引力定律和库仑定律的联系.docx
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1、第五十三章:关于引力定律和库伦定律的讨论灵遁者要讨论题目中的问题,先来了解磁性,电性等知识。我们诸多的疑问中,其 中最想知道的一个就是物体为什么具有磁性?电磁理论,发展的非常完善了。可 是当我问物体为什么具有磁性,你怎么回答?其实这个问题,并不简单。对于很 多现象的本质问题,都不好回答。但我们的前辈们很聪明,他们通过不断的研究,提出假说,来解释物体为什 么具有磁性。尤其是麦克斯韦,被誉为是电磁学理论的集大成者!各位,首先一 定要清楚,任何电磁方面的问题,离不开电荷。电荷概念是一切电磁学现象的基 础。所以这个概念的重要性,就不言而喻了。在电磁学里,电荷是物质的一种物理性质。称带有电荷的物质为“带
2、电物 质”。两个带电物质之间会互相施加作用力于对方,也会感受到对方施加的作用 力,所涉及的作用力遵守库仑定律。电荷是许多次原子粒子所拥有的一种基本守恒性质。称带有电荷的粒子为 “带电粒子”。电荷决定了带电粒子在电磁方面的物理行为。静止的带电粒子会 产生电场,移动中的带电粒子会产生电磁场,带电粒子也会被电磁场所影响。一 个带电粒子与电磁场之间的相互作用称为电磁力或电磁相互作用。这是四种基本 相互作用中的一种。那什么是次原粒子?次原子粒子指结构比原子更小的粒子。其中包括原子的 组成部分如电子、质子和中子(质子和中子本身又是由夸克所组成的粒子)和放 射和散射所造成的粒子如光子、中微子和渺子,以及许多
3、其它奇特的粒子。总的来说,次原子粒子可能是电子、中子、质子、介子、夸克、胶子、光子 等等。也就是说,这些粒子都带有电荷,电荷是一种性质。电荷不是粒子。构成物质的基本单元是原子,原子由电子和原子核构成,核又由质子和中子 构成,电子带负电,质子带正电,是正、负电荷的基本单元,中子不带电。所 谓物体不带电就是电子数与质子数相等,物体带电则是这种平衡的破坏。在自然 界中不存在脱离物质而单独存在的电荷。在一个孤立系统中,不管发生了什么变 化,电子、质子的总数不变,只是组合方式或所在位置有所变化,因而电荷必 定守恒。而且每种粒子都具有确定的电荷。实验表明,已发现的各种粒子的电荷都是 质子电荷e的整数倍,这
4、个规律称为电荷量子化。所以各位,看似上面的这几百字的介绍不多,其实内涵已经很深了。就像我 说的,想到电磁学现象,要想到电荷。想到了电荷之后,再去思考电和磁的相互 依存关系。所以再介绍一下电和磁的定义。1、电场:电场存在于带电体周围的传递电荷之间相互作用的特殊媒介物质。 电荷间的作用总是通过电场进行的。只要电荷存在,它周围就存在电场,电场是 客观存在的,它具有力和能的特性。2、磁场:磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质,磁场不是由原子或分子 组成的,但磁场是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性。磁体周围存在磁场, 磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的,所以两磁体不用接触就能发生作用。 电流、运动电荷
5、、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁 体的磁性来源于电流,电流是电荷的运动,因而概括地说,磁场是由运动电荷或 电场的变化而产生的。3、电磁场:在电磁学里,电磁场是一种由带电物体产生的一种物理场。处 于电磁场的带电物体会感受到电磁场的作用力。电磁场与带电物体(电荷或电 流)之间的相互作用可以用麦克斯韦方程和洛伦兹力定律来描述。电磁场是有内 在联系、相互依存的电场和磁场的统一体的总称。随时间变化的电场产生磁场, 随时间变化的磁场产生电场,两者互为因果,形成电磁场。电磁场可由变速运动 的带电粒子引起,也可由强弱变化的电流引起,不论原因如何,电磁场总是以光 速向四周传播,形成电磁波
6、。电磁场是电磁作用的媒介,具有能量和动量,是物 质的一种存在形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确 定。4、电磁波:电磁波,是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射 的震荡粒子波,是以波动的形式传播的电磁场,具有波粒二象性。电磁波是由同 相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动。电磁波在真空中速率 固定,速度为光速。见麦克斯韦方程组。所以物体为何具有磁性,其实可以转化为物体为什么带电?而物体为什么带 电,其实上面说的很清楚了。电场存在于带电体周围的传递电荷之间相互作用的 特殊媒介物质。任何物体都是由粒子构成,而任何粒子都携带电荷。所以理论上 而言,任何物体都
