電磁力原理
作者：陳少華
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◎四種基本力
物理學(xué)家們已經(jīng)歸納出大自然中的四種基本力：引力、電磁力、強(qiáng)核力、弱核力。
引力決定了宇宙天體之間的運(yùn)動(dòng)，使行星圍繞著恒星旋轉(zhuǎn)、衛(wèi)星圍繞著行星旋轉(zhuǎn)。引力讓我們能生活在地球上，而不是被甩向外層太空中。
電磁力解釋的是人們?nèi)粘Ｉ钪懈鞣N現(xiàn)象。用手掌去拍打桌子，手掌不會(huì)穿桌而過。原因就是電子之間的電磁斥力，電子必須依照泡利不相容原理，兩個(gè)電子不能具有完全相同的參數(shù)屬性。照明供電等一切跟電力有關(guān)的事情，也由電磁力決定。麥克斯韋總結(jié)出的電磁現(xiàn)象，變化磁場中的線圈產(chǎn)生電流。電流產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，從而產(chǎn)生新的電流。電磁力的作用太大了，沒有電磁力，世界將跟原始社會(huì)一樣，無法想像。
強(qiáng)核力，簡稱“強(qiáng)力”。它解決的是恒星發(fā)光發(fā)熱問題。恒星由大量的氫原子和氦原子組成。由于質(zhì)子都是正電荷，質(zhì)子之間產(chǎn)生相斥的電磁力。這個(gè)力量使由單個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成的氫原子們相互遠(yuǎn)離。但由于引力作用，使恒星向內(nèi)坍縮。當(dāng)內(nèi)部壓力和溫度越來越高時(shí)，氫原子同位素之中的中子與質(zhì)子會(huì)結(jié)合在一起。這時(shí)強(qiáng)力開始發(fā)揮作用，將兩個(gè)強(qiáng)子牢牢地結(jié)合在一起。
弱核力，簡稱“弱力”。它能將原子核內(nèi)的一個(gè)中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，關(guān)系到放射性原子的衰變。有一些元素會(huì)產(chǎn)生衰變，中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子、電子和反中微子。釋放出一部分能量，產(chǎn)生放射性熱輻射。其作用原理在于，就象是一根彈簧，振動(dòng)時(shí)具有力量，停止振動(dòng)時(shí)就失去了力量。一些基本粒子壽命很短的原因，是由于其振動(dòng)狀態(tài)被弱核力抑制，弱核力的作用使粒子停止振動(dòng)，從而結(jié)束生存狀態(tài)，衰變?yōu)槠渌Ｗ?，并釋放出能量。地球?nèi)部的火山、地震等現(xiàn)象出現(xiàn)，就是因?yàn)榉派湫运プ儺a(chǎn)生的能量對(duì)地球內(nèi)部進(jìn)行加熱的結(jié)果。如果沒有弱核力，地球內(nèi)部將是一片寒冷，但也不會(huì)有火山爆發(fā)、地震災(zāi)害。
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◎至今質(zhì)子與電子之間產(chǎn)生電吸力的原理還不明了
隨著量子力學(xué)的興起，物理學(xué)家們開始了將各種力統(tǒng)一起來的努力。這就是將基本力進(jìn)行量子化，找到產(chǎn)生力的根本機(jī)制。這種努力取得了很大成果。
他們首先是在麥克斯韋電磁理論的啟發(fā)指導(dǎo)下，完成了電磁力的量子化。 R.P.費(fèi)因曼、J.S.施溫格、朝永振一郎、F.J.戴森等人在1948～1949年建立了量子電動(dòng)力學(xué)QED。他們用“重正化”的概念把發(fā)散量確切而不含混地歸入電荷與質(zhì)量的重新定義之中，從而使高階近似的理論結(jié)果都不再包含發(fā)散。
