17日他在一个圆纸筒上绕了多层线圈，将一个圆柱形的磁棒插入线圈的一端，然后把磁棒迅速地放进螺线管中，这时线圈所连的电流计的指针动了；抽出磁棒时，指针又动了，但偏转的方向相反。多次重复上述过程，得到的结果都是一样的。至此，法拉第不仅实现了由永久磁体产生电流的设想，而且完全弄明白了这种转化的暂态性，这是他能够宣布已经证明了奥斯特发现的逆效应的确切日期；1831年11月24日，法拉第在向皇家学会提交的一个报告中，把这种现象定名为“电磁感应”，并概括他观察到的可以产生感应电流的五种类型：变化着的电流；变化的磁场；运动的稳恒电流；运动的磁铁；在磁场中运动的导体。法拉第之所以能够取得这一卓越成就，是同他关于各种自然力的统一和转化的思想密切相关的。这一点与奥斯特颇有相似之处。正是这种对于自然界各种现象普遍联系的坚强信念，支持着他始终不渝地为从实验上证实磁向电的转化而探索不已。相信并力图揭示自然力的“统一性”这一指导思想是贯穿他整个研究工作的一条主线。也是在同一思想的指导下，1832年法拉第考察了由不同来源产生的各种形式的电的同一性。法拉第比较了当时所知的伏打电池的电、摩擦电、电磁感应电和某些动物电的各种物理效应和化学效应后认为：这些不同来源的电,本质上是完全相同的，只是程度上有所差别而已。应该指出，关于电磁感应的探索，在当时是具有国际性的。除了安培和法拉第等人之外，日内瓦年轻的科拉顿(J·D·Collcdon,1802－1892)在1823年曾试图用一块磁铁在螺线管中移动使线圈中产生出感应电流。为了排除磁铁移动对灵敏电流计的影响，他用很长的导线把连接于螺线管的电流计放在另一个房间内，他在两个房间里来回跑动进行实验和观察，结果是什么也没有观察到。美国物理学家亨利在这一时期同样提出了磁能不能生电的问题。1829年他在实验电磁铁的提举力并用这种装置进行电报机的早期实验时，意外地观察到了通电线圈在断开电源时所产生的强烈的电火花。1830年8月，他继续对这一现象进行了研究。他将一个线圈连接到电流计上，把线圈放在电磁铁的两端之间，发现在电磁铁接通和断开电流时，电流计的指针都会突然发生偏转。由于繁重的教学工作，他的实验时断时续。直到1832年6月他大致获知法拉第的工作之后，才重新进行了这个实验，并于1832年7月匆忙地发表了一篇论文，叙述了他在听到法拉第的研究工作之前和以后所作的实验。关于感应电流的方向，法拉第只是有过一些零碎的叙述，德国物理学家楞茨(H·F·E·leng,1804－1865)在获悉法拉第的发现之后，很快考察了电磁感应现象的全过程。1832年11月，他得出了感应电动势与绕组导线的材料和直径无关，也与线圈的直径无关的结论。1833年11月，他又得出了著名的“楞次定律”，明确提出了确定感应电流方向的基本法则。按照该定律，感生电流所产生的磁场的作用，总是补偿施感磁场的变化，即阻碍施感磁场的变化。楞次定律本质上正是电磁感应现象符合能量转换与守恒定律的具体表现。英国物理学家麦克斯韦(J·C·Maxwell,1831－1879)将奥斯特、安培、法拉第等人所揭示的电磁关系进行理论上的概括和总结，1862年，麦克斯韦在传导电流的基础上引入位移电流的概念，提出了比法拉第“电生磁，磁生电”的思想更为精当的“交变电场产生交变磁场，交变磁场产生交变电场”的观点。1865年在其“电磁场的动力学理论”的论文中，不但形成了统一磁和电现象的电磁场理论，而且指出了光也是电磁波，并从理论上导出了电磁波的传播速度即为光速。其后，经过麦克斯韦本人和其他物理学家们的共同努力，使电磁场理论更趋完善。