經(jīng)典電動(dòng)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(dòng)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(dòng),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(chéng)惶誠(chéng)恐,生怕徒陳空文,或者謬種流傳。
俗語(yǔ)說(shuō): 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(jìn)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(duì)于大部分入門的人而言,未免有點(diǎn)吃力,要求過(guò)高,因而事倍功半,欲速不達(dá)。古人云: 讀書之道,貴在于循序而致精,面對(duì)那些隱晦的公式思路,較為現(xiàn)實(shí)的方法是由淺入深,然后幾個(gè)輪回,驀然回首,不覺(jué)漸入佳境,因此,一本入門級(jí)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(gè)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(jìn)電動(dòng)力學(xué)這座瑰麗大廈。在編寫過(guò)程中注重少而精的取材原則,力求做到概念表述簡(jiǎn)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(chǎng)、輕動(dòng)場(chǎng)的思路,不把重點(diǎn)放在靜止或穩(wěn)恒電磁場(chǎng)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(duì)論這個(gè)堪稱理論物理的珍品融會(huì)貫通在電磁波討論這部分章節(jié)中,用人人熟悉的簡(jiǎn)單物理系統(tǒng)來(lái)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(lái)討論。三、雖說(shuō)電動(dòng)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(qiáng)大生命力,作為教科書,既要介紹理論的框架體系,同時(shí)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(shí)踐這一點(diǎn),寫出其他教材所無(wú)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(shí)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(duì)稱性約束,同時(shí)介紹電磁系統(tǒng)的能量蘊(yùn)藏、能量流動(dòng)問(wèn)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(chǎng)的一般處理,由此引入電勢(shì)和磁矢勢(shì),為后續(xù)學(xué)習(xí)規(guī)范場(chǎng)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(duì)論,因?yàn)樗杏陔姶乓?guī)律對(duì)時(shí)空的制約,是整個(gè)電磁理論的時(shí)空基礎(chǔ),也就是說(shuō)不存在非相對(duì)論的電磁理論。接下來(lái)介紹電磁波在無(wú)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(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),包括討論恒定電磁場(chǎng)和平面電磁波的情況,尤其重點(diǎn)關(guān)注由最簡(jiǎn)單帶電粒子(電子)和最簡(jiǎn)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(wèn)題,它基于這樣一個(gè)理念,即所有慣性系都是平權(quán)的,其時(shí)空變換遵從Lorentz變換,受此制約,慣性系之間的電磁場(chǎng)、能量動(dòng)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(yùn)算而直接用代數(shù)運(yùn)算可得,因?yàn)閷?duì)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(zhǎng)前輩、同仁好友的支持和鼓勵(lì),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(jué),他們是這本書最初的忠實(shí)讀者。
多年以來(lái),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(lì),陳教授給予的諸多啟發(fā)和點(diǎn)撥,使作者深受教益,在此,謹(jǐn)表我對(duì)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(lè)園
司徒樹(shù)平 1964年生. 1992年畢業(yè)于中山大學(xué)物理系,長(zhǎng)期從事理論物理的教學(xué),一直以來(lái)講授四大力學(xué)(理論力學(xué)、熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理、電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)),現(xiàn)擔(dān)任全國(guó)電動(dòng)力學(xué)研究會(huì)理事。
第0章數(shù)學(xué)預(yù)備知識(shí)
0.1矢量運(yùn)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(chǎng)
1.2電流與磁場(chǎng)
1.3由對(duì)稱性確定電磁場(chǎng)
1.4Maxwell方程組與Lorentz力
1.5能量守恒定律、電磁場(chǎng)的能流密度、能量密度和能量傳輸
附錄1Maxwell方程組的對(duì)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(qiáng)度P、磁化強(qiáng)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(shì)與矢勢(shì)、電磁規(guī)范
3.1靜電場(chǎng)與電勢(shì),電偶極矩
3.2磁場(chǎng)與矢勢(shì),磁偶極矩
3.3電磁規(guī)范場(chǎng),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(shí)空與測(cè)量
4.2電磁規(guī)律對(duì)時(shí)空的制約,Lorentz變換
4.3間隔不變性,時(shí)空相對(duì)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(shí)驗(yàn)
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