他們提出，電磁力是帶電粒子之間在電磁場中交換虛光子而發(fā)生的力。虛光子質(zhì)量為零，產(chǎn)生于真空能量起伏中。瞬間產(chǎn)生，又瞬間消失。無法用儀器探測出虛光子存在。
電磁力的力程較大，屬長程力。電磁力由電磁場傳播。電荷及其運(yùn)動(dòng)所形成的電流產(chǎn)生了電磁場，場傳出去后可以作用在遠(yuǎn)處電荷和電流上。施溫格、費(fèi)曼、朝永振一郎因成功解釋電磁力而獲得1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
費(fèi)曼發(fā)明費(fèi)曼圖，來形象展示電磁力產(chǎn)生過程。
圖11－1 費(fèi)曼圖
電荷之間交換虛光子產(chǎn)生電磁力這一科學(xué)觀點(diǎn)確實(shí)是一個(gè)天才的設(shè)想。因?yàn)樘摴庾涌床灰娒恢?，找不到蛛絲馬跡。當(dāng)初科學(xué)家們能提出虛光子來解釋電磁力，很了不起。這需要很大膽的想象力。
因?yàn)闆]有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過QED，所以我為了理解QED頗下了一番功夫。
電子與電子之間的能產(chǎn)生互斥電磁力很好理解。兩個(gè)電子之間扔光子球，一個(gè)扔，一個(gè)接。兩者之間產(chǎn)生斥力。就象在冰面上兩個(gè)運(yùn)動(dòng)員互相投擲籃球，兩人會(huì)在扔球時(shí)獲得反沖力，從而越來越遠(yuǎn)。見下圖11-2 a所示：
圖11-2 QED電磁力產(chǎn)生原理
但質(zhì)子與電子之間為何會(huì)產(chǎn)生相互吸引的電磁力呢？從QED的交換虛光子解釋中，我發(fā)現(xiàn)自相矛盾、難以自圓其說的地方。
圖11-2 b中，質(zhì)子向電子發(fā)出一個(gè)虛光子。質(zhì)子獲得向左動(dòng)量，電子獲得向右動(dòng)量。兩者相互遠(yuǎn)離，仍表現(xiàn)為斥力。
除非是以圖11-2 c中的形態(tài)，質(zhì)子向左發(fā)出虛光子。光子在空中轉(zhuǎn)彎到電子右側(cè)，撞擊到電子右側(cè)。質(zhì)子獲得向右動(dòng)量；電子獲得向左動(dòng)量，兩者相互靠近，表現(xiàn)為吸引力。
但圖11-2 c中，光子以曲線運(yùn)動(dòng)，在現(xiàn)實(shí)中不可能出現(xiàn)。光子都是以直線運(yùn)動(dòng)。
那究竟該怎么解釋質(zhì)子與電子之間的電引力？
我查了很多資料，搜了很多費(fèi)曼圖。都沒有找到合理解釋。那些科學(xué)家怎么可能把這么重要的問題給忽略掉呢？
無奈之下，我只好翻看朗道編著的著名物理學(xué)教材《量子電動(dòng)力學(xué)》。才發(fā)現(xiàn)電子與質(zhì)子之間的電磁力作用原理還沒有被發(fā)現(xiàn)。書中坦承：
“迄今為止，我們?cè)诒緯兄挥懻摬粎⒓訌?qiáng)相互作用的粒子(電子，正電子與μ子)的量子電動(dòng)力學(xué)。另外還有很多粒子是參加強(qiáng)相互作用的，它們被稱為強(qiáng)子(hadron)。這些粒子包括例如自旋1/2的質(zhì)子與中子，自旋為零的π介子，以及其它粒子。原子核由質(zhì)子和中子組成，自然也是強(qiáng)子。目前的理論還不能推導(dǎo)出一個(gè)完備的強(qiáng)子量子電動(dòng)力學(xué)。顯然，不考慮強(qiáng)得多的強(qiáng)相互作用是不可能建立一個(gè)能確定強(qiáng)子電磁相互作用的方程的。特別是，為描述量子電動(dòng)力學(xué)的相互作用就要得到強(qiáng)子流的明顯形式,而這就必須要包括強(qiáng)相互作用。因此，強(qiáng)子流只能作為一個(gè)唯象的量引進(jìn)，其結(jié)構(gòu)只能由一般的運(yùn)動(dòng)學(xué)要求來確定，而與關(guān)于相互作用動(dòng)力學(xué)的任何假設(shè)無關(guān)?！?
