庫(kù)侖定律公式中是否也隱藏了什么秘密？

馬海飛

(http://blog.sina.com.cn/gfis2012年3月5日)

在尋找重力起源的研究中，筆者發(fā)現(xiàn)，牛頓的重力公式中存在很多非常重要的秘密。通過(guò)對(duì)這些秘密的揭示，重力的起源就自然地清楚了。這個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單地描述如下：

1.牛頓重力公式為：F=GmM/r²。其中F是重力，G是重力常數(shù)，m和M分別是兩個(gè)物體的質(zhì)量，r是這兩個(gè)物體質(zhì)心之間的距離。

2.牛頓重力公式可以變換成為： F=GmM/r²=4πGmM/4πr²。如果讓G_m=4πG，D=M/4πr²，那么重力公式就變成了：F=G_mmD。這個(gè)公式告訴我們：重力是由一個(gè)物體的質(zhì)量m和另一個(gè)物體的質(zhì)量場(chǎng)密度D決定的。而質(zhì)量和質(zhì)量場(chǎng)都是物質(zhì)的基本屬性。因此可以說(shuō)，重力起源于物質(zhì)的基本屬性。

眾所周知，庫(kù)侖定律公式與牛頓的重力公式在形式上極為相似。因此，不禁就會(huì)讓人想到，如果使用類似的推導(dǎo)方法是否也可以從庫(kù)侖定律公式中發(fā)現(xiàn)一些重要的秘密呢？對(duì)這些秘密的揭示會(huì)給我們帶來(lái)什么樣的結(jié)果呢？這就是本研究想要解決的問(wèn)題。

使用同樣的方法可以對(duì)庫(kù)侖定律公式進(jìn)行如下推導(dǎo)：

1.庫(kù)侖定律公式為：F=k_eqQ/r²。其中F為庫(kù)侖力（靜電力），k_e是庫(kù)侖常數(shù)，q與Q分別是兩個(gè)點(diǎn)電荷的電量，r是這兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的距離。

2.庫(kù)侖定律公式可以變換成為：F=k_eqQ/r²=4πk_eqQ/4πr²。因?yàn)橐阎?i>k_e=1/4πε₀（ε₀是真空電容率），所以，4πk_e=4π/4πε₀=1/ε₀。如果讓k_q=4πk_e=1/ε₀，那么庫(kù)侖定律公式就可以寫成：F=k_qqQ/4πr²。如果讓D_q=Q/4πr²，那么庫(kù)侖定律公式就成了：F=k_qqD_q。這又是一個(gè)與重力計(jì)算公式F=G_mmD形式完全相同的公式。因此，F(xiàn)=k_qqD_q告訴我們，庫(kù)侖力是由一個(gè)點(diǎn)電荷的電量q和另一個(gè)點(diǎn)電荷的靜電場(chǎng)密度D_q決定的。

3.我們還知道，在真空條件下靜電場(chǎng)中p點(diǎn)上場(chǎng)強(qiáng)純量的計(jì)算公式為：E(P)=(1/4πε₀)(Q/r²)=(1/ε₀)(Q/4πr²)。其中(1/ε₀)是一個(gè)常數(shù)（k_q），(Q/4πr²)是電量Q在球形面積（4πr²)上的分布密度（靜電場(chǎng)密度：D_q）。所以靜電場(chǎng)強(qiáng)度可以寫成：E（P)=k_qD_q。

從上述推導(dǎo)結(jié)果中我們可以得出以下結(jié)論：

1.庫(kù)侖定律公式中的距離平方反比來(lái)自球形面積計(jì)算公式4πr²中的r²：D_q=Q/4πr²。

2.只要有電荷存在就有靜電場(chǎng)存在，電場(chǎng)的存在與否是客觀的，與是否引入試探點(diǎn)電荷無(wú)關(guān)。因此也就與是否有靜電力的存在無(wú)關(guān)。靜電場(chǎng)強(qiáng)度是由靜電場(chǎng)密度決定的，E（P)=k_qD_q，不是由靜電力F決定的。靜電場(chǎng)強(qiáng)度直接反映的就是靜電場(chǎng)密度。

