电磁力原理

作者：陈少华

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◎四种基本力

物理学家们已经归纳出大自然中的四种基本力：引力、电磁力、强核力、弱核力。

引力决定了宇宙天体之间的运动，使行星围绕着恒星旋转、卫星围绕着行星旋转。引力让我们能生活在地球上，而不是被甩向外层太空中。

电磁力解释的是人们日常生活中各种现象。用手掌去拍打桌子，手掌不会穿桌而过。原因就是电子之间的电磁斥力，电子必须依照泡利不相容原理，两个电子不能具有完全相同的参数属性。照明供电等一切跟电力有关的事情，也由电磁力决定。麦克斯韦总结出的电磁现象，变化磁场中的线圈产生电流。电流产生磁场，变化的磁场产生电场，从而产生新的电流。电磁力的作用太大了，没有电磁力，世界将跟原始社会一样，无法想像。

强核力，简称“强力”。它解决的是恒星发光发热问题。恒星由大量的氢原子和氦原子组成。由于质子都是正电荷，质子之间产生相斥的电磁力。这个力量使由单个质子和一个电子组成的氢原子们相互远离。但由于引力作用，使恒星向内坍缩。当内部压力和温度越来越高时，氢原子同位素之中的中子与质子会结合在一起。这时强力开始发挥作用，将两个强子牢牢地结合在一起。

弱核力，简称“弱力”。它能将原子核内的一个中子转化为质子，关系到放射性原子的衰变。有一些元素会产生衰变，中子转变为质子、电子和反中微子。释放出一部分能量，产生放射性热辐射。其作用原理在于，就象是一根弹簧，振动时具有力量，停止振动时就失去了力量。一些基本粒子寿命很短的原因，是由于其振动状态被弱核力抑制，弱核力的作用使粒子停止振动，从而结束生存状态，衰变为其它粒子，并释放出能量。地球内部的火山、地震等现象出现，就是因为放射性衰变产生的能量对地球内部进行加热的结果。如果没有弱核力，地球内部将是一片寒冷，但也不会有火山爆发、地震灾害。

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◎至今质子与电子之间产生电吸力的原理还不明了

随着量子力学的兴起，物理学家们开始了将各种力统一起来的努力。这就是将基本力进行量子化，找到产生力的根本机制。这种努力取得了很大成果。

他们首先是在麦克斯韦电磁理论的启发指导下，完成了电磁力的量子化。 R.P.费因曼、J.S.施温格、朝永振一郎、F.J.戴森等人在1948～1949年建立了量子电动力学QED。他们用“重正化”的概念把发散量确切而不含混地归入电荷与质量的重新定义之中，从而使高阶近似的理论结果都不再包含发散。

他们提出，电磁力是带电粒子之间在电磁场中交换虚光子而发生的力。虚光子质量为零，产生于真空能量起伏中。瞬间产生，又瞬间消失。无法用仪器探测出虚光子存在。

电磁力的力程较大，属长程力。电磁力由电磁场传播。电荷及其运动所形成的电流产生了电磁场，场传出去后可以作用在远处电荷和电流上。施温格、费曼、朝永振一郎因成功解释电磁力而获得1965年诺贝尔物理学奖。

费曼发明费曼图，来形象展示电磁力产生过程。

图11－1 费曼图

电荷之间交换虚光子产生电磁力这一科学观点确实是一个天才的设想。因为虚光子看不见摸不着，找不到蛛丝马迹。当初科学家们能提出虚光子来解释电磁力，很了不起。这需要很大胆的想象力。

因为没有系统学习过QED，所以我为了理解QED颇下了一番功夫。

电子与电子之间的能产生互斥电磁力很好理解。两个电子之间扔光子球，一个扔，一个接。两者之间产生斥力。就象在冰面上两个运动员互相投掷篮球，两人会在扔球时获得反冲力，从而越来越远。见下图11-2 a所示：

