引力定律和库仑定律的联系

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（质子和中子本身乂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，核乂由质子和中子 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。由于磁库伦定律公式：F=kQl.Q2/r2 o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

6、 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

7、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

8、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

9、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

10、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 Maricourt)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，乂描绘出很多 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

11、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

12、 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 够正确地计算出在教流导线四周的磁场。1825年，安培乂发表了安培定律。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，

13、麦可法拉笫证 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，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。他乂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

14、。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电动力学。1820年丹麦物理学家奥斯特发现在通电的导体周围存在着磁场，从而知道了电和磁相互依存的关系。由导体中电流所产生的磁场的极性和电流的流动方向有关，它服从右手法则。目前的研究，人们认为磁场的产生是这样的。 由于经典物理中至今还拒绝使用基本粒子的

15、概念来 研究磁场问题，使电磁学和电动力学都将产生磁场 的原因定义为点电荷的定向运动，并将磁铁的成因 解释为磁畴。这就是我为什么说，要将电荷理论明 确化。现代物理证明，任何物质的终极结构组成都是电子（带单位负电荷），质子（带单位正电荷）和中子（对外显示电中性）。点电 荷就是含有过剩电子（带单位负电荷）或质子（带单位正电荷）的物质点，因此 电流产生磁场的原因只能归结为运动电子产生磁场。一个静止的电子具有静止电子质量和单位负电荷，因此对外产生引力和单位 负电场力作用。当外力对静止电子加速并使之运动时，该外力不但要为电子的整 体运动提供动能，还要为运动电荷所产生的磁场提供磁能。可见，磁场是外力通 过能

16、量转换的方式在运动电子内注入的磁能物质。电流产生磁场或带负电的点电 荷产生磁场都是大量运动电子产生磁场的宏观表现。同样道理，由一个运动的带正电的点电荷所产生的磁场，是其中过剩的质子 从外力所获取的磁能物质的宏观体现。但其磁能物质乂分别依附于其中带有电荷 的夸克。传递运动电荷或电流之间相互作用的物理场，山运动电荷或电流产生，同时 对产生场中其它运动电荷或电流发生力的作用。所以磁场是物质的一种形态。磁铁与磁铁之间，通过各自产生的磁场，互相施加作用力和力矩于对方。运 动中的电荷会产生磁场。磁性物质产生的磁场可以用电荷运动模型来解释。但不 能反过来说，用磁荷运动模型来解释电场。再次强调，现有理论中是没

17、有磁荷 概念的。所以这也是我为什么说电场是磁场源泉。电场是由电荷产生的。电场与磁场有密切的关系；有时磁场会生成电场，有 时电场会生成磁场。麦克斯韦方程组可以描述电场、磁场、产生这些矢量场的电 流和电荷，这些物理量之间的详细关系。根据狭义相对论，电场和磁场是电磁场 的两面。设定两个参考系A和B,相对于参考系A,参考系B以有限速度移动。 从参考系A观察为静止电荷产生的纯电场，在参考系B观察则成为移动中的电 荷所产生的电场和磁场。与电场相仿，磁场是在一定空间区域内连续分布的向量场，描述磁场的基本 物理量是磁感应强度矢量B ,也可以用磁感线形象地表示。然而，作为一个矢 量场，磁场的性质与电场颇为不同。

18、运动电荷或变化电场产生的磁场，或两者之和的总磁场，都是无源有旋的矢 量场，磁力线是闭合的曲线簇，不中断，不交叉。换言之，在磁场中不存在发出 磁力线的源头，也不存在会聚磁力线的尾闾，磁力线闭合表明沿磁力线的环路积 分不为零，即磁场是有旋场而不是势场（保守场），不存在类似于电势那样的标 量函数。这个概念介绍，其实上面已经有了。我觉得这更加可以说明在电磁学理 论中，电场和电荷理论的内容占比，要多于磁场。上面提到了磁畴，磁畴理论是具体解释物体为什么具有磁性的。磁畴理论是 用量子理论从微观上说明铁磁质的磁化机理。所谓磁畴，是指铁磁体材料在自发 磁化的过程中为降低静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域，

19、每个区域 内部包含大量原子，这些原子的磁矩都像一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻 的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。 宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵 消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是 说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才 能对外显示出磁性。也可以这样理解，分子或原子是构成物质材料的基元，基元中电子绕着原子 核的运转形成了电流,该电流产生的磁场，使每个基元都相当于一个微小的磁体, 由大量基元组成一个集团结构，集团中所有基元产生的磁场都同方向整齐排列，

20、这样的集团叫做磁畴。在居里温度以下，在大块铁磁性或亚铁磁性（见铁氧体） 单晶体（或多晶体中的晶粒）中，形成很多小区域，每个区域内的原子磁矩沿 特定的方向排列，呈现均匀的自发磁化。但是在不同的区域内，磁矩的方向不同, 使得晶体总的磁化强度为零。在铁磁性物质内部，由于原子的磁矩不等于零，每一个原子的表现就好似微 小的永久磁铁。假设聚集于一个小区域的原子，其磁矩都均匀地同向平行排列， 则称这小区域为磁畴或外斯畴。使用磁力显微镜，可以观测到磁畴。磁畴的种类分为：a）单独磁畴。b）两个异向磁畴。c）多个磁畴，最小能 量态。磁畴所生成的磁场以带箭头细曲线表示。磁化强度以带箭头粗直线表示。磁畴的形状、尺寸、

