电磁场理论与实践中的唯物辩证法思想

摘  要：从马克思主义技术哲学的角度研究了电磁场理论中的自然辩证法思想。从物理实验规律的发现过程，以及麦克斯韦电磁理论的建立过程，挖掘了电磁场理论与实践中的唯物辩证法思想和元素。揭示了电磁场理论和电磁现象中的原因与结果、本质与现象、量变与质变，必然性与偶然性的关系;研究了电磁场理论中的对立统一规律、质量互变规律和否定之否定规律;探索了电磁场理论与实践中的辨证唯物主义世界观、认识论和方法论，以及其在指导与推动科学技术发展中的作用。

关键词：电磁场理论;电磁现象;唯物辩证法;辨证唯物主义;马克思主义哲学

中图分类号：G641         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）07-0191-03

Abstract： This paper studies the dialectic of natural dialectics from the perspective of Marxist philosophy of technology. From the discovery process of the physics' law， and the establishment process of Maxwell's electromagnetic theory， we explored the thoughts and elements of materialist dialectics in the theory and practice of electromagnetic field. The causes and results， the nature and phenomena， the quantitative and qualitative changes， the inevitability and the contingency of electromagnetic field theory and electromagnetic phenomena are revealed. The law of the unity of opposites， the law of mutual change of mass and the negation of negation in the theory of electromagnetic field are studied. Exploring the worldview of dialectical materialism in the theory and practice of electromagnetic fields， epistemology and methodology in theory and practice， and their role in guiding and promoting the development of science and technology.

Keywords： electromagnetic field theory; electromagnetic phenomenon; materialist dialectics; dialectical materialism; Marxist philosophy

引言

自然界的辯证法和自然科学的辩证法是密切联系而不可分的[1]。本文从马克思主义技术哲学的角度研究电磁场理论中的自然辩证法，挖掘电磁场理论与实践中的唯物辩证法思想和元素。

1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，认为变化的磁场能够产生电场。1862年，英国物理学家麦克斯韦发表了《论物理力线》的论文，引出位移电流的概念，并指出变化的电场产生磁场;1864年麦克斯韦在《电磁场的动力学理论》中，运用场论观点概括出了系统的电磁理论，并进一步预见了电磁波的存在。1873年麦克斯韦在《电磁学通论》中全面总结了19世纪中叶以前库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列实验发现和研究成果，提出了科学、合理的假设，由此建立了完整的电磁理论体系，后经赫兹等整理成为麦克斯韦方程组[2]。1888年德国物理学家赫兹验证了电磁波的存在。

麦克斯韦电磁理论的基础是库仑定律、安培力定律（或者毕奥-萨伐尔定律）及法拉第电磁感应定律等三大实验定律。麦克斯韦方程组表明，空间某处只要有变化的磁场就能激发出电场，而变化的电场又能激发出磁场。交变的电场和磁场互相激励就形成了向空间传播的电磁振荡，即电磁波。因此，电磁波是电磁场的运动形式。麦克斯韦方程还证明了电磁波在真空中传播的速度等于光速，由此揭示了光的电磁本质。

综上所述，从人们对电学的认识和电学理论框架的形成，再到麦克斯韦电磁场理论的建立，包含了历史唯物主义和辨证唯物主义的思想精髓，是唯物辩证法哲学思想在自然科学领域的具体体现和应用;电磁场理论体系体现了实践论、矛盾论，是对自然界辨证唯物主义世界观及其规律的高度概括。

一、电磁场理论与实验中的原因与结果、本质与现象、量变与质变，必然性与偶然性

电荷和电流是电磁场的唯一源。电荷是电场的散度源，电流是磁场的旋度源[2]，电场是电荷在空间激发的一种物质存在，并表现为对电荷具有作用力（电场力）的现象，体现了电场的物质属性;磁场是电流在空间激发的一种物质存在，并表现为对电流具有作用力（磁场力）的现象，体现了磁场的物质属性。由此揭示了电荷和电流及其与电场和磁场之间的原因与结果的关系，即：电场作用力的本质是电场对电荷的物质作用与约束关系;磁场作用力的本质是磁场对电流的物质作用与约束关系，揭示了本质与现象的关系，属于自然辩证法的系列范畴。

电磁场理论的发展打破了人们狭隘的物质界限，并在历史上引发了物质观的变革。电场、磁场及电磁场是物质存在的另一种形式，电磁波是电磁场的运动形式，场与分子、原子、电子等一样，具有能量、动量和质量， 也是物质[3]。

自牛顿发现了万有引力定律之后，人们利用引力规律对电力或者磁力的性质用类比方法进行了推测，这推动了库仑定律、安培力定律等规律的发现[4]。1785年英国科学家库仑利用扭秤对电荷之间的作用进行了实验研究，并发现了库仑定律，即点电荷之间的相互作用也遵守平方反比规律[4]。库仑定律将人们对电和磁的认识从定性分析提高到了定量研究的新阶段。后来，人们建立了静电学理论框架，完成了人类对电学规律认识从量变到质变的飞跃。

