庫侖力成因的微觀解釋

庫侖力成因的微觀解釋

庫倫定律是1758年法國科學家C,-A.de庫倫由實驗得出的一個實驗定律。該定律是這樣描述的：真空中兩個靜止的點電荷之間的相互作用力，與它們的電荷量的乘積q1q2成正比，與它們的距離的二次方r2成反比，作用力的方向在它們的連線上，同名電荷相斥，異名電荷相吸。

庫侖定律的數學表達式：

其中r為兩者之間的距離；

為從q1到q2方向的矢徑；k為庫侖常數（靜電力常量）。當各個物理量都採用國際制單位時，k=9.0×109Nm2/C2 。用該公式計算時，不要把電荷的正負符號代入公式中，計算過程可用絕對值計算，可根據同名電荷相斥，異名電荷相吸來判斷力的方向。

對（1）式可以有不同的解釋。一種觀點認為電荷之間的作用是直接的超距作用，即一個電荷把作用力直接施加於另一電荷上；另一種觀點是相互作用通過場來傳遞的觀點[1]。現代的電磁理論就是基於後一種觀點發展而來的。

下面，我們對庫倫定律所研究的對象，從微觀層面進行分析。

一、靜止電荷場源的微觀分析

如圖1所示，根據庫倫定律，靜止點電荷q1對點電荷q2產生的作用力，可以根據（1）式進行計算。

圖1 庫倫定律示意圖

如圖2所示，是當初庫倫扭秤實驗的示意圖。

圖2 庫倫扭秤實驗示意圖

從圖2可以知道，當初庫倫將帶電小球看作是點電荷，由於小球相對於實驗系保持靜止狀態，所以認為小球所帶電荷也保持靜止狀態。

下面，我們將庫倫實驗中的帶電小球孤立出來進行分析討論。

如圖3所示，為帶電小球的剖面示意圖。根據同種電荷想互排斥，小球所帶電荷均分布於表層。由於小球相對實驗系保持靜止狀態，所以在宏觀上，可以近似地將小球所帶電荷看做是靜止的電荷。

圖3 帶電小球剖面示意圖

但從微觀角度思考，小球所帶電荷因為受小球物質分子（原子）的內部靜電力的作用，理論上它不可能保持絕對靜止狀態，而是動態地在一個極小的球殼空間內做無規則的運動，這個運動包括法向運動和徑向運動兩部分，如圖4所示，圖中只示意性地畫了內圈和外圈兩個位置的電荷分布。這些電荷的徑向運動，使電荷在內外分布圈間做隨機的往復運動，在宏觀上使帶電小球彷如一個跳動的心臟，電荷分布的統計面時而擴展、時而收縮。當然，這種運動在宏觀統計上相互抵消，所以，將這些電荷近似地看做靜止的，對我們宏觀測量所謂庫侖力的實驗不會產生多大的影響。

圖4 帶電小球電荷微觀動態分布示意圖

但正是因為我們對這種運動的忽略，使我們錯失了進一步發現庫侖力實質的機會。

二、庫倫力的微觀機制

現代物理學中，都承認不存在所謂的超距作用，認為電荷之間的作用力是依靠一種場的物質傳播的。並認為：場是一種特殊物質，看不見摸不著，但它確實存在。

筆者認為，現代物理學中的各種場，實際上是由宇宙中最小（或極小）的粒子構成的一種物質。這種物質隱形於宇宙中，憑藉人類現有的探測技術無法觀測它的存在，但它確實存在，不過好像穿了隱形衣一樣，所以我稱呼這種物質為：「隱物質」，稱呼構成這種物質的微粒為：「隱粒子」（具體情況，請讀者參看筆者的另一篇文章《物質分解的辯證關係》）。

所以，為了能表達筆者對庫侖力的微觀解釋，請允許我直接用「隱物質」和「隱粒子」來進行解釋。

根據前文的交代，我們已經知道微觀上，小球帶的電荷在做隨機的往復運動。這種隨機的往復運動直接作用於其周圍的隱物質，使隱粒子也隨著做有規律的隨機往復運動，隱粒子的這種往復運動在隱物質中向外傳播開來，根據電磁實驗，我們可以確認這種運動的傳播速度等於光速C。

由於目前人類還沒有對電荷的具體模型進行最終定論，所以，這種往復運動該如何用數學描述，筆者也無法做出明確的解釋。只能說：隱物質中隱粒子的這種往復運動，會對同種電荷產生排斥遠離源電荷的作用，而對異種電荷產生吸引向源電荷的作用，並且這種往復運動是一種接力傳播的運動，傳播的速度等於光速。

（註：時機成熟後，我們完全可以根據此原理來反推電荷模型及其這種運動模型）

如圖5所示，是庫侖力的微觀機制示意圖。下面，我們結合這個示意圖解釋庫侖力的的微觀作用過程。

為講解方便，我們模擬實驗步驟進行分析。

t時刻，我們給小球1帶上電量為q1的電荷，這些電荷微觀上的隨機往復運動對周圍的隱粒子產生影響，使隱粒子產生某種規律的往復運動，這種往復運動以光速C向周圍傳播。t1=t+r/C時刻，隱粒子的這種運動傳播到小球2所在位置，但由於此時小球2沒有帶電，所以小球2沒有受庫侖力的作用。t2=t+r/C+t』時刻，我們給小球2帶上電量為q2的異種電荷，此時，小球2上的電荷與周圍的隱粒子相互作用，使小球2受到一個指向小球1方向的作用力F隱→2，同時，小球2所帶電荷微觀上的隨機往復運動影響周圍的隱粒子，使隱粒子產生另一個往復運動並以光速C向周圍傳播。t3=t+r/C+t』+r/C時刻，小球2所帶電荷產生的隱粒子的往復運動傳播到小球1所在位置，小球1上的電荷受這個隱粒子的運動的作用，產生一個指向小球2的作用力F隱→1。當然，此時小球2所受的力依然存在，除非此時小球1的電荷對隱粒子的影響已經消失。

圖5 庫侖力微觀機制

三、結論與假設通過以上分析，我們可以得出以下結論：庫侖力不是電荷間的直接作用力；庫侖力的施力物體是電荷周圍的隱粒子；庫侖力不是同時發生的，存在一定的時間差△t=r/C。只是由於實驗環境下，兩個實驗用的小球之間的距離太小，時間差幾乎為零，所以實驗過程中，兩個力好像是同時作用的。再加上隱物質的不可觀測性，很容易誤認為庫侖力是電荷間的直接作用。雖然後來重新認識到庫侖力是依靠場來傳播的，也知道這種力不是超距作用的，但卻忽略了這個力產生的本質。

假如要刻意維護場及其場是一種物質的觀點，則所謂的場就是隱物質。

電勢場應該是隱粒子的某種有規律的接力傳播。或者說是隱物質的一種波動。就如水波一樣，只是這種波沒辦法以比較直觀的外形呈現於觀察者眼前。

電磁場則是隱物質第二種形式的接力傳播運動。

光則是隱物質第三種形式的接力傳播運動。

基於以上微觀解釋，我們可以將這種微觀機制推廣到萬有引力，則所謂的引力場是隱物質的第四種形式的接力傳播運動。

這樣一來，我們需要做的就是如何建立隱物質的這幾種形式運動的模型。一旦合適的模型能合理地解釋電磁現象和萬有引力現象，則這兩種力就可以被統一起來了。

庫倫力的作用過程是電荷微觀上對周圍的隱物質

引用

郭碩鴻. 電動力學 高等教育出版社， 2000. 5頁