21、磁畴壁的厚度由交换能、退磁场能、磁晶各向异性能及 磁弹性能来决定。平衡状态的磁畴结构，应具有最小的能量。在居里温度以下，铁磁或亚铁磁材料内部存在很多具有各自的自发磁矩且磁 矩成对的小区域。这些小区域排列的方向紊乱，宏观上这些小区域的集合体在外 界表现出整体磁矩为零，不显磁性的现象。这些小区域即称为磁畴。当有外磁场作用时.，磁畴内一些磁矩转向外磁场方向，使得与外磁场方向接 近一致的总磁矩得到增加，这类磁畴得到成长，而其他磁畴变小，结果是磁化强 度增高。随着外磁场强度的进一步增高，磁化强度增大，但即使磁畴内的磁矩取 向一致，成了单一磁畴区，其磁化方向与外磁场方向也不完全一致。只有当外磁 场强度增加

22、到一定程度时，所有磁畴中磁矩的磁化方向才能全部与外磁场方向取 向完全一致。此时，铁磁体就达到磁饱和状态，即成饱和磁化。一旦达到饱和磁 化后，即使磁场减小到零，磁矩也不会回到零，残留下一些磁化效应。这种残留 磁化值称为残余磁感应强度（以符号Br表示）。饱和磁化值称为饱和磁感应强度 （Bs）o若加上反向磁场，使剩余磁感应强度回到零，则此时的磁场强度称为矫 顽磁场强度或矫顽力（He）。从物质的原子结构观点来看，铁磁质内电子间因自旋引起的相互作用是非常 强烈的，在这种作用下，铁磁质内部形成了一些微小的自发磁化区域，叫做磁畴。 每一个磁畴中，各个电子的自旋磁矩排列的很整齐，因此它具有很强的磁性。磁 畴的

23、体积约为10"2m3109m3,内含约10,7102°个原子。在没有外磁场时，铁 磁质内各个磁畴的排列方向是无序的，所以铁磁质对外不显磁性。当铁磁质处于 外磁场中时，各个磁畴的磁矩在外磁场的作用下都趋向于沿外磁场中的磁化程度 非常大，它所建立的附加磁场强度B，比外磁场的磁场强度B在数值上一般要大 几十倍到数千倍，甚至达数万倍。从实验中我们得知，铁磁质的磁化和温度有关。随着温度的升高，它的磁化 能力逐渐减小，当温度升高到某一温度时，铁磁性就完全消失，铁磁质退化成顺成了电动机电流，绕组将加速转动，结果感应电流进一步加强，转动进一步加速。 如此循环，这个机器既是发电机，可输出越来

24、越大的电能，乂是电动机，可以对 外做功，而不花任何代价（除使转子最初的一动而外），这显然是破坏能量守恒 定律的永动机。楞次定律指出这是不可能的，发电机转子上的感应电流的方向应 与转子作同样运动的电机电流的方向相反。流的过程必须遵守能量守恒定律。综上所述，楞次定律的任何表述，都是与能量守恒定律相一致的。概括各种 表述“感应电流的效果总是反抗产生感应电流的原因”，其实质就是产生感应电要正确全面地理解“楞次定律” 必须从“阻碍”二字上下功夫，这里 起阻碍作用的是“感应电流的磁场”, 它阻碍“原磁通量的变化:正如勒夏特列原理是化学领域 的惯性定理，楞次定律正是电磁领域 的惯性定理。勒夏特列原理、牛顿第

25、 一定律、楞次定律在本质上一样的， 同属惯性定律。各位，到了这里，就可以做总结 认识了。首先是引力和惯性。引力是一种时空性质，即时空引力场作用产生的。与惯性的关系就是，引力是惯性的源 泉。电力和磁力，或者说电场和磁场的关系。也有这样的一面。电场是电荷及变 化磁场周围空间里存在的一种特殊物质。电场和磁场的关系是互为源泉，但电场 更为根本。或者说电场是主动的，磁场是被动的。因为没有电荷，一起电磁现象 就不存在。而惯性定律和楞次定律，乂惊人的相似。正是这样的原因，才构成了 物理世界的广泛对称和守恒。所以对于惯性的认识理论，也同样适合楞次定律。如下内容。正确的理解要把握3个点。1、楞次定律作用的速度是

26、光速。【惯性作用也是光速。】2、楞次定律是电磁感应相互作川的性质。【惯性是引力场的性质。】3、楞次定律和参考系选择无关。【惯性也与参考系选择无关。】所以以电荷为基础的电磁学理论，和引力理论是一种“同相理论”。据此， 电磁场产生电磁波，且任何物体都向外辐射能量。那么引力场，就自然可以推理 出引力波的存在。同样电磁波是由光子组成的。那么想当然的推理，就可以有引 力波，由引力子组成。至于为何现在没有探测到引力子，还是技术问题。电磁理论和引力理论是一种“同相理论”，是说这种相似性，都来源于物体 的本源粒子，即物质性或者能量性质。都是长程力°但仔细去体味这两个理论， 同样是长程力却还是有区别的。电磁理论无论是电或者磁，他们的相互作用是需要条件的。看看库伦定律， 楞次定律，电磁感应定律，安培守则，右手法则，毕奥-萨伐定律等等关于电磁 学的理论，其实都是限制条件。而引力就不同了，没有这些限制。所以从这个角 度讲，引力是更加全域性的理论。而电磁理论是引力这种全域性框架下的“半全 域性