磁场是否服从对称原理？

下面的文章来源于物含妙理。 ，作者薛德堡

物含妙理.

境自远尘都入咏，物含妙理总堪寻。

想象一下，当你踢足球时，你的脚趾正对着球的心向前移动，球没有转动，当时也没有风，所以可以预见球应该沿着初速方向飞出，在垂直面内沿着一条双曲线移动，直到落地。

为什么足球速度不会偏移垂直面？

从牛顿力学的角度来看，由于足球自始至终都在垂直面中受力，因此无法提供垂直面的加速度，因此垂直面自然不会被偏移。

但是，这一问题也可以从更基本的物理原理来解释，即对称原理。（symmetry principle）。

对称原则是什么？

简而言之，如果物理系统的条件具有一定的对称性，那么由此产生的系统状态也必须具有明确的对称性。

这个原理的完整表达是基于事物因果关系，即逻辑关系:原因中的对称必须体现在结果中，即结果中的对称至少有原因中的对称。或者另一方面，结果中的不对称必须体现在原因中，即原因中的不对称至少有结果中那么多的不对称。

例如，一个均匀的导体球壳，当它带电时，如果周围没有其他物体，电荷必须均匀分布在球壳上，因为系统有球对称(因为)，否则会破坏球对称(果实)。

以上足球为例，因为它的受力在垂直面内，它的初始速度也在垂直面内。也就是说，关于这种垂直面对称的原因，足球的初始条件(速度和力)——关于它未来的状态——结果，也应该保持这种对称，所以它永远在这个垂直面内。

再次思考一个问题：为什么两点之间的相互作用总是沿着相互连接的方向发展？

有人可能会说，点之间的力无非是电场力和万有引力。他们分别符合库仑定律和万有引力定律，所有这些力都遵循质点连接的角度。

但是，根据对称原理，无论相互作用的类型和具体机制是什么，只要两个点相互作用，作用力就必须沿着两个点的连接方向。

由于两点所在的空间，轴对称是以两点连接为轴形成的。为了保持这种轴对称性，两点之间的力不能偏移连接，否则轴对称性会被破坏。

以上两个例子告诉我们，有了对称原理，我们就可以正确分析物理问题，而不需要使用具体的相互作用力学规律。

但是，有些人发现，在考虑磁场的时候，基于对称原理的结论似乎是错误的！

如图所示，通电线放入磁场，电流向下，而磁场方向垂直于屏幕向内，根据安培定律，其磁力方向向右。

但是如果考虑对称，上述物理系统是两边对称的，对称面是导线所在的垂直面，垂直面垂直于屏幕的平面。

所以，问题来了，物理系统本来是两边对称的，但是造成的磁力是从左到右，这本身就破坏了两边对称啊！

结束后，对称原理被破坏，物理建筑倒塌！手动搞笑ಡωಡ。

有什么问题？

问题在于磁感应强度B，这是假矢量，而假矢量在镜面反演时的性质与矢量不同。

具体来说，对于矢量，如下图中上部所示，它平行于镜面的重量，它的镜像是同向的，而垂直于镜面的重量，它的镜像是反向的；但是对于假矢量，如下图下半部所示，它平行于镜面的重量，它的镜像是反向的，而垂直于镜面的重量，它的镜像是同向的。

知道了这一点，对于上面的通电导线和磁场组成的系统，它不再是两边对称，而是内外对称，对称面是屏幕的平面。

如今，磁力正好在屏幕的平面上，保持了系统的对称性。所以对称原理不受影响，物理建筑完好无损。

当考虑通电直线的磁场时，也会遇到这个问题。很明显，电线所在的任何平面都是对称的，为什么磁场对这些平面不对称？

先回答是否，再看是否要回答为什么。

根据上述假矢量的镜面对称性，通电直线的磁场对直线所在的任何一面都是对称的！而且这些表面有无限多个，所以结果就是磁场沿着直线电流的螺旋方向。

从上面的分析中，我们发现了一个重要的特点:如果物理系统有一个镜像对称面，如果对面有一个非零磁场，它的方向必须垂直于它的面。

基于这个特性，我们可以很容易地确定磁场的方向。

例如，由于任何垂直于轴线的截面都是镜像对称面，因此磁感应强度B的方向必须沿着螺线管的轴线方向移动。

例如，由于直径和垂直于环面的截面是镜像对称面，因此磁感应强度B的方向应沿与环共轴的环形方向移动，因此对于一个密绕环螺丝管。

而且基于这个分析，我们也可以理解一个很难解释的事实——无论螺丝管的截面形状如何，只要截面形状处处一致，磁场的方向也会沿着截面的轴线方向。

例如磁约束设备托克马克马克（Tokamak），内部磁场的方向也是如此。

在历史上，著名的思想家、科学家恩斯特·马赫（Ernst Mach，这一问题在1838-1916之间得到了很早的认识。

恩斯特·马赫(1838-1916)

引起马赫注意的就是著名的奥斯特实验。（Oster experiment），如图所示，一根可以绕垂直轴旋转的磁针，放置在通电直线下方，两者最初相互平行。

马赫认为，由于系统对导线的垂直面是镜像对称的，系统不可能根据对称原理破坏镜像的对称力，所以磁针不会偏移原来的垂直面。但实际情况是磁力导致磁针在平面内旋转！

现在我们知道了，因为磁感应强度B是假矢量，所以磁场对这个垂直面是不对称的，但是磁针的垂直面是对称的，但是这个系统不会有镜像对称面，因为电流不对称。

所以，磁场并不违反对称原理。实际上，对称原理是物理学中的一个基本原理，就像相对原理一样，是管理规律的高级规律。

既然磁场和电场一样，也符合对称原理，说明电磁现象和规律在镜像操作下是一致的，所以宇在宏观电磁中称之为守恒。不断这样，宇称在微电磁的相互作用中也是守恒的。

END

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