電磁場理論與實踐中的唯物辯證法思想

摘? 要：從馬克思主義技術哲學的角度研究了電磁場理論中的自然辯證法思想。從物理實驗規律的發現過程，以及麥克斯韋電磁理論的建立過程，挖掘了電磁場理論與實踐中的唯物辯證法思想和元素。揭示了電磁場理論和電磁現象中的原因與結果、本質與現象、量變與質變，必然性與偶然性的關系;研究了電磁場理論中的對立統一規律、質量互變規律和否定之否定規律;探索了電磁場理論與實踐中的辨證唯物主義世界觀、認識論和方法論，以及其在指導與推動科學技術發展中的作用。

關鍵詞：電磁場理論;電磁現象;唯物辯證法;辨證唯物主義;馬克思主義哲學

中圖分類號：G641? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）07-0191-03

Abstract： This paper studies the dialectic of natural dialectics from the perspective of Marxist philosophy of technology. From the discovery process of the physics' law， and the establishment process of Maxwell's electromagnetic theory， we explored the thoughts and elements of materialist dialectics in the theory and practice of electromagnetic field. The causes and results， the nature and phenomena， the quantitative and qualitative changes， the inevitability and the contingency of electromagnetic field theory and electromagnetic phenomena are revealed. The law of the unity of opposites， the law of mutual change of mass and the negation of negation in the theory of electromagnetic field are studied. Exploring the worldview of dialectical materialism in the theory and practice of electromagnetic fields， epistemology and methodology in theory and practice， and their role in guiding and promoting the development of science and technology.

Keywords： electromagnetic field theory; electromagnetic phenomenon; materialist dialectics; dialectical materialism; Marxist philosophy

引言

自然界的辯證法和自然科學的辯證法是密切聯系而不可分的[1]。本文從馬克思主義技術哲學的角度研究電磁場理論中的自然辯證法，挖掘電磁場理論與實踐中的唯物辯證法思想和元素。

1831年，英國物理學家法拉第發現了電磁感應現象，認為變化的磁場能夠產生電場。1862年，英國物理學家麥克斯韋發表了《論物理力線》的論文，引出位移電流的概念，并指出變化的電場產生磁場;1864年麥克斯韋在《電磁場的動力學理論》中，運用場論觀點概括出了系統的電磁理論，并進一步預見了電磁波的存在。1873年麥克斯韋在《電磁學通論》中全面總結了19世紀中葉以前庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列實驗發現和研究成果，提出了科學、合理的假設，由此建立了完整的電磁理論體系，后經赫茲等整理成為麥克斯韋方程組[2]。1888年德國物理學家赫茲驗證了電磁波的存在。

麥克斯韋電磁理論的基礎是庫侖定律、安培力定律（或者畢奧-薩伐爾定律）及法拉第電磁感應定律等三大實驗定律。麥克斯韋方程組表明，空間某處只要有變化的磁場就能激發出電場，而變化的電場又能激發出磁場。交變的電場和磁場互相激勵就形成了向空間傳播的電磁振蕩，即電磁波。因此，電磁波是電磁場的運動形式。麥克斯韋方程還證明了電磁波在真空中傳播的速度等于光速，由此揭示了光的電磁本質。

綜上所述，從人們對電學的認識和電學理論框架的形成，再到麥克斯韋電磁場理論的建立，包含了歷史唯物主義和辨證唯物主義的思想精髓，是唯物辯證法哲學思想在自然科學領域的具體體現和應用;電磁場理論體系體現了實踐論、矛盾論，是對自然界辨證唯物主義世界觀及其規律的高度概括。