至此，人类终于走完了将磁电和光现象统一起来的艰难历程。电磁场理论的建立和完善，不仅使电磁现象实现了统一，而且为将自然界各种力(相互作用)统一起来的设想带来了希望和信心。目前，电磁力和弱力的统一已取得成功；将电磁作用、弱作用和强作用统一起来的“大统一”理论亦正在积极探索之中；人们已有将已知的四种相互作用统一起来的“超统一理论”的设想。历史的进程表明，用统一的观点认识微观、宏观和宇观世界，是物理学，也是各种自然科学中最富挑战意义的课题之一。

3.3电磁场理论的建立库仑定律与万有引力定律的惊人相似，促使人们将引力领域的超距作用思想移接到电磁领域中。由此开始，超距作用的思想和方法便在电磁领域中迅速扩展，并取得了一系列丰硕成果。其中又以法国的安培所取得的成就最为世人瞩目。安培实际上是想仿照力学的理论结构来建立电磁理论的。因此，他认为最核心的概念应该是与质点相对应的作为实体的电流元以及它们之间能超距作用的有心力。他把自己的理论取名为“电动力学”。安培的电动力学，作为将当时所知道的一切电磁现象用超距有心力的作用来说明的理论，的确十分出色。但是，运用建立在超距有心力基础上的安培理论来解释1831年法拉第发现的电磁感应现象时，却显得力不从心。正当精通数学的大陆派物理学家们遵循超距作用思想满怀信心地向电磁学理论高峰迈进的时候，海峡对岸的一位只有初等数学知识但富有哲学头脑的物理学家却悄无声息地开辟了电磁学研究的新方向。他就是法拉第。3.3.1法拉第关于场的思想

法拉第是伟大的英国 物理学家，生于1791年9月 22日,他父亲是一个铁匠。由于家境贫寒，他十二岁就去伦敦谋生，当了一年报童，后又到一家书店当装订工。由于一个偶然的机会，法拉第成了英国大化学家戴维的助手，并在化学领域取得了一系列成果，1820年以后，法拉第从化学领域转到物理学方面。提出场的观点是法拉第对于物理学发展作出的最伟大贡献之一。从法拉第开始到现在，对场的本质认识基本上有三种看法：一种是力场，如磁力场，电力场和重力场等；另一种是实体场，如认为场是物质的一种表现形式；再一种就是实在场，即场为实在或万物之本源，如认为物质是场的凝聚或密度大的地方。法拉第对场的认识过程经历了前两个阶段。法拉第关于力场的概念是在他用在空间中传递和分布的磁力线观点解释电磁感应现象的过程中形成的。法拉第通过一系列实验后认识到，电力和磁力可以脱离发射它的物体而独立地存在于空间，并有传递的时间和过程。法拉第于1832年3月12日交给英国皇家学会存档的密封信清楚地表明了这一点(该信于1938年才启封公开)：“前不久在皇家学会上宣读了题为《对电作的实验工作》的两篇论文，文中所介绍的一些研究成果，以及由于其他观点与实验而产生的一些问题，使我得出结论：磁作用的传播需要时间，即当一个磁铁作用于另一个远处的磁铁或者一块铁时，产生作用的原因(我以为可以称之为磁)是逐渐地从磁体传播开去的；这种传播需要一定时间，而这个时间显然是非常短的。我还认为，电感应也是这样传播的。我认为磁力从磁极出发的传播类似于水面上波纹的振动或者空气粒子的声振动。……”这样，法拉第便建立起一种不同于超距作用理论的电磁近距作用定性理论。由于企图用力学的图象来解释电磁现象，使得法拉第的“场”观念中包含了许多机械唯物论的观点。但是,他所提出的崭新的场的概念为电磁场理论的建立奠定了坚实的基础却是不可否认的。法拉第关于力线场的概念对于电磁学的发展以及整个物理学的发展都是很有影响的。几十年后，J.J.