難怪我在網(wǎng)上搜了很久都沒有找到質(zhì)子與電子之間相互作用的費(fèi)曼圖，原來前輩們還不清楚質(zhì)子與電子之間為什么會(huì)產(chǎn)生電吸力。
QED創(chuàng)立于1948年，至今已經(jīng)70多年了。施溫格、費(fèi)曼、朝永振一郎因成功解釋電磁力而獲得1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。至今也有57年。這么漫長的時(shí)間內(nèi)，QED原來一直沒有將質(zhì)子與電子之間為什么會(huì)產(chǎn)生電吸力搞清楚。這有點(diǎn)難以置信。
也可見，要想搞清楚質(zhì)子與電子之間產(chǎn)生電吸力的原理，并不是一件簡單的事。
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◎QED的缺陷說明這個(gè)理論有問題
既然QED無法解釋質(zhì)子吸引電子這件事，我不得不對(duì)QED產(chǎn)生懷疑。如果其原理正確，怎么可能連異性相吸這個(gè)最簡單最常見的物理現(xiàn)象都給不出合理闡述呢？這是一個(gè)成功理論所應(yīng)表現(xiàn)出來的能力極限嗎？
你能想象牛頓力學(xué)公式能用于加速運(yùn)動(dòng)，卻聲稱減速運(yùn)動(dòng)已超出其有效范圍，無法給出準(zhǔn)確計(jì)算公式嗎？如果真是那樣，只能得出結(jié)論：牛頓理論并不適用于變速運(yùn)動(dòng)，它雖然能暫時(shí)用于加速運(yùn)動(dòng)，也不過是一種運(yùn)氣。當(dāng)然現(xiàn)實(shí)并非如此，牛頓公式適用于無論加速或減速運(yùn)動(dòng)。
所以我對(duì)QED的電磁力理論產(chǎn)生了懷疑。而開始致力于在QED基礎(chǔ)上建立一個(gè)新的電磁力理論。這個(gè)理論以QED提出的虛光子為基礎(chǔ)，建立“虛光子場”，對(duì)電吸力與電斥力均給出了合理解釋。這些對(duì)電磁力內(nèi)在機(jī)理的闡述與QED原有理論有區(qū)別。QED認(rèn)為電荷交換虛光子而產(chǎn)生電磁力，新理論認(rèn)為電荷的虛光子場強(qiáng)度因其它電荷的存在而發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電磁力。
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◎電荷究竟是什么？
我一直在思考：電荷究竟是什么東西？它的最大特點(diǎn)是什么？
我們天天跟電荷打交道，利用它完成了很多有用的事情。電荷是這個(gè)宇宙多姿多彩的基礎(chǔ)。我們無法想象一個(gè)沒有電荷的世界。
但電荷究竟是什么？我們卻并不知道。電子含有1單位負(fù)電荷，這些負(fù)電荷在電子內(nèi)部是以什么形式存在？沒人了解。
質(zhì)子帶正電，我們是根據(jù)什么特征而認(rèn)為它帶電呢？其實(shí)就是根據(jù)質(zhì)子對(duì)其它帶電粒子產(chǎn)生的電磁力而認(rèn)為它帶正電。而電磁力的傳播中介是虛光子。所以是因?yàn)樘摴庾訋淼囊幌盗形锢憩F(xiàn)象而使我們認(rèn)為質(zhì)子帶正電。
深入思考后，最終我得出結(jié)論：
電荷就是粒子毫不停頓發(fā)射或吸收虛光子的能力。電荷的最大特點(diǎn)就是永不停歇地發(fā)射或吸收虛光子。
粒子不帶電荷時(shí)，就不會(huì)發(fā)射或吸收虛光子。粒子一旦帶有電荷，就會(huì)不停頓地發(fā)射或吸收虛光子。粒子如果由正負(fù)分電荷組成，電荷抵消，如中子由一個(gè)+2/3上夸克、兩個(gè)－1/2下夸克組成，剛好中和為0電荷。這種情況下，粒子仍然會(huì)不停頓地發(fā)射或吸收虛光子。