一、電磁場理論與實驗中的原因與結果、本質與現象、量變與質變，必然性與偶然性

電荷和電流是電磁場的唯一源。電荷是電場的散度源，電流是磁場的旋度源[2]，電場是電荷在空間激發的一種物質存在，并表現為對電荷具有作用力（電場力）的現象，體現了電場的物質屬性;磁場是電流在空間激發的一種物質存在，并表現為對電流具有作用力（磁場力）的現象，體現了磁場的物質屬性。由此揭示了電荷和電流及其與電場和磁場之間的原因與結果的關系，即：電場作用力的本質是電場對電荷的物質作用與約束關系;磁場作用力的本質是磁場對電流的物質作用與約束關系，揭示了本質與現象的關系，屬于自然辯證法的系列范疇。

電磁場理論的發展打破了人們狹隘的物質界限，并在歷史上引發了物質觀的變革。電場、磁場及電磁場是物質存在的另一種形式，電磁波是電磁場的運動形式，場與分子、原子、電子等一樣，具有能量、動量和質量， 也是物質[3]。

自牛頓發現了萬有引力定律之后，人們利用引力規律對電力或者磁力的性質用類比方法進行了推測，這推動了庫侖定律、安培力定律等規律的發現[4]。1785年英國科學家庫侖利用扭秤對電荷之間的作用進行了實驗研究，并發現了庫侖定律，即點電荷之間的相互作用也遵守平方反比規律[4]。庫侖定律將人們對電和磁的認識從定性分析提高到了定量研究的新階段。后來，人們建立了靜電學理論框架，完成了人類對電學規律認識從量變到質變的飛躍。

其實，在最初人們認識電和磁現象的兩千多年里，一直認為電和磁沒有因果關系，但是這并沒有限制哲學家的思考[4]。其中，康德提出的批判哲學對科學發展產生了重大影響。他從哲學的高度概括出了不同形式的力可以互相轉化，以及不同物質運動形態存在普遍聯系的觀點。1803年，物理學家奧斯特提出自然界中的力、 熱、電（磁）、聲和光等能夠相互聯系并在一定條件下可以相互轉化。1820年，奧斯特受到反轉電流可以引起磁針擺動現象的啟發，提出了電流的磁效應概念，即奧斯特定律，第一次把電和磁聯系起來[4，5]。這樣，在自然統一性哲學思想的引領下，人類對電磁現象的認識從量變到質變，實現了第一次飛躍，體現了認識論中的漸進性。奧斯特定律揭示了電和磁現象之間的本質聯系，開辟了人類對電磁現象探索和研究的新紀元。

科學研究的成果往往是在理性指導下完成的， 許多科學發現看似偶然，其實往往有其必然性。因此，科學家不僅能夠從實驗事實中概括出數學方程式，更能提煉出自然規律的模式[6]。奧斯特正是突破了傳統思想的束縛，自覺而有目的地進行長期探索并發現了電流的磁效應現象。1953年，斯陶弗也撰文對此進行了證明[5]。1820年，安培在電流磁效應的啟發下，根據平方反比規律，發現電磁現象的本質是電流元之間的相互作用力，并總結出了安培力定律[4]。同樣，1820年畢奧和薩伐爾發現了電流元對磁場的作用規律，即畢奧-薩伐爾定律。1826年，類比于傅里葉熱傳導理論歐姆發現了歐姆定律。

由此可見，在自然統一性哲學思想的指導下，通過實驗和理論概況，發現電磁現象的本質規律是一種歷史必然，符合歷史唯物主義和辨證唯物主義思想方法。

二、電磁場理論中的對立統一規律、質量互變規律和否定之否定規律

在1920年代前后，人們已經建立了比較完善的電磁定律，例如，奧斯特定律、畢奧-薩伐爾定律、安培定律、歐姆定律、電磁感應定律等。但是，當時對電磁學規律的認識存在超距觀點和法拉第力線觀點[4，7]。超距觀點認為電磁作用是帶電物體表現的瞬時、直接作用力，力的大小由距離和速度決定，并占絕對優勢;法拉第力線觀點認為帶電體周圍存在稱為力線的另一種物質，并通過力線傳遞電磁感應，力的大小由力線狀態決定[7]。前者易于通過數學形式計算，但是主要定律之間缺乏聯系，力學規律和電磁感應現象之間不能做到很好地融合;而后者具有直觀想象的能力。法拉第進而結合實驗現象發現了電磁感應定律，1884年后，赫茲等將其歸納為麥克斯韋第二方程的形式。