汤姆逊评论说：“在法拉第的许多伟大的贡献之中，最伟大的一个就是力线概念了，我想电场和磁场的许多性质借助它就可以最简明而富有启发性地表示出来。”爱因斯坦也曾给予法拉第的工作以高度评价，认为法拉第在电学中的地位，相当于伽利略在力学中的地位。爱因斯坦尤其称赞了法拉第所建立的“场”的新概念：“这样就奠定了同牛顿的物理学原则上不同的物理学的基础，同时在逻辑的一贯性上明显地超过牛顿的物理学。因此相对论不过是场论的下一个发展阶段。”著名科学史家丹麦尔(Darpiel)也指出：“法拉第奠定了实用电学的三大部门，即电化学、电磁感应与电磁波的基础。而且他坚持主张电磁场具有极大的重要性，这也是现代物理学理论有关电的方面的历史起点。”

3.3.2麦克斯韦的电磁场理论

麦克斯韦(J·C·Maxwell, 1831－1879)的电磁场理论 是十九世纪物理学中最伟大的成就，是继牛顿力学之后物理学史上的又一具有划时代意义的事件。麦克斯韦是从非超距作用的角度出发探讨电磁理论的。麦克斯韦建立电磁场理论的工作主要是通过下面四个步骤实现的：(1)1855－1856年，发表《论法拉第力线》。它是麦克斯韦研究电磁场理论的第一篇重要论文，也是麦克斯韦试图用数学工具表达法拉第学说的开端，同时也是把法拉第的概念和汤姆逊的数学类比相联系的初步尝试。经过麦克斯韦的努力，电磁感应现象变得十分简单明确：通过曲面的磁力线数的变化，决定了周界上的电动力，从而引起感应电动势。(2)1861－1862年，发表《论物理力线》的论文。在这篇论文中，麦克斯韦精心设计了电磁作用的力学模型。麦克斯韦原本打算根据近距作用观点设计一种充满空间的媒质，用以说明法拉第所设想的磁力线的应力性质，他在文中写道：“我的目的是研究媒质中的张力和运动的某些状态的力学效果，并将它们与所观察到的磁和电的现象作比较，来澄清考察(磁力线)方面的方法”。后来，麦克斯韦将他的力学模型扩展到说明电现象，在这个过程中浮现出电位移的变化可看作电流的一部分以及光是媒质中起源于电磁作用的横波等新的认识,揭示了隐藏在现象深处的本质,建立了全部电科学主要现象之间的联系。他所建立的力学模型体现了麦克斯韦丰富的想象力和坚定不移贯彻始终的近距作用观念，寻找各种现象之间的内在联系,提供统一的解释。不仅如此，更重要的还在于通过表面的关联，挖掘出更深层次的内在本质，形成新的概念和认识。在该文的最后部分“应用于静电的分子涡旋理论”中，麦克斯韦将他的涡旋假设用于静电现象，指出：“我们应该建立全部电科学主要现象之间的联系。”他假设分子涡旋具有弹性，当分子涡旋之间的粒子层受到电力而位移时，给以涡旋切面力，使之变形，而形变的涡旋则报以来自涡旋弹性的大小相等、方向相反的反作用力。当激发粒子的力撤消时，涡旋回复原来的形状，粒子也回到原来位置。这样带电体之间的力可归结为由于弹性形变在媒质中贮存的势能，而磁力则归结为贮存的转动能。由此可以得出两个惊人的结论：①导体周围的电粒子现在可以作弹性位移，变化的电流不再象管中的流水那样限制起来，它能够以一定的分量进入导线周围的空间。这就是麦克斯韦对“位移电流”的最初认识。并得出：②在任何具有密度ρ和切变模量ｍ的弹性媒质中，可以传播速度为的横波，据此，麦克斯韦得出了“光是媒质中起源于电磁现象的横波”的结论。(3)1865年，发表《电磁场的动力学理论》的论文。作为一个伟大的理论物理学家，当他建立了电磁现象的完整的力学模型，把握住了隐藏在纷繁复杂的电磁现象背后浮现出来的某些本质特征之后，便放弃了牵强的磁涡旋和惰轮性电粒子的构想，在实验事实和普遍的动力学原理的基础上提出了一个全新的理论框架——电磁场的动力学理论。