論物理力線

《論物理力線》（英語：On Physical Lines of Force）是詹姆斯·麥克斯韋於1861年發表的一篇論文。在這篇論文裏，他闡述了可以比擬各種電磁現象的“分子渦流理論”，和電勢移的概念，又論定光波為電磁波。麥克斯韋又將各種描述電磁現象的定律整合為麥克斯韋方程組。 ^[1] 

引力、電場力和磁場力都遵守平方反比定律。給予一個引力源於空間的某位置，在空間的任何其它位置，放入一個具有質量的檢驗粒子，則此檢驗粒子所感受到的引力的大小必定與距離的平方成反比。從檢驗粒子在各個位置所感受到的引力，可以繪出很多條不同的力線，又稱為場線。在這引力線的每一點，引力的方向必定正切於引力線。電場力和磁場力也會產生類似的現像。假設將一堆鐵粉鋪灑在一塊磁鐵的四周，這些鐵粉會依著磁場力的方向排列，形成一條條的曲線，在曲線的每一點表現出磁場的存在和磁力線的方向。這明確地顯示出磁力線是一種真實現像。假若鐵粉感受到的是直接由磁鐵施加的作用力，則這是一種超距作用（action at a distance）。

麥克斯韋覺得，雖然超距作用能夠滿意地計算出很多電磁現象，但是，超距作用不能解釋整個圖案。麥克斯韋主張用場論解釋：早在鋪灑鐵粉之前，磁鐵就已經在四周產生磁場；不論鋪灑鐵粉了沒有，磁場都存在；磁鐵並不是直接施加力量於鐵粉，而是經過磁場施加力量於鐵粉；也就是説，鐵粉感受到的是磁場的作用力。在遙遠的那一端的鐵粉怎麼知道這一端有一塊磁鐵？超距作用是否違反了定域性能量守恆定律？這兩個電荷之間到底是真空，還是存在着像乙太一類的某種傳遞電磁信息的媒介？麥克斯韋希望能夠給予這諸多問題合理的解答。 ^[1] 

由於法拉第效應顯示出，在通過介質時，偏振光波會因為外磁場的作用，轉變偏振的方向，因此，麥克斯韋認為磁場是一種旋轉現象。在他設計的“分子渦流模型”裏，他將力線延伸為“渦流管”。許多單獨的“渦胞”（渦旋分子）組成了一條條的渦流管。在這渦胞內部，不可壓縮流體繞着旋轉軸以均勻角速度旋轉。由於離心力作用，在渦胞內部的任意微小元素會感受到不同的壓強。知道這壓強的分佈，就可以計算出微小元素感受到的作用力。透過分子渦流模型，麥克斯韋詳細地分析與比擬這作用力內每一個項目的物理性質，合理地解釋各種磁場現象和其伴隨的作用力。

麥克斯韋對於分子渦流模型提出幾點質疑。假設鄰近兩條磁力線的渦胞的旋轉方向相同。假若這些渦胞之間會發生摩擦，則渦胞的旋轉會越來越慢，終究會停止旋轉；假若這些渦胞之間是平滑的，則渦胞會失去傳播信息的能力。為了要避免這些棘手的問題，麥克斯韋想出一個絕妙的點子：他假設在兩個相鄰渦胞之間，有一排微小圓珠，將這兩個渦胞隔離分開。這些圓珠只能滾動（rolling），不能滑動。圓珠旋轉的方向相反於這兩個渦胞的旋轉方向，這樣，就不會引起摩擦。圓珠的平移速度是兩個渦胞的周邊速度的平均值。這是一種運動關係，不是動力關係。麥克斯韋將這些圓珠的運動比擬為電流。從這模型，經過一番複雜的運算，麥克斯韋能夠推導出安培定律、法拉第感應定律等等。

麥克斯韋又給予這些渦胞一種彈性性質。假設施加某種外力於圓珠，則這些圓珠會轉而施加切力於渦胞，使得渦胞變形。這代表了一種靜電狀態。假設外力與時間有關，則渦胞的變形也會與時間有關，因而形成了電流。這樣，麥克斯韋可以比擬出電勢移和位移電流。不但是在介質內，甚至在真空（麥克斯韋認為完美真空不存在，乙太瀰漫於整個宇宙。與普通物質不同，麥克斯韋假想的乙太具有能量與動量，因此可以説具有質量，但是牛頓萬有引力定律不適用於它，因為它沒有重量。），只要有磁力線，就有渦胞，位移電流就可以存在。因此，麥克斯韋將安培定律加以延伸，增加了一個有關於位移電流的項目，稱為“麥克斯韋修正項目”。聰明睿智的麥克斯韋很快地聯想到，既然彈性物質會以波動形式傳播能量於空間，那麼，這彈性模型所比擬的電磁場應該也會以波動形式傳播能量於空間。不但如此，電磁波還會產生反射，折射等等波動行為。麥克斯韋計算出電磁波的傳播速度，發覺這數值非常接近於，先前從天文學得到的，光波傳播於行星際空間的速度。因此，麥克斯韋斷定光波就是一種電磁波。 ^[1] 

在那時候，已經存在有很多試着解釋電磁現象的物理模型，例如，流體模型，波動模型，熱傳導模型等等。麥克斯韋特別提到了物理大師威廉·湯姆孫的“彈性固體模型”。在這模型裏，感受到磁場力的作用，固體的每一顆粒子都會產生角位移（Angular displacement），其轉動軸與磁場力同方向，其大小與磁場力的大小成正比；感受到電場力的作用，固體的每一顆粒子都會產生絕對位移，其方向與電場力相同，其大小與電場力的大小成正比；感受到電流的作用，電流經過的每一顆粒子都會產生相對於鄰居粒子的相對位移，其方向與電流相同，其大小與電流的大小成正比。由於具有彈性，這個模型可以比擬電場和磁場的傳播，又由於固體粒子會因為磁場的作用而產生角位移，這個模型也可以解釋法拉第效應。但是，湯姆孫並沒有對電場力和磁場力的產生給予解釋。 ^[1]