其实，在最初人们认识电和磁现象的两千多年里，一直认为电和磁没有因果关系，但是这并没有限制哲学家的思考[4]。其中，康德提出的批判哲学对科学发展产生了重大影响。他从哲学的高度概括出了不同形式的力可以互相转化，以及不同物质运动形态存在普遍联系的观点。1803年，物理学家奥斯特提出自然界中的力、 热、电（磁）、声和光等能够相互联系并在一定条件下可以相互转化。1820年，奥斯特受到反转电流可以引起磁针摆动现象的启发，提出了电流的磁效应概念，即奥斯特定律，第一次把电和磁联系起来[4，5]。这样，在自然统一性哲学思想的引领下，人类对电磁现象的认识从量变到质变，实现了第一次飞跃，体现了认识论中的渐进性。奥斯特定律揭示了电和磁现象之间的本质联系，开辟了人类对电磁现象探索和研究的新纪元。

科学研究的成果往往是在理性指导下完成的， 许多科学发现看似偶然，其实往往有其必然性。因此，科学家不仅能够从实验事实中概括出数学方程式，更能提炼出自然规律的模式[6]。奥斯特正是突破了传统思想的束缚，自觉而有目的地进行长期探索并发现了电流的磁效应现象。1953年，斯陶弗也撰文对此进行了证明[5]。1820年，安培在电流磁效应的启发下，根据平方反比规律，发现电磁现象的本质是电流元之间的相互作用力，并总结出了安培力定律[4]。同样，1820年毕奥和萨伐尔发现了电流元对磁场的作用规律，即毕奥-萨伐尔定律。1826年，类比于傅里叶热传导理论欧姆发现了欧姆定律。

由此可见，在自然统一性哲学思想的指导下，通过实验和理论概况，发现电磁现象的本质规律是一种历史必然，符合历史唯物主义和辨证唯物主义思想方法。

二、电磁场理论中的对立统一规律、质量互变规律和否定之否定规律

在1920年代前后，人们已经建立了比较完善的电磁定律，例如，奥斯特定律、毕奥-萨伐尔定律、安培定律、欧姆定律、电磁感应定律等。但是，当时对电磁学规律的认识存在超距观点和法拉第力线观点[4，7]。超距观点认为电磁作用是带电物体表现的瞬时、直接作用力，力的大小由距离和速度决定，并占绝对优势;法拉第力线观点认为带电体周围存在称为力线的另一种物质，并通过力线传递电磁感应，力的大小由力线状态决定[7]。前者易于通过数学形式计算，但是主要定律之间缺乏联系，力学规律和电磁感应现象之间不能做到很好地融合;而后者具有直观想象的能力。法拉第进而结合实验现象发现了电磁感应定律，1884年后，赫兹等将其归纳为麦克斯韦第二方程的形式。

1861年，麦克斯韦依据电磁学和动力学的类比关系及电磁现象的对称性，引入了“位移电流”的概念[4]。位移电流是麦克斯韦理论建立的关键点，表明变化电场激发变化磁场的现象，由此导出了麦克斯韦第一方程的形式。于是，与电磁感应定律一起，变化的电场和变化的磁场以对称的形式联系起来，是法拉弟电生磁、磁生电思想的升华和精确刻画。

受法拉第力线观点的影响，麦克斯韦在电磁场理论的建立过程中，认为物体之外不存在绝对的虚空，而物体之间的相互作用通过中介来传递，把力线思想作为 “哲学推测”[7]。麦克斯韦从哲学高度上突破了经验主义的认识观，通过数学的抽象思维刻画自然界规律。法拉第虽然抓住了认识事物的整体，但是缺乏通过数学手段分析客观事物的复杂性;数理学家虽然抓住了部分， 但是在整体观念上缺乏对总体的物理直观描述[7]。显然，麦克斯韦克服了两种研究观点的片面性，将物理概念与数学分析紧密结合，所提出的场的概念扬弃了力线观念，实现了否定之否定。

1865年，在库仑定律、安培力定律（或者毕奥-萨伐尔定律）及法拉第电磁感应定律等三大实验定律的基础上，麦克斯韦在总结和提炼库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列研究成果，预言了电磁波的存在和光的电磁性质，并对电磁运动规律进行了完整的数学表述，创立了麦克斯韦电磁场理论。可見，运动电荷周围存在电磁场， 而统一的电磁场又分为矛盾着的电场和磁场两个部分，电场和磁场各有其特点[8]，既互相矛盾又互相依存， 并且在一定条件下又互相转化， 这是唯物辩证法思想的一种表现。从矛盾的统一性认识电磁场，也是利用唯物辩证法观察自然界的方法和实质。

麦克斯韦电磁场理论的创立并不是偶然的，其哲学思想和数学理论奠定了他坚实的科学研究基础，能够从自然规律中高度概括出整体与部分的辩证统一关系，正是这种外因和内因的碰撞，使麦克斯韦在创立电磁理论上获得了巨大成功。

在人们创立了经典电磁理论体系后，电气化工程技术的发展和进步昭示了科学既是理性又是经验的[8]。麦克斯韦电磁场理论是19世纪物理学发展史上的最辉煌的成果和里程碑[6]，是牛顿力学以后最深刻的一次变革。