麦克斯韦首先评论了韦伯等人的超距作用电磁理论的成就及其在机制上的根本困难，指出不能把超距作用理论作为最终的理论，他“宁愿寻求对事实的另一种解释”，即假设电磁作用是“经由周围介质引起的”。麦克斯韦明确指出：“我所提议的理论可以称为电磁场的理论，因为它假设在该空间存在着运动着的物质，导致可观察的电磁现象”。进而，麦克斯韦从各个角度阐明了电磁场的含义，他指出：“电磁场是包含着围绕和处于电磁状态的物体的那一部分空间”，它是“一种弥漫的介质，密度很小”，它的各部分的运动是“相互联系”的，这种联系“要占用空间”，“并非同时的”，它“能够接收和存储两种能量”，即与它的“运动”有关的能量以及势能，该文还讨论了电磁感应问题，得出了描述电紧张状态的具有动量意义的矢量势，接着建立了电磁场的普遍方程组，它可以简明地表示为以下8个方程：a.总电流方程：b.磁力方程：c.电流方程：d.电动力方程：f.电阻方程：g.自由电荷方程：h.连续性方程：e.电弹性方程：上述八个方程中，前6个为矢量方程，所以总共是20个方程。只要已知问题的初始、边界等条件，对于出现在方程中的变量、、、、、和e、(共20个)，方程有确定的解。也就是说，方程组是完备的。在该文的后面几部分，麦克斯韦广泛地讨论了各种电磁现象，如场对运动载流导体，磁体以及带电体的机械作用力，静电效应的测量，电容和电吸收，电磁波的性质和电磁振动在晶体媒质中的传播，以及电磁感应系数的计算等等。在场对运动的载流导体、磁体以及带电体的机械作用部分，麦克斯韦从感应公式导出了作用于载流导体上机械力的安培力公式，作用于磁体的机械力的磁库仑定律和作用于带电体的机械力的电库仑定律。在光的电磁理论部分，麦克斯韦从上述电磁场的普遍方程组证明了电磁场扰动以波的形式传播，在真空中电磁波的传播速度等于光速Ｃ，并且证明了电磁波只可能是横波。所有这些，充分显示了麦克斯韦电磁场理论的极大成功。(4)1873年，麦克斯韦出版了电磁场理论的经典著作《论电和磁》。在这部巨著中，麦克斯韦更为彻底地应用动力学原理发展了他的动力学理论体系，使得他的电磁场理论更加完善，基础更为坚实，并从数学上证明了方程组的解的唯一性，从而表明他的理论是能够正确地反映电磁场的客观运动规律的系统理论。19世纪中叶，绝大多数自然科学家受机械论的自然观所束缚，将一切自然过程都归结为力学过程，企图用力学的基本原理解释自然界的一切现象。例如安培、韦伯、诺埃曼等人都无一例外地按照牛顿经典力学的原理和模型来考虑电磁运动。即令是另辟蹊径的法拉第，也只是唯象地描述了电磁现象，而并无超出力学原理的新的出发点。但是，在麦克斯韦的研究中，却已出现了偏离经典力学的变异思想与方法，也即是介于传统力学思想方法与场论思想方法之间的过渡思想方法。这突出地表现在麦克斯韦已将理论问题的部分出发点从力学转变为电磁学本身。这不仅是电磁学理论发展史上的一个关键转折点，而且也是整个物理学史乃至人类科学思想史上的一个重要转折点。虽然场论思想的真正独立要到洛仑兹理论中才得以实现，但定量的独立场论思想却由麦克斯韦迈出了第一步。3.3.3麦克斯韦的科学思想方法

麦克斯韦用类比研究的方法，为法拉第力线做了精确的数学描述，并以电磁学实验和动力学原理为依据，在前人成果的基础上通过自己的艰苦努力，最终建立起电磁场方程组。麦克斯韦电磁场理论的建立，为我们提供了丰富的方法论的教益和启迪。1.用类比方法揭示物理现象的内在联系

