萬有引力定律與庫侖定律為什么如此相似?它們之間有何本質(zhì)聯(lián)系？

馬海飛

(http://blog.sina.com.cn/gfis2010年9月10日)

首先讓我們來看一下萬有引力定律和庫侖定律是什么。

1、牛頓萬有引力定律：

任意兩個質(zhì)點(diǎn)通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的大小與它們的質(zhì)量乘積成正比，與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學(xué)本質(zhì)或物理狀態(tài)以及中介物質(zhì)無關(guān)。公式為：F=G･m･M/r²。其中F是兩個質(zhì)點(diǎn)之間的萬有引力，m和M分別是兩個質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，r是兩個質(zhì)點(diǎn)之間的距離，G是引力常數(shù)。G=6.67×10^-11牛･米²/公斤²。

2、庫侖定律：

真空中兩個靜止的點(diǎn)電荷之間的作用力與這兩個電荷所帶電量的乘積成正比，和它們距離的平方成反比，作用力的方向沿著這兩個點(diǎn)電荷的連線,同性電荷相斥，異性電荷相吸。其計算公式為：F=k_e･q･Q/r²。其中F是兩個點(diǎn)電荷之間的靜電力，q和Q分別是兩個點(diǎn)電荷的電量，r是兩個點(diǎn)電荷之間的距離，k_e是庫倫常數(shù)。k_e=9×10⁹牛･米²/庫²。

比較這兩個定律，我們會發(fā)現(xiàn)它們之間有著驚人地相似之處。尤其是它們的計算公式，在形式上幾乎是完全一樣。就連它們常數(shù)的單位，在形式上也幾乎完全一樣。這種相似性引起人們極大的興趣。因此就很自然地會問：為什么萬有引力定律與庫侖定律力如此相似？不僅如此，實(shí)際上已經(jīng)有很多人在沒有弄清楚這個問題之前就以這種相似性為依據(jù)，把它們聯(lián)系起來解釋自然現(xiàn)象了。例如一些人試圖使用庫侖力或從“電”的角度來解釋萬有引力的本質(zhì)和起源等。因此，這里又涉及到了另外一個重要問題，就是：萬有引力與庫侖力之間到底有沒有本質(zhì)上的聯(lián)系？這些都是非常重要和基礎(chǔ)的物理學(xué)問題。必須盡早得到解決。

現(xiàn)在讓我們先看一下第一個問題：萬有引力定律與庫侖定律為什么如此相似？以往，人們把萬有引力作為質(zhì)點(diǎn)間的相互吸引作用來研究，當(dāng)然就很難理解萬有引力的本質(zhì)。不知道其本質(zhì)，就無法正確地找出與庫侖定律相似的原因。其實(shí)，二者相似的根本原因是它們都遵循“平方反比定律”。這是關(guān)鍵所在。平方反比定律反映的是球形場特性^[1，2]。所有的球形場都遵循平方反比定律。例如光的傳播方式也是一個球形場，因此光的強(qiáng)度也遵循平方反比定律。引力定律與庫侖定律都遵循平方反比定律，就說明引力和靜電力都與球形場有關(guān)。在我之前關(guān)于引力定律與庫侖定律的文章中對這方面有所解釋^[3]，并指出：“引力與靜電力是物質(zhì)以相同的方式對各自不同物理特性的不同表現(xiàn)。雖然表達(dá)出來的內(nèi)容不同，但表達(dá)方式完全一樣?！鼻蛐螆鼍褪窃斐扇f有引力定律與庫侖定律如此相似的根本原因。它們都是“點(diǎn)”與“場”之間的直接相互作用，而不是“點(diǎn)”與“點(diǎn)”之間的直接相互作用。實(shí)際上，“萬有引力”并不是“質(zhì)點(diǎn)之間的相互吸引力”^[4]。因此把牛頓的“引力”改稱為沒有吸引概念的“重力”更為準(zhǔn)確^[5]。

那么，重力與庫侖力之間有本質(zhì)上的聯(lián)系嗎？解答這個問題就必須從這兩個定律之間的不同之處著手。如果我們只看它們之間表面上的相同之處，不看它們本質(zhì)的不同之處，就象我們比較鯨魚和鯊魚的外觀，很難看出“鯨魚”根本就不是“魚”一樣。萬有引力定律與庫侖定律在表面上非常相似，但是在本質(zhì)上卻完全不同。首先，萬有引力的一個關(guān)鍵性質(zhì)是它的“萬有性”。只要是有質(zhì)量的東西就具有這種性質(zhì)。因此，萬有引力（重力）來自物質(zhì)的基本屬性，而不是物體的構(gòu)成成分所表現(xiàn)出來的物理特性。但是，庫侖力（靜電力）卻不具備萬有性。一些具有質(zhì)量的東西卻并不一定有靜電力。例如中子就不帶電。我們在周圍環(huán)境中見到的很多物體也不表現(xiàn)出靜電的引力或斥力。“電”不是物質(zhì)基本屬性的產(chǎn)物，而是一種物理特性的產(chǎn)物。因此，靜電力的產(chǎn)生是有特定條件的。也正是如此，靜電力是可以產(chǎn)生和消除的。而重力卻是不可產(chǎn)生和消除的。另外的一個不同就是，重力只有一個方向，而電力有正負(fù)兩個方向。還有一個更重要的也是本質(zhì)上的不同之處：重力不是“物體之間的相互吸引作用”，而靜電異性電荷之間的靜電力卻是“電荷之間的相互吸引作用”。也就是說，重力不是維持物質(zhì)的任何基本結(jié)構(gòu)所需要的力，而靜電力則是一種維持物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)所必須的力。從這些不同我們可以得到的結(jié)論是：重力是比靜電力更加原始的力。重力不可能在“電”的基礎(chǔ)上產(chǎn)生出來。而且，從力的本質(zhì)上來說，重力與靜電力是本質(zhì)上完全不同的力。重力是物質(zhì)的物理現(xiàn)象導(dǎo)致的結(jié)果，而靜電力是一個導(dǎo)致物理現(xiàn)象的原因。在因果關(guān)系上它們完全相反。因此，萬有引力定律與庫侖定律之間雖然具有表面形式上的相似性，但是，重力和庫侖力之間沒有任何本質(zhì)上的直接聯(lián)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100gedn.html

[2]http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100l3bx.html

[3]http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100gdm4.html

[4]http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100l0uw.html

[5]http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100jbq7.html

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