質(zhì)子、電子有電荷，中子內(nèi)部帶有分電荷。所以，所有組成物質(zhì)的基本粒子都在不停地發(fā)射或吸收虛光子。
中子總電荷為0，雖然仍然在發(fā)射或吸收虛光子，但在與帶電粒子作用中，帶電粒子對(duì)中子的吸力與斥力相互抵消。這個(gè)結(jié)果與中子不帶電荷、從不發(fā)射或吸收虛光子時(shí)相同。所以在進(jìn)行電磁力計(jì)算時(shí)，可以認(rèn)為中子沒有發(fā)射或吸收虛光子。虛光子流作用到中子上時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生作用力。
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◎粒子同一位置對(duì)虛光子的發(fā)射或吸收相互等價(jià)
發(fā)射虛光子與吸收虛光子，對(duì)粒子而言，只要發(fā)射、吸收發(fā)生在粒子同一個(gè)位置，就產(chǎn)生完全相同的后果，見下圖11-3所示：
圖11-3 粒子同一位置發(fā)射、吸引虛光子，產(chǎn)生相同結(jié)果
圖11-3 a中，電子右側(cè)向右發(fā)射虛光子，根據(jù)動(dòng)量守恒原理，電子獲得向左動(dòng)量與向左的沖力，向左運(yùn)動(dòng)。
圖11-3 b中，電子右側(cè)吸收一個(gè)水平向左運(yùn)動(dòng)的虛光子，根據(jù)動(dòng)量守恒原理，電子獲得向左動(dòng)量與向左沖力。
電子右側(cè)，無論是發(fā)射還是吸收虛光子，產(chǎn)生相同的結(jié)果：獲得向左動(dòng)量與沖力。所以粒子同一位置對(duì)虛光子的發(fā)射或吸收相互等價(jià)。都獲得從這一位置到粒子中心連線方向上的動(dòng)量與沖力。
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◎虛光子場
帶電粒子每塊表面積都在不停發(fā)射或吸收虛光子。因?yàn)榘l(fā)射與吸收等效，就將帶電粒子對(duì)虛光子都表現(xiàn)為吸收。見下圖11-4 a所示。
這相當(dāng)于粒子表面每個(gè)單位面積上都受到一束虛光子流撞擊?？煞Q之為虛光子場。這與輻射壓場十分相似。兩者不同點(diǎn)是，輻射壓場中的宇壓流由微波光子組成；虛光子場由虛光子組成。
虛光子場有三種形狀，見下圖11-4 所示：
圖11-4 虛光子場的三種形狀
這三種形狀相互等價(jià)。對(duì)粒子表面產(chǎn)生相同的壓力。
虛光子場的實(shí)際情況是上圖11-4 c所示的發(fā)射吸收式，帶電粒子同時(shí)發(fā)射并吸收虛光子。不過分析這樣的場較為麻煩。所以一般選擇圖a所示向內(nèi)吸收式虛光子場，或圖11-4 b所示向外發(fā)射式虛光子場，作為虛光子場的形狀。
以向內(nèi)吸收式虛光子場來看，虛光子場與輻射壓場類似。帶電粒子被單獨(dú)放置時(shí)，其表面每塊表面積都受到一束虛光子流對(duì)心撞擊，撞擊壓力相等，相互抵消。粒子保持平衡狀態(tài)。見下圖11-5 所示：
圖11-5 虛光子場
虛光子場與虛光子流強(qiáng)度由電荷決定。粒子電荷越大，虛光子場強(qiáng)度就越大，虛光子流就越密集。撞擊到粒子表面產(chǎn)生的壓力就越大。
虛光子場與輻射壓場在形狀上相似，但撞擊對(duì)象完全不同。
輻射壓場中，宇壓流撞擊對(duì)象是粒子表面。例如，地球輻射壓場中，地球宇壓流撞擊到地表物體的粒子表面上，使物體產(chǎn)生重力。
虛光子場中，虛光子流不會(huì)撞擊粒子表面。粒子表面能攔截住微波光子與宇壓流，卻無法攔截虛光子。因?yàn)樘摴庾颖緛砭褪撬查g產(chǎn)生瞬間消失，無法被任何粒子攔截。虛光子流實(shí)際撞擊對(duì)象是電荷。