类比通常指对两类对象在性质或关系方面的相似性进行研究，并在此基础上做出推断，由一类对象已知的属性和关系，而达到对另一类对象的某种未知属性和关系的推测。所以它是一种从特殊到特殊的思维方式。在科学研究中起着触类旁通、启迪思维、为新的科学探索开辟道路的重要作用。麦克斯韦指出：“物理类比的意思是利用一种科学定律和另一种科学定律之间的部分类似性，用它们中的一个去说明另一个。”“类比是建立在两类定律在数学形式上相似的基础上。”类比可以沟通不同领域的研究方法，可以在解析的抽象形式和假设之间提供媒介，还可以启发新的物理思想，帮助人们去认识和发现一些尚待研究的物理过程的规律。麦克斯韦通过把电场和流速场类比，在对法拉第力线作出了精密的数学处理的基础上，他依据电磁学的一些基本原理(如欧姆定律、安培环路定理等)，确立了各电磁电量之间的相互联系，采用通量、环流、散度、旋度等具有明确定义的量，来描述电场和磁场在空间中的变化情况，并建立起电磁场的基本方程。2.用精确的数学语言建立电磁场理论

简明精确的数学语言是表述科学概念、科学理论的重要形式，是科学发展的要求，也是科学成熟的标志之一。正如马克思所说：“一门科学只有成功运用数学时，才算达到了完善的地步。”随着科学技术的进步，现代科学的发展已日趋定量化，只有定量化的数学描述才能经得起在量上的实验检验，也才能从量的细微差别上寻找理论的不足之处和改进办法。麦克斯韦凭借他深厚的数学基础和娴熟的数学技巧，将他的思想、模型和图象最终表述为电磁场的基本方程组。麦克斯韦在《论法拉第力线》中，用数学语言表述了法拉第的电紧张态和力线概念，引进了感生电场概念，推导出了感生电场与变化磁场的关系。他在《论物理力线》中，借助于分子涡旋模型，推导出涡旋物质中波以光速传播的公式，揭示了电磁现象与光现象的联系，做出了光是电磁波的预言。他在《电磁场的动力学理论》中，确立了场的概念，引进了位移电流概念，按照电磁学的基本原理(高斯定理、电荷守恒定律)推导出全电流定理，最后建立起电磁场的基本方程。用精确而定量的数学语言描述物理观念在麦克斯韦的工作中得到了充分体现。他用数学公理化的方法对前人的成果加以综合整理，使理论系统化、形式化、规范化，他的电磁场方程组就是科学理论公理化的典范。在《物理学的进化》一书中，爱因斯坦和英费尔德评论说：“这些方程的提出是牛顿时代以来物理学上一个最重要的事件，这不仅是因为它的内容丰富，并且还因为它构成了一种新型定律的典范。”值得指出的是，麦克斯韦作为数学物理学的大师，是非常重视数学理论与物理实验相结合的。他说：“把数学分析和实验研究联合使用所得到的物理科学知识，比之一个单纯的实验人员或者单纯的数学家能具有的知识更加紧实、有益而牢固。”1874年他创建了世界上闻名的“卡文迪什实验室”并亲自担任了首届主任，树立起良好学风。他在就职演说中说：“习惯的用具——钢笔、墨水和纸张——将是不够的了,我们将需要比教室更大的空间,将需要比黑板更大的面积。”这是对当时在保守的英国大学里还占统治地位的所谓“粉笔”物理学的严厉驳斥。他把实验室看成“科学评论的学校”,倡导用集体的力量来完成科学研究工作。这正是未来自然科学研究方法的基本形式和萌芽。麦克斯韦与法拉第是近代电磁学史上的两颗巨星，他们都在电磁学领域取得了极大的成功。虽然他们两人的科学方法与科学风格迥然不同，然而麦克斯韦并不因此贬低法拉第的风格。他曾说：“因为人们的心灵各有不同的类型，科学的真理也应当以种种不同的形式来表现。不管他以粗豪的物理方式说明其生动的颜色也好，还是以一种朴素无味的符号表现也好，都应当被当作是同样科学的。”