7、带电。任何物体周围都存在电场。只是说有的粒子或物体,所 携带正负电荷相等的时候,显示电中性,也就是不会显示出电场。场是一种能量状态的存在方式。磁场的存在是依靠磁能,电场则依靠电能。 看看上面的定义,就知道了,电场是具有通常物质所具有的力和能量等客观属性。 所以电场,磁场,电磁场都是物质场。只是说这种物质场比较特殊,不是我们常 见的分子,原子所构成的。因为没有一个教课书中,这样教我们的。说场是由什 么粒子构成的。但电场和磁场是一种客观存在,是一种物质场,能量场。处于电场和磁场中 的带电物体,就是通过场来互相作用的。而且电场和磁场就好像一个硬币两个面,即有电场必有磁场,有磁场必有电 场。运动电荷产
8、生磁场,这一点已毫无疑问。即一一有电场一定有磁场。综上所述,有电场必然有磁场,有磁场必然有电场,二者相互依存,不可分 割。两者的相同点:电场和磁场均为矢量场,即都具有大小和方向。两者的不同点:电场为有源场,即散度不为零,磁场为无源场,散度为零。 电场有源性的推理:存在点电荷,即单极电场(正电场和负电场)。磁场无源性 的推论:不存在磁荷,即没有单极磁子。有一个很显著的问题,困扰着物理学家。我也曾多次思考此问题,一直没有 思路。今天试着大胆给出一个答案。大家都知道引力定律和库伦定律,惊人的相似。我曾多次在我的科普书籍中 表述,这绝非偶然,一定有深层内涵和联系。通过查找和阅读一些资料,我发现 不仅它
9、们在公式形式上相似,理论内容也相似。所以我不得不将这些想法罗列出 来,告诉大家,这也是我,为什么写这些字的原因。牛顿引力定律公式:F=(GXM1XM2)/R2。即任意两个质点有通过连心线方 向上的力相互吸引。该引力大小与它们质量的乘积成正比与它们距离的平方成反 比,与两物体的化学组成和其间介质种类无关。库伦定律公式:FkQl.QZ/r2。即真空中两个静止的点电荷之间的相互作用 力同它们的电荷量的乘积成正比,与它们的距离的二次方成反比,作用力的方向 在它们的连线上,同名电荷相斥,异名电荷相吸。从形式上看,太惊人的相似了。不过大家要清楚一点。这个我在论证电荷理 论相信电荷存在,正是人类的明智的时候
10、就说过。电荷这个概念并不明确。 不像引力公式用的物质M那么明确。因为电荷被定义为物质的性质,所有粒子 都具有这种性质。也就是可以说所有粒子都被认为是带电粒子。最难理解是这个 “性质”具有量子化。即电荷的多少叫电荷量,即物质、原子或电子等所带的电 的量。所以电荷理论一定要有重大修改,至少要明确化。因为所有电磁现象都是建立在电荷理论之上,而电荷概念的不明确,就必然 导致理论无法深化以及无法和其他理论融合。电荷是一种性质,会造成“性质” 产生各种电磁现象。也就是有无中生有的嫌疑。所以我在那篇文章说,电荷可以 试着理解为特殊的能量。但承认这一点,就必须承认电荷的物质性。而承认电荷 的能量性也好,物质性
11、也好,就必须承认它的“粒子性”和“量子性”。量子性 当然是现在的公认常识,可以粒子性,却没有这样的证据。哪怕它以一种“膜”的形式附庸在次原粒子身上,也必须要有证明才可行。 但我依然相信这种观点。就是电荷概念,必须存在!但电荷理论必须明确化。所 以试着去发现“电荷粒子”“电荷膜”是我们的任务。这是可以有的预言。就像 人们预言引力子一样,这是很顺其自然的,可以想象的。我一直说,可以想象, 是一个很重要的事情。认认真真读过我前面章节的朋友,应该有这样的敏感。那就是提到引力,就 要想到惯性。因为在此书中,引力是惯性的源泉!也就是惯性的本源是引力。惯 性的定义是这样的:在引力场中,物体总保持原来的运动状
12、态的性质叫惯性。从 惯性定律我们可以看出,惯性是物体运动的一种抵抗现象。所以从一开始就意味 着我们对惯性的研究离不开物质。离开物质,我们无法想象惯性!而物质的共有 属性就是引力。所有物质都遵从万有引力的束缚。所有物质也都具有惯性。更让 我们觉得不可思议的是一一,惯性质量与引力质量严格相等。再看看惯性定律:在引力场中,物体所受外力为零的时候,总保持当下运动 状态的运动,叫惯性运动。该定律说明,力不是维持物体运动的原因,力改变 物体状态的原因。要改变这样的运动状态,必须付出“力”的代价。各位在这里要注意了,“保持”和“抵抗变化”是一种守恒的行为。同样任 何物理现象,化学反应,要有变化,必须付出“能