图11-2 QED电磁力产生原理

但质子与电子之间为何会产生相互吸引的电磁力呢？从QED的交换虚光子解释中，我发现自相矛盾、难以自圆其说的地方。

图11-2 b中，质子向电子发出一个虚光子。质子获得向左动量，电子获得向右动量。两者相互远离，仍表现为斥力。

除非是以图11-2 c中的形态，质子向左发出虚光子。光子在空中转弯到电子右侧，撞击到电子右侧。质子获得向右动量；电子获得向左动量，两者相互靠近，表现为吸引力。

但图11-2 c中，光子以曲线运动，在现实中不可能出现。光子都是以直线运动。

那究竟该怎么解释质子与电子之间的电引力？

我查了很多资料，搜了很多费曼图。都没有找到合理解释。那些科学家怎么可能把这么重要的问题给忽略掉呢？

无奈之下，我只好翻看朗道编著的著名物理学教材《量子电动力学》。才发现电子与质子之间的电磁力作用原理还没有被发现。书中坦承：

“迄今为止，我们在本书中只讨论不参加强相互作用的粒子(电子，正电子与μ子)的量子电动力学。另外还有很多粒子是参加强相互作用的，它们被称为强子(hadron)。这些粒子包括例如自旋1/2的质子与中子，自旋为零的π介子，以及其它粒子。原子核由质子和中子组成，自然也是强子。目前的理论还不能推导出一个完备的强子量子电动力学。显然，不考虑强得多的强相互作用是不可能建立一个能确定强子电磁相互作用的方程的。特别是，为描述量子电动力学的相互作用就要得到强子流的明显形式,而这就必须要包括强相互作用。因此，强子流只能作为一个唯象的量引进，其结构只能由一般的运动学要求来确定，而与关于相互作用动力学的任何假设无关。”

难怪我在网上搜了很久都没有找到质子与电子之间相互作用的费曼图，原来前辈们还不清楚质子与电子之间为什么会产生电吸力。

QED创立于1948年，至今已经70多年了。施温格、费曼、朝永振一郎因成功解释电磁力而获得1965年诺贝尔物理学奖。至今也有57年。这么漫长的时间内，QED原来一直没有将质子与电子之间为什么会产生电吸力搞清楚。这有点难以置信。

也可见，要想搞清楚质子与电子之间产生电吸力的原理，并不是一件简单的事。

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◎QED的缺陷说明这个理论有问题

既然QED无法解释质子吸引电子这件事，我不得不对QED产生怀疑。如果其原理正确，怎么可能连异性相吸这个最简单最常见的物理现象都给不出合理阐述呢？这是一个成功理论所应表现出来的能力极限吗？

你能想象牛顿力学公式能用于加速运动，却声称减速运动已超出其有效范围，无法给出准确计算公式吗？如果真是那样，只能得出结论：牛顿理论并不适用于变速运动，它虽然能暂时用于加速运动，也不过是一种运气。当然现实并非如此，牛顿公式适用于无论加速或减速运动。

所以我对QED的电磁力理论产生了怀疑。而开始致力于在QED基础上建立一个新的电磁力理论。这个理论以QED提出的虚光子为基础，建立“虚光子场”，对电吸力与电斥力均给出了合理解释。这些对电磁力内在机理的阐述与QED原有理论有区别。QED认为电荷交换虚光子而产生电磁力，新理论认为电荷的虚光子场强度因其它电荷的存在而发生变化，从而产生电磁力。

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◎电荷究竟是什么？

我一直在思考：电荷究竟是什么东西？它的最大特点是什么？

我们天天跟电荷打交道，利用它完成了很多有用的事情。电荷是这个宇宙多姿多彩的基础。我们无法想象一个没有电荷的世界。

但电荷究竟是什么？我们却并不知道。电子含有1单位负电荷，这些负电荷在电子内部是以什么形式存在？没人了解。

质子带正电，我们是根据什么特征而认为它带电呢？其实就是根据质子对其它带电粒子产生的电磁力而认为它带正电。而电磁力的传播中介是虚光子。所以是因为虚光子带来的一系列物理现象而使我们认为质子带正电。

深入思考后，最终我得出结论：

电荷就是粒子毫不停顿发射或吸收虚光子的能力。电荷的最大特点就是永不停歇地发射或吸收虚光子。

粒子不带电荷时，就不会发射或吸收虚光子。粒子一旦带有电荷，就会不停顿地发射或吸收虚光子。粒子如果由正负分电荷组成，电荷抵消，如中子由一个+2/3上夸克、两个－1/2下夸克组成，刚好中和为0电荷。这种情况下，粒子仍然会不停顿地发射或吸收虚光子。

质子、电子有电荷，中子内部带有分电荷。所以，所有组成物质的基本粒子都在不停地发射或吸收虚光子。

中子总电荷为0，虽然仍然在发射或吸收虚光子，但在与带电粒子作用中，带电粒子对中子的吸力与斥力相互抵消。这个结果与中子不带电荷、从不发射或吸收虚光子时相同。所以在进行电磁力计算时，可以认为中子没有发射或吸收虚光子。虚光子流作用到中子上时，不会产生作用力。

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◎粒子同一位置对虚光子的发射或吸收相互等价

发射虚光子与吸收虚光子，对粒子而言，只要发射、吸收发生在粒子同一个位置，就产生完全相同的后果，见下图11-3所示：

图11-3 粒子同一位置发射、吸引虚光子，产生相同结果

图11-3 a中，电子右侧向右发射虚光子，根据动量守恒原理，电子获得向左动量与向左的冲力，向左运动。

图11-3 b中，电子右侧吸收一个水平向左运动的虚光子，根据动量守恒原理，电子获得向左动量与向左冲力。

电子右侧，无论是发射还是吸收虚光子，产生相同的结果：获得向左动量与冲力。所以粒子同一位置对虚光子的发射或吸收相互等价。都获得从这一位置到粒子中心连线方向上的动量与冲力。