麦克斯韦终身都保持着谦逊谨慎的高尚品格。他曾认为，他自己与法拉第相比，只不过是一只笔，写出了法拉第那些杰出的科学思想。爱因斯坦曾把他们两人称作科学上的伴侣，就像当年天文学上的第谷和开普勒一样。爱因斯坦还深刻地阐述了麦克斯韦对物理实在观念发展的影响。他说：“相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界，是一切自然科学的基础。”但是人们关于物理实在的观念决不是不变的。事实上，它在历史进程中已经经历了影响深远的变化。爱因斯坦指出：在牛顿的观点中，质点是我们表示实在的唯一形式，是实在的唯一代表。这种观点本质上是原子论的和机械论的。一切事件都要用机械的方式来解释——也就是说，完全要被解释为按照牛顿运动定律的质点运动。然而，在法拉第和麦克斯韦的观点中，物理实在是由连续的场来表示的，不能对它作机械论的解释。实在概念这一变革，是物理学自牛顿以来的一次最深刻和最富有成效的变革。爱因斯坦还评述道：“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的公理基础——换句话说，就是我们关于实在的结构的概念——的最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作而引起的。”量子论的创立者普朗克也指出：“麦克斯韦的名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉上，永放光芒。从出生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界。”3.3.4赫兹对麦克斯韦理论的验证与发展

麦克斯韦的理论发表后，并没有被人们所普遍接受，在许多人的眼中，麦克斯韦理论在数学上太复杂、太难懂。对于那些试图理解它的人来说，又觉得麦克斯韦引入的一系列新概念有些混乱。正是在这样的情况下，从1870年起亥姆霍兹着手试探各种电磁学理论是否存在可以统一的基础，作为能量转化与守恒定律的发现者，他很快发现韦伯电动力学与能量守恒定律相违，首先否定了它。接着，他又认识到，如果麦克斯韦电磁场理论正确的话，那么诺埃曼的电动力学就可以作为麦克斯韦理论的一种特殊情况。例如，可以把闭合电路当作有电容器电路的一个特例。但是，这首先必须证明麦克斯韦假设的位移电流的存在。据此，亥姆霍兹在1879年以“用实验建立电磁力和绝缘体介质的极化的关系”为题，设置了柏林科学院奖，这个命题由三条假设组成：①如果位移电流存在，必定会产生磁效应；②变化的磁力应该能使绝缘体介质产生位移电流；③在真空中上述两条假设同样成立。亥姆霍兹后来考虑到第三条假设的证明太难，就把它删掉了。这个命题成为当时还是亥姆霍兹的学生的赫兹(H·Herty,1857－1894)验证麦克斯韦电磁场理论的出发点。赫兹的实验证实包括三个方面：1．证实麦克斯韦假设的位移电流

1885年，赫兹受聘担任卡尔斯 鲁高等工业学校的实验物理学 教授。他发现该校实验室里有一 种名为里斯（Riess）螺管的振荡线圈,这种线圈有初级和次级,若给初级线圈输入一脉动电流,在次级线圈的端隙里便会产生电火花.赫兹意识到这是电流振荡感应的结果。他又发现，如果调整初级与次级线圈的相对位置，火花会有明显变化，甚至次级线圈在某些位置上根本不产生电火花。他由此联想到，如果在振荡线圈附近放一块介质，交变电磁力将使介质极化而产生位移电流，位移电流产生出新的电磁作用，迭加在原来的电磁场上,这样就会使火花隙重新冒出火花。