1861年，麥克斯韋依據電磁學和動力學的類比關系及電磁現象的對稱性，引入了“位移電流”的概念[4]。位移電流是麥克斯韋理論建立的關鍵點，表明變化電場激發變化磁場的現象，由此導出了麥克斯韋第一方程的形式。于是，與電磁感應定律一起，變化的電場和變化的磁場以對稱的形式聯系起來，是法拉弟電生磁、磁生電思想的升華和精確刻畫。

受法拉第力線觀點的影響，麥克斯韋在電磁場理論的建立過程中，認為物體之外不存在絕對的虛空，而物體之間的相互作用通過中介來傳遞，把力線思想作為 “哲學推測”[7]。麥克斯韋從哲學高度上突破了經驗主義的認識觀，通過數學的抽象思維刻畫自然界規律。法拉第雖然抓住了認識事物的整體，但是缺乏通過數學手段分析客觀事物的復雜性;數理學家雖然抓住了部分， 但是在整體觀念上缺乏對總體的物理直觀描述[7]。顯然，麥克斯韋克服了兩種研究觀點的片面性，將物理概念與數學分析緊密結合，所提出的場的概念揚棄了力線觀念，實現了否定之否定。

1865年，在庫侖定律、安培力定律（或者畢奧-薩伐爾定律）及法拉第電磁感應定律等三大實驗定律的基礎上，麥克斯韋在總結和提煉庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列研究成果，預言了電磁波的存在和光的電磁性質，并對電磁運動規律進行了完整的數學表述，創立了麥克斯韋電磁場理論。可見，運動電荷周圍存在電磁場， 而統一的電磁場又分為矛盾著的電場和磁場兩個部分，電場和磁場各有其特點[8]，既互相矛盾又互相依存， 并且在一定條件下又互相轉化， 這是唯物辯證法思想的一種表現。從矛盾的統一性認識電磁場，也是利用唯物辯證法觀察自然界的方法和實質。

麥克斯韋電磁場理論的創立并不是偶然的，其哲學思想和數學理論奠定了他堅實的科學研究基礎，能夠從自然規律中高度概括出整體與部分的辯證統一關系，正是這種外因和內因的碰撞，使麥克斯韋在創立電磁理論上獲得了巨大成功。

在人們創立了經典電磁理論體系后，電氣化工程技術的發展和進步昭示了科學既是理性又是經驗的[8]。麥克斯韋電磁場理論是19世紀物理學發展史上的最輝煌的成果和里程碑[6]，是牛頓力學以后最深刻的一次變革。

三、電磁場理論與實踐中的辨證唯物主義世界觀、認識論和方法論

經過長達兩千多年的發展，人類對電磁現象的認識才逐漸逼近了其本質。在這其中，類比法在科學發現中起到了重要作用。庫侖等科學家按照萬有引力的模式來探討和研究了電場力的規律性，顯然，平方反比的類比方法對庫侖定律的發現過程起到了指導作用。類比法是一種很重要的推理方法，屬于自然辯證法的方法論范疇，是一種能導向科學發現或發明的有效方法。類比法通過已知規律向未知規律的比擬，使人類獲得對未知世界規律的認識，事實上，整個電磁學的發展都是在借鑒萬有引力的理論成果而取得進步的，體現了科學理論對實踐的指導作用。

人們對電磁場的認識不斷地深化和發展，也表明了人類認識發展過程的循序漸近性。這種認識體現了“實踐，認識，再實踐，再認識”的哲學思想，逐步深入認識到它的本質，并完成理論的升華。從認識論來看，電磁現象是一種實在，而任何一個實在都是“關系實在”[6]。對這個“實在”本質的認識過程是一個由此及彼、由表及里，即去粗取精、去偽存真的過程[5]。在兩千多年前人類就發現了電和磁現象，但是認為它們彼此無關;而兩千多年后，才發現了它們的相關性， 并逐漸實現了從量變到質變的過程。麥克斯韋把對電磁現象的認識推向新的巔峰。

