費曼物理學講義 II：電磁與物質(2)介電質、磁與感應定律

從化學反應到生命現象，
從電力系統、電視廣播、到行動通訊科技，
都必須透過電磁學來瞭解，
就讓費曼帶領我們探究電磁學的世界。

　　．介電質：絕緣的介電質，為什麼能引發電效應？如何從原子的觀點來解釋介電常數的起源？

　　．靜電類比：許多物理問題的方程式都有相同的形式，我們可以把靜電學的知識運用在其他領域上。

　　．靜磁學：這個主題若改稱為「穩定電流的磁場研究」會更加恰當，畢竟總得有電流，才能得到磁場。

　　．向量位勢：可以用來解磁場與電流之間的基本方程式。然而它是真實的場嗎？或只是有用的數學工具？

　　．感應電流與定律：描述感應電流現象所導致的發明：電動機、發電機、變壓器等，並討論支配這些效應的基本原理。

　　《費曼物理學講義》共有三大卷，展現了最偉大的物理教師——費曼博士的獨到見解，以及縱覽物理學的非凡功力。第II卷的主題為電磁與物質，共有五冊，第2冊解釋介電質、磁與感應定律的觀念，包括：介電質、靜電類比、靜磁學、向量位勢、感應電流與定律。

作者簡介

理查．費曼Richard P. Feynman

　　1918年，費曼誕生於紐約市布魯克林區，1942年，從普林斯頓大學取得博士學位。第二次世界大戰期間，他曾在美國設於新墨西哥州的羅沙拉摩斯（Los Alamos）實驗室服務，參與研發原子彈的曼哈坦計畫（Manhattan Project），當時雖然年紀很輕，卻已經是計畫中的重要角色。隨後，他任教於康乃爾大學以及加州理工學院。1965年，由於費曼在量子電動力學的成就，與朝永振一郎（Sin-Itiro Tomonaga）、許溫格（Julian Schwinger）兩人，共同獲得該年度的諾貝爾物理獎。

　　費曼博士為量子電動力學理論解決了不少問題，同時他首創了一個解釋液態氦超流體現象的數學理論。之後，他跟葛爾曼（Murray Gell-Mann）合作，研究弱交互作用（例如貝他衰變），做了許多奠基工作。後來數年，費曼成為發展夸克（quark）理論的關鍵人物，提出了在高能量質子對撞過程中的成子（parton）模型。

　　在這些重大成就之外，費曼博士把一些基本的新計算技術跟記法，介紹給了物理學。其中包括幾乎無所不在的費曼圖，因而改變了基礎物理觀念化與計算的過程，成為可能是近代科學史上，最膾炙人口的一種表述方式。

　　費曼是一位非常能幹有為的教育家，在他一生所獲多得數不清的各式各樣獎賞中，他特別珍惜1972年獲得的厄司特杏壇獎章（Oersted Medal for Teaching）。《費曼物理學講義》一書最初發行於1963年，當時有位《科學美國人》雜誌的書評稱該書為「……真是難啃，但是非常營養，尤其是風味絕佳，為二十五年來僅見！是教師及最優秀入門學生的指南。」為了增長一般民眾的物理知識，費曼博士寫了一本《物理之美》（The Character of Physical Law）以及《量子電動力學》（Q.E.D.: The Strange Theory of Light and Matter）。他還寫下一些專精的論著，成為後來物理學研究者與學生的標準參考資料跟教科書。

　　費曼是一位建設性的公眾人物。幾乎家喻戶曉他參與「挑戰者號」太空梭失事調查工作的事跡，尤其是他當眾證明橡皮墊圈不耐低溫的那一幕，是一場非常優雅的即席實驗示範，而他所使用的道具不過冰水一杯！比較鮮為人知的事例，是費曼博士於1960年代中，在加州大學課程委員會任上所做的努力，他非常不滿當時教科書之庸俗平凡。

　　僅僅重複敘說費曼一生中，於科學上與教育上的無數成就，並不足以說明他這個人的特色。正如任何讀過他即使最技術性著作的人都知道，他的作品裡外都散發著他鮮活跟多采多姿的個性。在物理學家正務之餘，費曼也曾把時間花在修理收音機、開保險櫃、畫畫、跳舞、表演森巴小鼓、甚至試圖翻譯馬雅古文明的象形文字上。他永遠對周圍的世界感到好奇，是位一切都要積極嘗試的模範人物。

　　費曼於1988年2月15日在洛杉磯與世長辭。

羅伯．雷頓Robert B. Leighton

　　1919年生。加州理工學院學士、碩士，1947年從該校取得物理博士學位。然後留在加州理工學院研究、任教，直到1990年退休，整個學術生涯都在這所學校度過。他參與了許多領域的研究，除了粒子物理的基礎研究，也曾帶建造計火星探測器，還為幾個天文台設計強大的望遠鏡。1997年因神經疾病去世。

馬修．山德士Matthew Sands

　　1919年生。克拉克大學學士，萊斯大學碩士，1948年從麻省理工學院獲得物理博士學位。隨後於麻省理工學院任教，1950年到加州理工學院，1969年再到加州大學聖克魯?分校教學與研究，直到1985年退休。這期間曾帶領史丹福直線加速器中心的建造工作。退休之後，仍積極投入中小學的教育事務