13、量”,所以才会有如此多的守 恒定律。试想一下,不需要付出能量,就能发生各种物理和化学“变化”,物理 世界会怎么样?是你觉得无法想象的,所以是不可能的。再回到电磁和磁场上。电磁和磁场就像一枚硬币的两面。但我倒认为电磁和 磁场的这种情况,与引力和惯性的这种情况也十分类似。就像上面说的,电场为 有源场,即散度不为零;磁场为无源场,散度为零。电场有源性的推理:存在点 电荷,即单极电场(正电场和负电场)。磁场无源性的推论:不存在磁荷,即没 有单极磁子。而且大家发现了没有,有电荷的概念,但没有磁荷的概念。磁体的磁性来源于电流,电流是电荷的运动,因而概括地说,磁场是由运动 电荷或电场的变化而产生的。所以虽然
14、电场和磁场像一枚硬币两面,电场可以产 生磁场,磁场也可以产生电场。看起来不存在谁决定谁。但很明显,电场理论似 乎更“重”一些,或者说更为根本。毕竟一些电磁学现象的根源理论是电荷理论! 而不是磁荷理论。所以可以大胆猜想,在电磁学理论中,电场是磁场的源泉!但 磁场也能产生电磁。说明他们互为源泉。这是它与引力和惯性理论的不同。因为惯性不是引力的源泉!而且电磁力, 和引力都是长程力。两者在宏观领域,量子领域都适用。为了加深大家的理解,还是简单介绍一下关于磁场的知识。虽然很早以前, 人类就已知道磁石和其奥妙的磁性,最早出现的几个学术性论述之一,是由法国 学者皮埃德马立克(Pierre de Marico
15、urt)于公元1269年写成notes 3。德马立 克仔细标明了铁针在块型磁石附近各个位置的定向,从这些记号,又描绘出很多 条磁场线。他发现这些磁场线相会于磁石的相反两端位置,就好像地球的经线相 会于南极与北极。因此,他称这两位置为磁极。几乎三个世纪后,威廉,吉尔伯 特主张地球本身就是一个大磁石,其两个磁极分别位于南极与北极。出版于1600 年,吉尔伯特的巨著论磁石开创磁学为一门正统科学学术领域。于1824年,西莫恩泊松发展出一种物理模型,比较能够描述磁场。泊松 认为磁性是由磁荷产生的,同类磁荷相排斥,异类磁荷相吸引。他的模型完全类 比现代静电模型;磁荷产生磁场,就如同电荷产生电场一般。这理论
16、甚至能够正 确地预测储存于磁场的能量。尽管泊松模型有其成功之处,这模型也有两点严重瑕疵。第一,磁荷并不存 在。将磁铁切为两半,并不会造成两个分离的磁极,所得到的两个分离的磁铁, 每一个都有自己的指南极和指北极。第二,这模型不能解释电场与磁场之间的奇 异关系。于1820年,一系列的革命性发现,促使开启了现代磁学理论。首先,丹麦 物理学家汉斯奥斯特于7月发现载流导线的电流会施加作用力于磁针,使磁针 偏转指向。稍后,于9月,在这新闻抵达法国科学院仅仅一周之后,安德烈玛 丽安培成功地做实验展示出,假若所载电流的流向相同,则两条平行的载流导 线会互相吸引;否则,假若流向相反,则会互相排斥。紧接着,法国物
17、理学家让巴 蒂斯特毕奥和菲利克斯沙伐于10月共同发表了毕奥-萨伐尔定律;这定律能 够正确地计算出在载流导线四周的磁场。1825年,安培又发表了安培定律。这定律也能够描述载流导线产生的磁场。 更重要的,这定律帮助建立整个电磁理论的基础。于1831年,麦可法拉第证 实,随着时间演进而变化的磁场会生成电场。这实验结果展示出电与磁之间更密 切的关系。从1861年到1865之间,詹姆斯麦克斯韦将经典电学和磁学杂乱无章的方 程加以整合,发展成功麦克斯韦方程组。最先发表于他的1861年论文论物理 力线,这方程组能够解释经典电学和磁学的各种现象。在论文里,他提出了 “分子涡流模型”,并成功地将安培定律加以延伸
18、,增 加入了一个有关于位移电流的项目,称为“麦克斯韦修正项目”。由于分子涡包 具有弹性,这模型可以描述电磁波的物理行为。因此,麦克斯韦推导出电磁波方 程。他又计算出电磁波的传播速度,发现这数值与光速非常接近。警觉的麦克斯 韦立刻断定光波就是一种电磁波。后来,于1887年,海因里希鲁道夫赫兹 做实验证明了这事实。麦克斯韦统一了电学、磁学、光学理论。虽然有了极具功能的麦克斯韦方程组,经典电动力学基本上已经完备,在理 论方面,二十世纪带来了更多的改良与延伸。阿尔伯特爱因斯坦,于1905年, 在他的论文里表明,电场和磁场是处于不同参考系的观察者所观察到的同样现 象。后来,电动力学又与量子力学合并为量子
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