根據馬克思主義關于世界觀、認識論和方法論相統一的原則，對電磁場理論和實踐辯證法的研究，尤其是電磁場基本規律和范疇的認識，都具有認識論和方法論的意義。辯證唯物主義的認識論是科學世界觀的重要組成部分[9]。物質世界是有規律的，客觀規律是可以認識的，實踐是認識客觀規律的出發點和歸宿，各個階段的認識是有相對性的。從最初對靜電和靜磁現象的認識，到18世紀發現的一系列物理實驗定律， 如庫侖定律、畢奧-沙伐定律、安培環流定律、歐姆定律、法拉第電磁感應定律等，這些定律分別反映了個別電磁現象的規律性和相對真理，并在一定范圍內適用。直到19世紀中葉，經典電磁場理論不僅能解釋已知的電磁現象，而且還預言了電磁波的存在，并被實驗證實。經典電磁理論使人們對電磁現象的認識發展到一個新的階段。在20世紀初， 隨著量子論和狹義相對論的建立，人們發現了電磁場和光的波-粒二象性，從而建立了量子電動力學，對電磁現象的認識又發生了一次新的飛躍;2017年，人們發現并探測到了引力波及其發出的電磁信號，又證實了一種新的客觀存在，并豐富了物理學理論。這正體現了毛澤東思想關于“實踐、認識、再實踐、再認識，循環往復以至無窮”的實踐論論斷。

電場和磁場是一對矛盾， 不同的矛盾有不同的質， 電磁場和電磁波有其特殊的質;人們通過對此矛盾特質的理解，制造出面向各種應用的電磁設備，以至實現了遠距離通信。在麥克斯韋電磁場理論指導下，人類逐漸進入了以電子技術為支撐的信息社會。1901年完成了穿越大西洋的無線電通訊。1904年制作出整流管并用于無線電通訊。1916年建成了第一座無線電發射臺，人類開始步入了信息社會;從19世紀中葉到20世紀中葉，以電動機和發電機的發明為開端，以電力技術在各行各業的廣泛應用為標志，人類社會進入了電氣化時代[10];在21世紀初，伴隨著人工智能及物聯網技術的應用，人類全面進入了信息化社會。至此，根據實驗定律完成了電磁場從實踐到認識的過程，又根據電磁場理論完成了從認識到實踐的過程。科學的認識過程就是辯證唯物主義認識論的具體體現。從科學史觀來看，實踐具有直接性和第一性的特點，是檢驗真理的唯一標準，這也是電磁場理論和實踐過程中的方法，是符合馬克思辯證唯物主義原理的，也是實踐觀和唯物論的實質。

隨著暗物質、暗能量的存在性被逐漸認識，這種“無形”的質量比想象的要大得多，很難用一般的理論猜想來解釋，人們的認識和理論極限又一次被挑戰。暗物質的存在一旦被證實，就意味著人類首次發現暗物質存在的形式，這將是物理學的重大突破。目前，學者們正力圖建立關于各種場的大統一理論，雖然遇到很大的困難，但物理學家們仍然奮力探索著，相信總有一天會獲得成功，將是辯證唯物主義認識論的又一次飛躍。

四、結束語

從歷史唯物主義和辨證唯物主義出發，研究了電磁場理論中的自然辯證法思想。剖析了電磁場理論和實踐中存在的原因與結果、本質與現象、量變與質變，必然性與偶然性的關系;分析了電磁場理論中的對立統一規律、質量互變規律和否定之否定規律;探索了電磁場理論與實踐中的辨證唯物主義世界觀、認識論和方法論，討論了實踐論在電磁場理論與實踐中的實際應用。

參考文獻：

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