電場與磁場都是電荷產生的，其大小和方向都與距離電荷的遠近有關，也都與電荷的大小有關，所不同的是，磁場還與電荷的運動速度有關。另外，電磁與磁場能夠互相產生對方。從三維空間的觀點看，兩者的最大區別就是是否與速度有關。但從四維時空的觀點看就不同了。狹義相對論說電磁場是不可分割的一個東西的不同表現而已，沒有本質區別，就像一個立方體，你從一個側面正看過去是一個正方形，轉一個角度就變成了兩個矩形，再轉一個角度還可能是三個菱形。這三種不同的二維圖形是表觀上的區別，而本質上那只是一個正方體——就一個東西，根本談不上區別！
簡單地說，電力與磁力的統一大致是這樣的：在洛侖茲變換下，一個慣性系的靜電場，在另一個慣性系看來則是大小與方向都有所改變的靜電場加上一個磁場——原本沒有的磁場在變換中出現了！靜磁場也同樣可以變換出電場來。統一的四維電磁場二階反對稱張量共16個分量，但獨立分量只有6個，它們就是電場和磁場各自的3個分量。這個張量的“大小”在洛侖茲變換中保持不變，變化的是它的“方向”（因此它的各個分量會改變）。
磁常被理解為是由電衍生而來的，這在一定意義上是對的，但要注意衍生是相互的，不是單向的。最好還是站在四維時空的觀點上把兩者就看成一種東西，當然，對于習慣了三維事物的人來說，這很難，需要較好的想象力和較高的數學水平，而對物理的深入理解自然更是不可或缺。
磁場其實是時空特性的必然結果，也就是說，只要愛因斯坦的狹義相對論所描述的“尺縮鐘慢”效應的時空是真實的（非常多的事實已證明那確實是真的），那么在電力存在的同時就必須伴隨著存在磁力。
比如，0時刻在xy坐標的(0,0)和(0,1)兩處飛過兩個相同質量m和相同電量q的粒子，它倆的速度都是v，方向都沿著x軸的正方向。設相對論因子為r，r=(1-vv/cc)^(-1/2)。以下帶撇的量都是在與兩粒子相對靜止的動系中測得的量，不帶撇的量是相對地面靜止的靜系中測得的量。動系中，原點處的那個粒子在電力作用下產生的沿y軸方向的速度u'=dy'/dt'，加速度a'=du'/dt'=d(dy'/dt')/dt'。靜系中看，“尺縮”只發生在x軸方向，y軸方向沒有，所以，dy=dy'；而“鐘慢”則與方向無關，所以，dt=rdt'；所以，u=dy/dt=dy'/rdt'=u'/r，a=……=a'/rr?？傊?，從純粹的相對論時空的運動學的觀點看，靜系中測得的粒子的加速度a只有動系中的a'的1/rr。若取v=0.943c，則r=3，a=a'/9。
再從動力學的觀點看同樣的問題，假如只有電力F而沒有磁力f，那么一定會得出與上段運動學的結果相矛盾的結論。首先得知道動系中的F'與靜系中的F是什么關系，這可以從物體的“尺縮效應”的類比中得出定性的結果。動系中的圓球在靜系中看是一個在x方向上壓扁了的橢球，類似的，動系中各向同性的電力線分布在靜系中看來則是在x方向上變得稀疏、在垂直于x方向的平面方向上變得密集——靜系中將看到兩電荷在連線方向上的電場變強，定量分析給出：F=rF'。質量會隨速度而增大——m=rm'，所以，a=F/m=(rF')/(rm')=F'/m'=a'。這與上段中a=a'/rr顯然矛盾！而有了磁力f后，那兩個粒子間的磁力是相互吸引的，正好可以削弱電力以保證a=a'/rr。定量分析的結果是：(F-f)=(F'-f')/r，a=(F-f)/m=[(F'-f')/r]/(rm')=(F'-f')/rrm'=a'/rr。這與運動學的結論就一致了。
綜上所述，完全可以說是相對論的時空觀要求磁力必須伴隨著電力而存在，反過來，也可以說，宏觀低速的世界中普遍存在的磁力正是相對論時空觀正確性的一個有力的證明！通常以為，宏觀低速的世界里相對論的效應都小得可以忽略，但為什么磁力又那么普遍呢？最根本的一個原因就是電力其實是極其巨大的，磁力作為電力的一個相對論的效應，盡管相對比值仍是十分微小，但絕對值卻不算小，以至于我們在日常生活里都可以感受得到。
若q=1C，距離R=1m，則兩粒子間的電力F=9*10^9N——90億牛頓！若v=10m/s（劉翔般的速度），則兩粒子間的磁力f=10^-5N——十萬分之一牛頓！若v=1km/s（子彈般的速度），則兩粒子間的磁力f=0.1N……巨大的電力之所以我們都沒有體驗，主要就是因為電荷有正負兩種，一般物體總是很接近于電中性的狀態。
熱心網友 2012-07-19
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