1887年，赫兹按照上述思路设计了一台“感应秤”。赫兹先后将制成厚板的沥青、纸、干木、砂石以及用橡皮槽盛好的45公斤汽油移近“感应秤”，预料中的情况果然发生了——这就间接证实了位移电流的存在。赫兹将他的这一成果总结在他的《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》一文中。2．证实电磁波的传播速度等于光速

证明了位移电流的存在并不足以说明电磁波的存在，因为它同样可以解释为超距电磁力作用的结果。在赫兹之前，法拉第和亥姆霍兹也曾试图测量磁力传递速度或电磁波速，但都由于对电磁波的巨大传播速度估计不足，使用的方法过于直接而归于失败。1888年3月，赫兹在进行电磁波速的测量时，吸收了前人失败的教训，不去直接测量波速，而是用驻波方法先测出驻波波节长，又根据麦克斯韦电磁波速等于光速的结论，算出该电磁波的振荡周期，然后他又用汤姆逊在1853年确立的振荡器振荡周期公式，计算出他所使用的偶极振荡器的振荡周期。结果发现，在考虑了测量误差以后，两者相等，从而肯定了电磁波速等于光速。3．证明电磁波与光波具有同一性

赫兹在1888年完成了电磁波速等于光速的证明后，继续寻求电磁波与光波同一性的实验证明。他用一根直径为3cm，长为26cm的偶极振荡器发射电磁波，该波经镜面反射后，形成波长为66cm的短波驻波，他又用金属面使电磁波作45°的反射,用高为2ｍ，孔径为1.2m的金属抛物面使电磁波聚焦，用金属栅使电磁波偏振,用一个硬沥青大棱镜使电磁波折射等。结果，光波所具有的一切物理性质在电磁波上都显示了出来。这就充分证实了麦克斯韦关于光是一种电磁波的预言，从实验上给予麦克斯韦理论以强有力的支持。赫兹实验同时也为人类利用电磁波奠定了基础。在赫兹宣布他的发现后不到6年，意大利工程师马可尼(G·Marcom,1874－1937年)和俄国的波波夫(A·S·Popov,1859－1906年)分别实现了无线电远距离传播，并很快投入实际应用。其他无线电技术也如雨后春笋般涌现出来，无线电报(1894年)、无线电广播(1906年)、导航(1911年)、无线电话(1916年)、短波通讯(1921年)、传真(1923年)等以及现在的无线电摇控、遥测、卫星通讯等各种技术的发明，可以说都是赫兹实验的产物。赫兹在电磁学理论方面的研究同样成就显著。麦克斯韦理论中包含20个方程，、、、、 在方程中看起来似乎处于同等的地位。赫兹认为真空以太中的麦克斯韦电磁场方程可以概括为如下四个基本方程：其中只有和在方程式中是基本的物理量，而且不管是在以太中还是在物质中，和都处于同等地位。这实际上表明，和是标志电磁场的基本物理量，不管是在物质中还是在以太中情况都一样。赫兹还提高了麦克斯韦方程的独立性。麦克斯韦电磁场理论是通过假设性的以太准力学模型而导出的，在赫兹看来，由于人们对以太的结构毫无所知，因此电磁场理论与其从以太的力学模型出发，还不如直接从麦克斯韦方程式出发，“所谓麦克斯韦理论就是麦克斯韦的一组方程式”，赫兹对麦克斯韦理论的这一理解，是电磁场理论观念方面的一次跃进，是从电磁场的以太媒质属性解释到电磁场的独立实体解释的一个中间环节。赫兹虽然还没能从物质实在性的角度理解电磁场的独立性，但是却已从数学方程式与基本物理量的角度，也即从观念上，间接猜测到了电磁场的独立性，从而向现代场论思想迈出了一大步。3.3.5洛仑兹对电磁场理论的贡献