帶電粒子的電荷均勻分布在粒子表面。虛光子流的撞擊目標(biāo)就是這些電荷，或者說是粒子表面發(fā)射或吸收虛光子的能力。粒子如果在不停頓發(fā)射吸收虛光子，那么粒子才能夠攔截撞擊過來的虛光子流，承受撞擊壓力。
虛光子流撞擊到電荷后，不會(huì)被反彈形成反彈壓。這也是虛光子場與輻射壓場的重要區(qū)別。原因也很清楚：虛光子撞擊到電荷后就會(huì)被吸收，不存在反彈現(xiàn)象。
粒子只有具有電荷，本身在不斷發(fā)射吸收虛光子，才會(huì)在被虛光子流撞擊時(shí)承受壓力。粒子電荷越大，發(fā)射吸收虛光子的能力越大，在被虛光子流撞擊時(shí)承受的壓力就越大。
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◎?yàn)槭裁刺摴庾訄霾粫?huì)影響帶電粒子的質(zhì)量
虛光子場與輻射壓場在形態(tài)上很相似。尤其向內(nèi)吸收式虛光子場，與輻射壓場簡直沒有區(qū)別。輻射壓場能夠讓物體產(chǎn)生慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量，那么為什么虛光子場卻不能呢？
虛光子場之所以不能讓物體產(chǎn)生引力質(zhì)量，是因?yàn)樘摴庾又荒茏饔玫诫姾缮?，在電荷上產(chǎn)生壓力。但物體原子在電荷上都正負(fù)平衡，保持為電中性。虛光子作用到電中性原子上，產(chǎn)生的電吸力與電斥力相互抵消。所以虛光子無法讓物體產(chǎn)生引力質(zhì)量。
物體每個(gè)原子都是電中性，電荷的虛光子場都相互抵消。原子的虛光子場合并強(qiáng)度為0；所以物體也無法產(chǎn)生有效虛光子場。物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，自然也不會(huì)因?yàn)槠x虛光子流漩渦中心而導(dǎo)致加速難度上升。所以虛光子無法讓物體產(chǎn)生慣性質(zhì)量。
因?yàn)槲矬w與原子都是電中性，所以電荷所產(chǎn)生的虛光子流并不會(huì)對(duì)物體質(zhì)量產(chǎn)生影響。
單個(gè)帶電粒子并不是電中性，為什么帶電粒子的質(zhì)量也不會(huì)被虛光子場所影響呢？這由虛光子的特性決定。
虛光子瞬間產(chǎn)生又瞬間消失，不具有持續(xù)性。它的撞擊目標(biāo)是電荷，而非粒子表面。所以虛光子產(chǎn)生的力被視為電磁力，而非輻射壓力。
以電子為例，電子具有輻射壓場，對(duì)其它物體產(chǎn)生輻射壓力。電子又具有虛光子場，對(duì)其它物體產(chǎn)生電磁力。由于其它物體正負(fù)電荷平衡，為電中性。所以電磁力為0。電子的虛光子場對(duì)另一個(gè)質(zhì)子會(huì)產(chǎn)生力，但這個(gè)力被稱為電磁力。所以電子的虛光子場任何情況下都不會(huì)影響使電子通過輻射壓場吸引其它物體的能力得到提升，不會(huì)影響其引力質(zhì)量。
電子進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，虛光子場被甩開。但并不會(huì)象輻射壓場一樣在粘滯力的帶動(dòng)下去追趕電子。因?yàn)樘摴庾訅勖鼧O短，很快就消失。所以虛光子場被甩開時(shí)，這個(gè)場就消失了。電子并不會(huì)因受力不平衡而導(dǎo)致加速難度上升。電子具有電荷，有不停頓發(fā)射吸收虛光子的能力。于是緊接著電子重新產(chǎn)生虛光子場。虛光子壽命極短的特點(diǎn)，使虛光子場無法在加速中使電子受到虛光子阻力。這就是虛光子場無法影響電子慣性質(zhì)量的原因。
得出結(jié)論：虛光子場無法影響物體與帶電粒子的引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量。
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