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◎虚光子场

带电粒子每块表面积都在不停发射或吸收虚光子。因为发射与吸收等效，就将带电粒子对虚光子都表现为吸收。见下图11-4 a所示。

这相当于粒子表面每个单位面积上都受到一束虚光子流撞击。可称之为虚光子场。这与辐射压场十分相似。两者不同点是，辐射压场中的宇压流由微波光子组成；虚光子场由虚光子组成。

虚光子场有三种形状，见下图11-4 所示：

图11-4 虚光子场的三种形状

这三种形状相互等价。对粒子表面产生相同的压力。

虚光子场的实际情况是上图11-4 c所示的发射吸收式，带电粒子同时发射并吸收虚光子。不过分析这样的场较为麻烦。所以一般选择图a所示向内吸收式虚光子场，或图11-4 b所示向外发射式虚光子场，作为虚光子场的形状。

以向内吸收式虚光子场来看，虚光子场与辐射压场类似。带电粒子被单独放置时，其表面每块表面积都受到一束虚光子流对心撞击，撞击压力相等，相互抵消。粒子保持平衡状态。见下图11-5 所示：

图11-5 虚光子场

虚光子场与虚光子流强度由电荷决定。粒子电荷越大，虚光子场强度就越大，虚光子流就越密集。撞击到粒子表面产生的压力就越大。

虚光子场与辐射压场在形状上相似，但撞击对象完全不同。

辐射压场中，宇压流撞击对象是粒子表面。例如，地球辐射压场中，地球宇压流撞击到地表物体的粒子表面上，使物体产生重力。

虚光子场中，虚光子流不会撞击粒子表面。粒子表面能拦截住微波光子与宇压流，却无法拦截虚光子。因为虚光子本来就是瞬间产生瞬间消失，无法被任何粒子拦截。虚光子流实际撞击对象是电荷。

带电粒子的电荷均匀分布在粒子表面。虚光子流的撞击目标就是这些电荷，或者说是粒子表面发射或吸收虚光子的能力。粒子如果在不停顿发射吸收虚光子，那么粒子才能够拦截撞击过来的虚光子流，承受撞击压力。

虚光子流撞击到电荷后，不会被反弹形成反弹压。这也是虚光子场与辐射压场的重要区别。原因也很清楚：虚光子撞击到电荷后就会被吸收，不存在反弹现象。

粒子只有具有电荷，本身在不断发射吸收虚光子，才会在被虚光子流撞击时承受压力。粒子电荷越大，发射吸收虚光子的能力越大，在被虚光子流撞击时承受的压力就越大。

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◎为什么虚光子场不会影响带电粒子的质量

虚光子场与辐射压场在形态上很相似。尤其向内吸收式虚光子场，与辐射压场简直没有区别。辐射压场能够让物体产生惯性质量与引力质量，那么为什么虚光子场却不能呢？

虚光子场之所以不能让物体产生引力质量，是因为虚光子只能作用到电荷上，在电荷上产生压力。但物体原子在电荷上都正负平衡，保持为电中性。虚光子作用到电中性原子上，产生的电吸力与电斥力相互抵消。所以虚光子无法让物体产生引力质量。

物体每个原子都是电中性，电荷的虚光子场都相互抵消。原子的虚光子场合并强度为0；所以物体也无法产生有效虚光子场。物体运动时，自然也不会因为偏离虚光子流漩涡中心而导致加速难度上升。所以虚光子无法让物体产生惯性质量。

因为物体与原子都是电中性，所以电荷所产生的虚光子流并不会对物体质量产生影响。

单个带电粒子并不是电中性，为什么带电粒子的质量也不会被虚光子场所影响呢？这由虚光子的特性决定。

虚光子瞬间产生又瞬间消失，不具有持续性。它的撞击目标是电荷，而非粒子表面。所以虚光子产生的力被视为电磁力，而非辐射压力。

以电子为例，电子具有辐射压场，对其它物体产生辐射压力。电子又具有虚光子场，对其它物体产生电磁力。由于其它物体正负电荷平衡，为电中性。所以电磁力为0。电子的虚光子场对另一个质子会产生力，但这个力被称为电磁力。所以电子的虚光子场任何情况下都不会影响使电子通过辐射压场吸引其它物体的能力得到提升，不会影响其引力质量。

电子进行加速运动时，虚光子场被甩开。但并不会象辐射压场一样在粘滞力的带动下去追赶电子。因为虚光子寿命极短，很快就消失。所以虚光子场被甩开时，这个场就消失了。电子并不会因受力不平衡而导致加速难度上升。电子具有电荷，有不停顿发射吸收虚光子的能力。于是紧接着电子重新产生虚光子场。虚光子寿命极短的特点，使虚光子场无法在加速中使电子受到虚光子阻力。这就是虚光子场无法影响电子惯性质量的原因。

得出结论：虚光子场无法影响物体与带电粒子的引力质量与惯性质量。