3.靜電力F與靜電場(chǎng)之間的因果關(guān)系十分明確：先有靜電場(chǎng)存在，后有靜電力出現(xiàn)。靜電場(chǎng)的強(qiáng)度E(P)是一個(gè)決定靜電力大小的因素：F=E(P)q=(k_qD_q)q。而靜電場(chǎng)強(qiáng)度是由靜電場(chǎng)密度D_q決定的：E(P)=k_qD_q。靜電場(chǎng)密度D_q是由點(diǎn)電荷的電量Q與到達(dá)這個(gè)電荷的距離r決定的：D_q=Q/4πr²。所以，整個(gè)過(guò)程是：先有電荷，再有電場(chǎng)，最后當(dāng)同時(shí)有兩個(gè)電荷存在的時(shí)候才有靜電力出現(xiàn)。顯然，靜電場(chǎng)不是由靜電力構(gòu)成的。

4.因此，靜電作用并不是通過(guò)力線實(shí)現(xiàn)的，而是通過(guò)場(chǎng)之間的作用完成的。決定靜電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)的唯一因素是靜電場(chǎng)密度D_q=Q/4πr²，而不是靜電力的大小。

5.因?yàn)殪o電力是靜電場(chǎng)的結(jié)果，而不是原因，所以，靜電力不是一種導(dǎo)致物體運(yùn)動(dòng)的作用力，而是一種由場(chǎng)的作用而導(dǎo)致的物體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生出來(lái)的力。

以上結(jié)論的重要意義主要可以反映在以下幾方面：

1.靜電力不是作用力的結(jié)論讓我們不得不重新考慮什么是“力”的問(wèn)題。顯然，力有兩種本質(zhì)不同的形式：一種力是讓物質(zhì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原因，另一種力是由場(chǎng)的作用而導(dǎo)致的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生出來(lái)的結(jié)果。它們與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)之間在因果關(guān)系上截然相反。為了區(qū)別這兩種本質(zhì)不同的力，我們可以把前者稱為“作用力”，后者稱為“場(chǎng)力”。顯然，重力和靜電力都是場(chǎng)力，而不是作用力。然而，至今為止，在物理學(xué)理論研究中對(duì)力的概念一直都模糊不清，分不清作用力與場(chǎng)力之間的不同，因而導(dǎo)致了很大的混亂。由此可見(jiàn)，區(qū)分作用力與場(chǎng)力之間的不同對(duì)正確理解物理現(xiàn)象以及對(duì)物理學(xué)理論研究的健康發(fā)展都具有重大意義。

2.以往人們無(wú)法理解庫(kù)侖定律公式中距離平方反比的問(wèn)題，主要原因是沒(méi)有認(rèn)清作用力與場(chǎng)力之間的不同。平方反比定律所反映的是場(chǎng)力特有的一個(gè)性質(zhì)：物質(zhì)以靜止的點(diǎn)為中心所形成的場(chǎng)一定是一個(gè)完美的球形。而球形面積的計(jì)算公式為：A=4πr²。由物質(zhì)的某種屬性所形成的物理場(chǎng)是主體物質(zhì)的屬性在它周圍空間范圍內(nèi)的外延。因此，隨著外延距離r的增加，該性質(zhì)的影響范圍與球形面積同步增加，但對(duì)球面上每一個(gè)點(diǎn)的影響強(qiáng)度則與球形面積的增加成反比形式減弱。因此而出現(xiàn)了場(chǎng)力的大小與距離平方成反比的關(guān)系。理解這個(gè)關(guān)系對(duì)理解場(chǎng)力的產(chǎn)生機(jī)制具有非常重要的意義。

3.牛頓建立了三大運(yùn)動(dòng)定律和一個(gè)萬(wàn)有引力定律。雖然運(yùn)動(dòng)定律與引力定律之間在數(shù)學(xué)關(guān)系上有聯(lián)系，但是，引力定律始終被孤立于三大運(yùn)動(dòng)定律之外。這到底是為什么呢？現(xiàn)在這個(gè)原因可以得到解釋了。很明顯，三大運(yùn)動(dòng)定律所描述的是作用力，而引力定律所描述的是場(chǎng)力。因?yàn)樗鼈兪潜举|(zhì)不同的力，所以無(wú)法用同一種方法對(duì)待。作用力的公式是F=ma。作用力的大小不僅與距離平方反比沒(méi)有任何無(wú)關(guān)，甚至與距離都沒(méi)有關(guān)系。然而，場(chǎng)力卻不同，它與距離直接相關(guān)。