譯者簡介

李精益
 
　　美國德州大學奧斯汀分校物理博士，現任文藻外語學院通識教育中心副教授。

審訂者簡介

高涌泉

　　美國加州大學柏克萊分校物理博士，現任臺灣大學物理學系教授。

中文版前言高涌泉

第10章介電質
10-1介電常數
10-2極化向量P
10-3極化電荷
10-4有介電質時的靜電方程組
10-5有介電質時的場與力

第11章介電質內部
11-1分子偶極
11-2電子極化
11-3極性分子；取向極化
11-4介電質空腔內的電場
11-5液體的介電常數；克勞修斯—莫梭提方程式
11-6固態介電質
11-7鐵電性；BaTiO3

第12章靜電類比
12-1相同的方程組具有相同的解
12-2熱流；無限大平面邊界附近的點源
12-3繃緊的薄膜
12-4中子擴散；均勻介質中的均向球形源
12-5無旋流體的流動；從球旁經過的流動
12-6照度；對平面的均勻照明
12-7自然界的「基本統一性」

第13章靜磁學
13-1磁場
13-2電流；電荷守恆
13-3作用在電流上的磁力
13-4穩定電流的磁場；安培定律
13-5直導線與螺線管的磁場；原子電流
13-6電場與磁場的相對性
13-7電流與電荷的變換
13-8疊加原理；右手定則

第14章各種情況下的磁場
14-1向量位勢
14-2已知電流的向量位勢
14-3直導線
14-4長螺線管
14-5小迴路的場；磁偶極
14-6電路的向量位勢
14-7必歐—沙伐定律

第15章向量位勢
15-1作用在電流迴路上的力；偶極的能量
15-2力學能與電能
15-3穩定電流的能量
15-4B與A的對比
15-5向量位勢與量子力學
15-6對靜力學成立者，對動力學則未必

第16章感應電流
16-1電動機與發電機
16-2變壓器與電感
16-3作用在感應電流上的力
16-4電工技術

第17章感應定律
17-1感應現象
17-2「通量定則」的例外情形
17-3以感應電場加速粒子；貝他加速器
17-4一個弔詭
17-5交流發電機
17-6互感
17-7自感
17-8電感與磁能

中文版前言

高涌泉

　　電磁學是費曼最喜歡的物理之一。大家知道費曼是因為解決量子電動力學的難題而獲得諾貝爾獎，依據他諾貝爾獎演講稿〈量子電動力學時空觀的發展〉（The development of the spacetime view of quantum electrodynamics）所述，他在學生時代就已經花了很多時間思索如何解決量子電動力學的難題，也從中找到他「深愛」的一個巧妙點子，那就是「電子不會對自己施力」，他最初以為只要依這樣的想法去修正古典電磁學，便可解決量子電動力學中電子自能（self energy）無窮大的麻煩。雖然費曼進研究所就讀後，便發現這樣的想法有問題，不能成立，但這個點子卻孕育出了費曼的諾貝爾獎工作。總之，費曼於古典電磁學下過很多工夫，對於電磁學有很多深刻的見解。

　　所以我們可能會以為，當費曼頭一回在1962~963年對大二學生講授電磁學時，必然用上一堆他人所無的妙招，深入淺出的將電磁學介紹出來。沒想到費曼自己卻在本套書的序言中如此評估：「我自己覺得，就物理而言，第一年的課程令人相當滿意。第二年則不是很令我滿意，原因是第二年課程一開始，輪到討論電與磁。我實在想不出來，有什麼能夠不跟往常雷同、卻又比較有趣的講解方式。」也就是說，費曼為了無法以不脫俗套的方式解說電磁學而失望！

　　可是我們如果細看此《費曼物理學講義》第II卷的內容，就會發現其中還是有很多異（優）於其他電磁學教科書之處，例如：

　　一、費曼早在第13章就以狹義相對論的觀點來討論具體物理情境中的磁現象，目的是讓學生儘早知道電磁學與狹義相對論的密切關係。

　　二、費曼在第15章介紹向量位勢如何在量子力學中扮演關鍵角色以及著名的AB效應（Aharonov-Bohm effect），並且比較了磁場與向量位勢場的意義。這些精采的討論充滿費曼風格，現在讀起來還是過人一等。

　　三、他不停強調「相同的方程式有相同的解」，教導學生從類比的觀點來看待不同的物理現象。

　　四、費曼在第23章引入重要的貝色函數（Bessel function）的手法便是與眾不同。他的討論比一般微分方程課本的說明更有物理味道，物理系的學生不應錯過。

　　五、他在第28章討論電磁質量，將極重要但一般只有到了研究所才學到的概念介紹給大二學生。只有藝高如費曼者，才能大膽的這麼做。

　　我用以上幾個例子來說明費曼對於第二年課程的自我評估不夠客觀：他講解電磁學的方式絕對是「不跟往常雷同、卻又比較有趣的講解方式」。費曼的對手，與他同年紀，也同因量子電動力學而獲物理諾貝爾獎的許溫格（Julian Schwinger, 1918-1994）就曾感嘆過：「那個費曼，總是有些新鮮的說法。」總之，大師就是大師！《費曼物理學講義》第II卷絕對和其他兩卷一樣精采。

2008年10月
（作者為台大物理學系教授、本書審訂者）