經(jīng)典電動力學(xué)是理論物理研究與教學(xué)中的重要組成部分,關(guān)于經(jīng)典電動力學(xué)的教科書籍,林林總總,前輩同行的鴻篇巨制,仿如高山仰止。珠玉在前,如何超越?每當(dāng)作者有所執(zhí)筆沖動,想要將歷年所講授的內(nèi)容付諸文字,仍不禁戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢,誠惶誠恐,生怕徒陳空文,或者謬種流傳。
俗語說: 入門靠師傅,修行靠自己。我們需要好的師傅帶學(xué)生入門,進入物理學(xué)這座雄偉的殿堂,一本好的教材能起到敲門磚的作用。能看通鴻篇巨制,當(dāng)然是好事,可是對于大部分入門的人而言,未免有點吃力,要求過高,因而事倍功半,欲速不達。古人云: 讀書之道,貴在于循序而致精,面對那些隱晦的公式思路,較為現(xiàn)實的方法是由淺入深,然后幾個輪回,驀然回首,不覺漸入佳境,因此,一本入門級的教材可能更加適合于徘徊在理論物理大廈高昂門坎之前的初學(xué)者。
這本書企望主要在三個方面有所努力: 一、定位于易懂,盡量避免使用繁雜高深的數(shù)學(xué)演繹(必要的數(shù)學(xué)還是不可或缺),能將學(xué)生吸引進電動力學(xué)這座瑰麗大廈。在編寫過程中注重少而精的取材原則,力求做到概念表述簡潔,公式推演詳細(xì)。在選材上,不采用其他教材慣用的重靜場、輕動場的思路,不把重點放在靜止或穩(wěn)恒電磁場的求解上(這樣做需要學(xué)生有較好的數(shù)理方法基礎(chǔ))。二、將狹義相對論這個堪稱理論物理的珍品融會貫通在電磁波討論這部分章節(jié)中,用人人熟悉的簡單物理系統(tǒng)來闡明深邃的原理理論,而不像其他教科書那樣單列成若干章節(jié)來討論。三、雖說電動力學(xué)發(fā)軔于百多年前,是一門相當(dāng)成熟的學(xué)科,但是它仍正在深入發(fā)展,仍有強大生命力,作為教科書,既要介紹理論的框架體系,同時又要適度反映最新的成就應(yīng)用,本書有些章節(jié)段落,致力于實踐這一點,寫出其他教材所無暇顧及而又非常適合初學(xué)者的內(nèi)容,形成有特色的教材。
這本書適用于短學(xué)時的教學(xué)。全書共分6章,前3章基本上與主流教材的思路一致,先介紹電磁現(xiàn)象的普遍規(guī)律及背后隱藏的對稱性約束,同時介紹電磁系統(tǒng)的能量蘊藏、能量流動問題,再推廣到介質(zhì)系統(tǒng)中,然后談及靜止或穩(wěn)恒電磁場的一般處理,由此引入電勢和磁矢勢,為后續(xù)學(xué)習(xí)規(guī)范場理論作鋪墊。后3章與傳統(tǒng)教科書的敘述有所差別,首先介紹狹義相對論,因為它孕育于電磁規(guī)律對時空的制約,是整個電磁理論的時空基礎(chǔ),也就是說不存在非相對論的電磁理論。接下來介紹電磁波在無界空間/有限空間中的傳播規(guī)律,主要講述平面電磁波在真空、絕緣介質(zhì)、導(dǎo)體、等離子體及波導(dǎo)中的傳播,然后討論帶電粒子在電磁場中的運動,包括討論恒定電磁場和平面電磁波的情況,尤其重點關(guān)注由最簡單帶電粒子(電子)和最簡單優(yōu)美電磁波(平面電磁波)組成的電磁系統(tǒng)的行為。最后一章討論電磁變換問題,它基于這樣一個理念,即所有慣性系都是平權(quán)的,其時空變換遵從Lorentz變換,受此制約,慣性系之間的電磁場、能量動量、波矢頻率等一系列變換隨之確定。為了照顧初學(xué)者的數(shù)學(xué)程度,這些討論可以不借助于矩陣運算而直接用代數(shù)運算可得,因為對初入門的學(xué)生而言,后者更容易被掌握。
作者感謝諸位師長前輩、同仁好友的支持和鼓勵,使余有勇氣犯難前行,感謝幾屆同學(xué)們的支持,他們耐心地閱讀了在形成書稿之前的講義版,并提出了自己的感覺,他們是這本書最初的忠實讀者。
多年以來,作者深得香港中文大學(xué)陳耀華教授的指導(dǎo)、支持和鼓勵,陳教授給予的諸多啟發(fā)和點撥,使作者深受教益,在此,謹(jǐn)表我對陳先生的衷心感謝和深切懷念,書中的5.3節(jié),取材于陳教授的一系列研究論文,謹(jǐn)以此書紀(jì)念陳耀華教授。
感謝清華大學(xué)出版社的佟麗霞等諸位編輯的辛勤工作,使本書得以順利出版。
2022年暮春 寫于廣州中山大學(xué)康樂園
司徒樹平 1964年生. 1992年畢業(yè)于中山大學(xué)物理系,長期從事理論物理的教學(xué),一直以來講授四大力學(xué)(理論力學(xué)、熱力學(xué)統(tǒng)計物理、電動力學(xué)、量子力學(xué)),現(xiàn)擔(dān)任全國電動力學(xué)研究會理事。
第0章數(shù)學(xué)預(yù)備知識
0.1矢量運算
0.2矢量的分類
第1章電磁現(xiàn)象的普遍規(guī)律
1.1電荷與電場
1.2電流與磁場
1.3由對稱性確定電磁場
1.4Maxwell方程組與Lorentz力
1.5能量守恒定律、電磁場的能流密度、能量密度和能量傳輸
附錄1Maxwell方程組的對稱性
附錄2Poynting矢量的推導(dǎo)
習(xí)題1
第2章宏觀系統(tǒng)的電磁物性
2.1電介質(zhì)和磁介質(zhì)
2.2介質(zhì)中的Maxwell方程組
2.3邊界條件
附錄1極化強度P、磁化強度M與電偶極矩、磁偶極矩的關(guān)系
習(xí)題2
第3章標(biāo)勢與矢勢、電磁規(guī)范
3.1靜電場與電勢,電偶極矩
3.2磁場與矢勢,磁偶極矩
3.3電磁規(guī)范場,規(guī)范變換與規(guī)范不變性,d-Alembert方程
3.4A-B(Aharonov-Bohm)效應(yīng)與A-C(Aharonov-Casher)效應(yīng)
習(xí)題3
第4章平面電磁波的傳播
4.1平面波,相位差不變性,時空與測量
4.2電磁規(guī)律對時空的制約,Lorentz變換
4.3間隔不變性,時空相對性,Doppler效應(yīng)
4.4自由空間中的平面電磁波
4.5介質(zhì)中的平面電磁波
4.6諧振腔、波導(dǎo)中的電磁波
附錄1Michelson-Morley實驗
附錄2因果律與相互作用的最大傳播速度
附錄3數(shù)學(xué)公式