4.在此之前，人們?cè)诿枋鰣?chǎng)力的時(shí)候（無(wú)論是重力還是靜電力），一直都在使用著“力線”的概念。這顯然是用作用力的思維模式來(lái)解釋場(chǎng)力的做法。我們知道，從一口井中提上一桶水的時(shí)候，并不會(huì)因?yàn)橛脙筛蚋喔木K就可以改變提升同一桶水的合力大小。同樣，井繩長(zhǎng)度的改變也不會(huì)影響作用力的大小。所以，針對(duì)同一個(gè)物體而言，在作用力中，力線的多少以及長(zhǎng)短都沒(méi)有意義。因此，用力線來(lái)解釋重力和靜電力是毫無(wú)道理的。所謂的“重力場(chǎng)”和“靜電場(chǎng)”根本就不是力線構(gòu)成的。上述推導(dǎo)結(jié)果證明，這些場(chǎng)的形成完全不需要力的存在，何來(lái)的力線？因此，認(rèn)清作用力與場(chǎng)力之間的不同對(duì)理解重力場(chǎng)和靜電場(chǎng)的本質(zhì)具有重要意義。

5.自從牛頓時(shí)代以后，人們開(kāi)始并逐漸習(xí)慣了用作用力（F=ma）的思維模式來(lái)解釋所有的力學(xué)現(xiàn)象，并形成了成熟的經(jīng)典力學(xué)。現(xiàn)代力學(xué)則是建立在電磁學(xué)的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的。而電磁學(xué)的研究開(kāi)始于牛頓時(shí)代之后。電磁現(xiàn)象與“場(chǎng)”之間有著非常密切的關(guān)系。如果說(shuō)經(jīng)典力學(xué)主要是以“質(zhì)點(diǎn)”為對(duì)象來(lái)研究物理現(xiàn)象的話，那么，現(xiàn)代力學(xué)就是主要以“場(chǎng)”為對(duì)象的研究。因此，現(xiàn)代物理學(xué)理論的主要研究對(duì)象已經(jīng)從牛頓時(shí)代的“質(zhì)點(diǎn)”轉(zhuǎn)向了各種“場(chǎng)”。遺憾的是，雖然研究對(duì)象改變了，但是人們的思維模式卻沒(méi)有改變，仍然使用作用力的思路來(lái)研究場(chǎng)力。因此，總是認(rèn)為所有力學(xué)現(xiàn)象的產(chǎn)生原因都一定是力，而從沒(méi)想過(guò)自然界中還有“場(chǎng)力”這種實(shí)際上并不是原因，而是一個(gè)結(jié)果的力存在的問(wèn)題。用“力線”來(lái)解釋場(chǎng)力的做法就是一個(gè)典型的例子。由于場(chǎng)力與作用力之間在與運(yùn)動(dòng)的因果關(guān)系上正好相反，所以用作用力的研究模式去解決場(chǎng)力問(wèn)題的做法根本就是錯(cuò)誤的。目前物理學(xué)理論研究中所出現(xiàn)的很多重大基本問(wèn)題都是因?yàn)榘褕?chǎng)力當(dāng)成了作用力所造成的。本研究的結(jié)果告訴我們，這種思維模式必須要改變了。

6.統(tǒng)一四種基本力的問(wèn)題一直困擾著物理學(xué)家們。認(rèn)識(shí)到作用力與場(chǎng)力之間的不同，我們就可以重新思考這個(gè)問(wèn)題了。從場(chǎng)力上去研究物理學(xué)的四種基本力可能就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們都是場(chǎng)力而不是作用力。所以，準(zhǔn)確地說(shuō)，把四種基本力叫做“相互作用力”是錯(cuò)誤的。它們并不是粒子之間的四種相互作用，而是場(chǎng)之間的相互作用。粒子之間測(cè)到的力并不是相互作用力，而是場(chǎng)力。另外，從電荷與質(zhì)量之間存在的固定比率關(guān)系（荷質(zhì)比）上不難理解為什么重力在粒子水平的作用可以忽略不計(jì)。所以，只有用場(chǎng)力的思維模式才有可能最終解決四種基本力的問(wèn)題。