赫兹的实验虽然证实了麦克斯韦理论本身的正确性，但是它却并没有结束场论思想的发展历程，麦克斯韦电磁场理论的内在矛盾与物理实质尚待洛仑兹(H·A·Lorentz,1853－1928)进一步甄别和明确。在洛仑兹进入电磁学领域的时候,电磁学领域中已存在明显对立的两种研究传统：从法拉第、麦克斯韦到赫兹的近距作用思想和以安培、韦伯、诺埃曼等人为代表的超距作用思想。近距作用理论认为，电磁现象的基础是连续的电磁场，而电磁场则是在电磁媒质(以太与物质)中以光速传播的横向波动，两个电荷系统Ａ和Ｂ之间的相互作用是这样进行的：系统Ａ的电磁扰动，首先直接引起的是其周围相邻处电磁场的扰动；然后，这一电磁扰动将以光速Ｃ从系统Ａ相邻处传播到系统Ｂ处；最后引起电荷系统Ｂ的扰动。在上述过程的第一和第三步中，伴随有系统的能量、动量和角动量与电磁场的这些相应量之间的转换，而在第二步中，则存在着电磁场的能量、动量和角动量从一个区域到另一个区域的传递，这一步的完成是与电磁能量流、动量流及角动量流的存在分不开的。近距作用理论的基本特征是：它只考虑场或作为动力学实体的空间，而把“源”放在较为次要的地位。因而有人把近距作用理论称为“无源场论”。而超距作用理论认为，电磁现象的基础是带电微粒及其运动，而带电粒子之间存在一种瞬时的有心作用力，这种作用既不需要时间，也不需要媒介。超距作用理论的基本特征是：只强调“源”(电荷、磁极和电流)，而忽视空间任何电磁作用都属于由这些“源”发射出的沿直线传播的瞬间力的作用。洛仑兹早年赞同超距作用理论，直到赫兹用实验证实麦克斯韦近距作用理论后，洛仑兹才逐渐转向了近距作用的观点。但是，洛仑兹并没有因此而从一种传统跳到另一种传统，而是巧妙地将超距作用思想和近距作用思想融合起来。具体地说，洛仑兹在否定超距作用的同时保留了超距作用理论中的带电微粒和微粒电流思想，又吸取了近距作用理论中的电磁媒质和电磁场思想，并在此基础上创造了标志经典物理高峰的电子论。1891年，洛仑兹在《电子以太》的演讲中，明确表明接受麦克斯韦的近距作用理论。1892年，洛化兹发表《麦克斯韦理论及其在运动物体上的应用》一文，极大地发展了麦克斯韦的电磁场理论，他将电磁波视为以太中的横波，并认为以太和物质粒子之间在力学上完全独立而有电磁相互作用。也就是说，带电的物质粒子可以影响以太的电磁状态，而以太的电磁状态又使带电的物质粒子受力。同时，洛仑兹还将电磁扰动以有限速度传播的概念引入到带电粒子之间的相互作用中。在当时，电磁扰动被认为是通过以太传播的，洛仑兹对以太的性质提出了自己的假定。在他看来，宏观介质既然可以归结为悬浮在真空中的带电粒子，介质中的以太应该在密度和弹性方面都与真空中的一样，无任何特别之处。当介质运动时，也不应该带动其中的以太运动。这样,微观的电动力学方程变得简单明确,而宏观介质的电动力学方程可以从这些简单的微观方程推导出来。这说明,洛仑兹的电磁场概念与麦克斯韦和赫兹的电磁场概念有很大的差别：首先，麦克斯韦的电磁场缺乏高度的统一性，它的载体既可以是真空中的以太媒质，又可以是实在的物体媒质。而洛仑兹的电磁场则具有内在一致性，无论是在真空中还是在物体中，它都是以太的一种状态；其次，麦克斯韦的电磁场只是物体媒质或以太媒质的一种属性，这些物体媒质或以太媒质除了作为电磁场的载体外，还同时可以充当其它力学现象的载体。而洛仑兹的电磁场却是以太的唯一属性，以太只能作为电磁场的载体,而不能充当其它任何力学现象的载体。因此，在事实上，洛仑兹的电磁场概念已与麦克斯韦的电磁场概念有质的区别，麦克斯韦的电磁场只是物质或以太的一种属性，而洛仑兹的电磁场虽然仍要以太作为载体，但实际上已是以太本身的代