三、电磁场理论与实践中的辨证唯物主义世界观、认识论和方法论

经过长达两千多年的发展，人类对电磁现象的认识才逐渐逼近了其本质。在这其中，类比法在科学发现中起到了重要作用。库仑等科学家按照万有引力的模式来探讨和研究了电场力的规律性，显然，平方反比的类比方法对库仑定律的发现过程起到了指导作用。类比法是一种很重要的推理方法，属于自然辩证法的方法论范畴，是一种能导向科学发现或发明的有效方法。类比法通过已知规律向未知规律的比拟，使人类获得对未知世界规律的认识，事实上，整个电磁学的发展都是在借鉴万有引力的理论成果而取得进步的，体现了科学理论对实践的指导作用。

人们对电磁场的认识不断地深化和发展，也表明了人类认识发展过程的循序渐近性。这种认识体现了“实践，认识，再实践，再认识”的哲学思想，逐步深入认识到它的本质，并完成理论的升华。从认识论来看，电磁现象是一种实在，而任何一个实在都是“关系实在”[6]。对这个“实在”本质的认识过程是一个由此及彼、由表及里，即去粗取精、去伪存真的过程[5]。在两千多年前人类就发现了电和磁现象，但是认为它们彼此无关;而两千多年后，才发现了它们的相关性， 并逐渐实现了从量变到质变的过程。麦克斯韦把对电磁现象的认识推向新的巅峰。

根据马克思主义关于世界观、认识论和方法论相统一的原则，对电磁场理论和实践辩证法的研究，尤其是电磁场基本规律和范畴的认识，都具有认识论和方法论的意义。辩证唯物主义的认识论是科学世界观的重要组成部分[9]。物质世界是有规律的，客观规律是可以认识的，实践是认识客观规律的出发点和归宿，各个阶段的认识是有相对性的。从最初对静电和静磁现象的认识，到18世纪发现的一系列物理实验定律， 如库仑定律、毕奥-沙伐定律、安培环流定律、欧姆定律、法拉第电磁感应定律等，这些定律分别反映了个别电磁现象的规律性和相对真理，并在一定范围内适用。直到19世纪中叶，经典电磁场理论不仅能解释已知的电磁现象，而且还预言了电磁波的存在，并被实验证实。经典电磁理论使人们对电磁现象的认识发展到一个新的阶段。在20世纪初， 随着量子论和狭义相对论的建立，人们发现了电磁场和光的波-粒二象性，从而建立了量子电动力学，对电磁现象的认识又发生了一次新的飞跃;2017年，人们发现并探测到了引力波及其发出的电磁信号，又证实了一种新的客观存在，并丰富了物理学理论。这正体现了毛泽东思想关于“实践、认识、再实践、再认识，循环往复以至无穷”的实践论论断。

电场和磁场是一对矛盾， 不同的矛盾有不同的质， 电磁场和电磁波有其特殊的质;人们通过对此矛盾特质的理解，制造出面向各种应用的电磁设备，以至实现了远距离通信。在麦克斯韦电磁场理论指导下，人类逐渐进入了以电子技术为支撑的信息社会。1901年完成了穿越大西洋的无线电通讯。1904年制作出整流管并用于无线电通讯。1916年建成了第一座无线电发射台，人类开始步入了信息社会;从19世纪中叶到20世纪中叶，以电动机和发电机的发明为开端，以电力技术在各行各业的广泛应用为标志，人类社会进入了电气化时代[10];在21世纪初，伴随着人工智能及物联网技术的应用，人类全面进入了信息化社会。至此，根据实验定律完成了电磁场从实践到认识的过程，又根据电磁场理论完成了从认识到实践的过程。科学的认识过程就是辩证唯物主义认识论的具体体现。从科学史观来看，实践具有直接性和第一性的特点，是检验真理的唯一标准，这也是电磁场理论和实践过程中的方法，是符合马克思辩证唯物主义原理的，也是实践观和唯物论的实质。

隨着暗物质、暗能量的存在性被逐渐认识，这种“无形”的质量比想象的要大得多，很难用一般的理论猜想来解释，人们的认识和理论极限又一次被挑战。暗物质的存在一旦被证实，就意味着人类首次发现暗物质存在的形式，这将是物理学的重大突破。目前，学者们正力图建立关于各种场的大统一理论，虽然遇到很大的困难，但物理学家们仍然奋力探索着，相信总有一天会获得成功，将是辩证唯物主义认识论的又一次飞跃。

四、结束语

从历史唯物主义和辨证唯物主义出发，研究了电磁场理论中的自然辩证法思想。剖析了电磁场理论和实践中存在的原因与结果、本质与现象、量变与质变，必然性与偶然性的关系;分析了电磁场理论中的对立统一规律、质量互变规律和否定之否定规律;探索了电磁场理论与实践中的辨证唯物主义世界观、认识论和方法论，讨论了实践论在电磁场理论与实践中的实际应用。

参考文献：

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