7.無(wú)論是在重力現(xiàn)象還在靜電現(xiàn)象中，都離不開(kāi)主體物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)以及與其不可分割的場(chǎng)的存在。在重力現(xiàn)象中，物質(zhì)的質(zhì)量作為物質(zhì)的內(nèi)在屬性表現(xiàn)為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，與質(zhì)量形影不離的質(zhì)量場(chǎng)作為物質(zhì)的外在（空間外延）屬性表現(xiàn)為一個(gè)場(chǎng)。同樣，在靜電現(xiàn)象中，點(diǎn)電荷的電量作為電荷的內(nèi)在屬性表現(xiàn)為一個(gè)（質(zhì)）點(diǎn)，與電量形影不離的靜電場(chǎng)作為電荷的外在屬性表現(xiàn)為一個(gè)場(chǎng)。這些都說(shuō)明：質(zhì)點(diǎn)與場(chǎng)是一個(gè)統(tǒng)一體，質(zhì)點(diǎn)總是伴隨著一個(gè)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)。質(zhì)點(diǎn)與場(chǎng)合在一起才是一個(gè)完整的統(tǒng)一體。認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)可能對(duì)物理學(xué)的大統(tǒng)一理論產(chǎn)生至關(guān)重要的意義。至今為止，人們都是把質(zhì)點(diǎn)與場(chǎng)分開(kāi)、相互獨(dú)立對(duì)待和研究的。經(jīng)典力學(xué)把“質(zhì)點(diǎn)”作為主要研究對(duì)象，現(xiàn)代力學(xué)把“場(chǎng)”作為主要研究對(duì)象。在研究質(zhì)點(diǎn)的時(shí)候不考慮場(chǎng)的作用，在研究場(chǎng)的時(shí)候并不考慮場(chǎng)與質(zhì)點(diǎn)之間的統(tǒng)一關(guān)系。其實(shí)，質(zhì)點(diǎn)與場(chǎng)本來(lái)是一個(gè)完整的而且是不可分割的統(tǒng)一體。所以，現(xiàn)代力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)實(shí)際上就是對(duì)同一個(gè)事物的“陰陽(yáng)”兩個(gè)不同方面所進(jìn)行的（片面）研究。因?yàn)闆](méi)有認(rèn)識(shí)到質(zhì)點(diǎn)與場(chǎng)之間的統(tǒng)一關(guān)系，所以在經(jīng)典力學(xué)與現(xiàn)代力學(xué)理論之間產(chǎn)生了很多問(wèn)題。因此，要想統(tǒng)一物理學(xué)理論，首先要統(tǒng)一經(jīng)典力學(xué)和現(xiàn)代力學(xué)理論。而統(tǒng)一這兩個(gè)理論的前提就是先要把物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)與場(chǎng)統(tǒng)一起來(lái)。根據(jù)本人對(duì)重力和靜電力研究的結(jié)果證明，物質(zhì)本身就是質(zhì)點(diǎn)與場(chǎng)的統(tǒng)一體。質(zhì)點(diǎn)與場(chǎng)的統(tǒng)一對(duì)物理學(xué)理論的大統(tǒng)一奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從今以后，當(dāng)人們?cè)谘芯咳魏挝锢憩F(xiàn)象的時(shí)候都必須要想到：物質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)與場(chǎng)的統(tǒng)一體，質(zhì)點(diǎn)與場(chǎng)總是在同時(shí)發(fā)生著作用。

歷史證明，科學(xué)研究要想得到健康發(fā)展，就必須及時(shí)放棄錯(cuò)誤的思維模式，采用正確的思維模式。就像放棄“地心說(shuō)”，采用“日心說(shuō)”來(lái)研究太陽(yáng)系一樣?，F(xiàn)在，對(duì)庫(kù)侖定律公式和牛頓引力公式的分析得到的結(jié)果都證明，場(chǎng)力與場(chǎng)之間的因果關(guān)系是：場(chǎng)為因，力為果。因此，從現(xiàn)在起就一定要放棄“力（線）構(gòu)成場(chǎng)”（力是因，場(chǎng)是果）的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。否則就無(wú)法正確理解物理現(xiàn)象。而轉(zhuǎn)變思維模式的有效做法就是從物理機(jī)制上認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象。只要認(rèn)真研究物理機(jī)制，就不難理解重力和靜電力都是場(chǎng)力，而不是作用力了。區(qū)分“作用力”與“場(chǎng)力”之間的不同對(duì)物理學(xué)理論研究來(lái)說(shuō)具有至關(guān)重要的意義。

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