靜電場(chǎng)中正負(fù)電荷吸引與排斥原因的探究

解家江

山東萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司 山東 濟(jì)南 271104

引言

從發(fā)現(xiàn)電荷特別是區(qū)分出正負(fù)電荷后,在對(duì)電荷的研究中物理學(xué)家對(duì)正、負(fù)電荷之間有排斥力和吸引力而質(zhì)量體之間只有吸引力感到困惑,為什么存在正、負(fù)兩種電荷,為什么同性電荷相斥、異性電荷相吸?物理學(xué)家也做了很多探索研究?，F(xiàn)代物理學(xué)提出的靜電場(chǎng)是虛光子場(chǎng)的理論,使我們對(duì)靜電場(chǎng)庫(kù)倫力的產(chǎn)生有了初步認(rèn)識(shí),但這一理論仍沒(méi)對(duì)異性電荷相吸、同性電荷相斥的原因予以清晰解答。本文嘗試通過(guò)分析電荷的虛光子場(chǎng)特性解答這一問(wèn)題。

1 電荷差異性原因分析

1.1 虛光子形成靜電場(chǎng)

先分析一般的光子。

光是電磁波,是橫波,不同頻率的光不同;同一頻率的光也不同,只要有相差就相互干涉,相位差為π時(shí),干涉使他們引起的電磁空間效果為零,而當(dāng)相位差為2π的整數(shù)倍時(shí),則他們引起的電磁空間效果增強(qiáng)。

虛光子是不可直接觀測(cè)的光子,是虛粒子之一。虛粒子的概念來(lái)源于量子場(chǎng)論里的微擾理論,虛粒子被用來(lái)描述那些無(wú)法用實(shí)粒子來(lái)描述的基本交互作用力的量子。在量子電動(dòng)力學(xué)（QED）中,由QED表述的虛光子特性在一些消失模實(shí)驗(yàn)中被觀察到,因而從物理意義上提出了一個(gè)觀點(diǎn)——消失模是虛光子。

程智通過(guò)對(duì)電荷和磁荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)以及靜磁場(chǎng)進(jìn)行分析,獲得了兩個(gè)時(shí)空中與海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理一致的公式,并獲得另一類型的波動(dòng)方程,由此得到了與已知的電磁波的性質(zhì)相同的新的電磁波,新的電磁波呈現(xiàn)一種波包的形式,具備局域性,可以看作是虛光子[1]。

虛光子和光子,兩者在一定程度上應(yīng)有內(nèi)在的一致性,如都可攜帶能量（并且,由于電荷的靜電場(chǎng)被認(rèn)為是虛光子的發(fā)射、吸收形成,而電場(chǎng)是實(shí)際存在的,從這一意義來(lái)說(shuō),虛光子不“虛”）。

現(xiàn)在分析靜電場(chǎng)中虛光子的具體景象。

靜電場(chǎng)中同性電荷相互排斥、異性電荷相互吸引,這說(shuō)明異性電荷之間與同性電荷之間產(chǎn)生的虛光子場(chǎng)中的過(guò)程是不同的。而過(guò)程的不同可以推斷完全是因過(guò)程主體——虛光子的不同引起的。

推理如下:

先假設(shè):同性電荷之間的虛光子場(chǎng)是充滿A種虛光子,異性電荷之間的虛光子場(chǎng)是充滿B種虛光子。因而會(huì)出現(xiàn)4種情形:

（1）正電荷-A-正電荷;（2）正電荷-B-負(fù)電荷

（3）負(fù)電荷-B-正電荷;（4）負(fù)電荷-A-負(fù)電荷

第（2）、第（3）種情況是無(wú)差別、相同的過(guò)程。

但在第（2）和第（3）種情形中,B種虛光子是來(lái)自正、負(fù)電荷兩種電荷的,如果認(rèn)為B為一種虛光子,那么來(lái)自正電荷的虛光子與來(lái)自負(fù)電荷的虛光子就會(huì)是一樣的,于是A與B是全同的。

然而這與我們的假設(shè)矛盾。所以:

第（2）與第（3）種情形中的虛光子場(chǎng)中虛光子不會(huì)是同一種虛光子。

因而第（1）與第（4）種情形的虛光子場(chǎng)中的虛光子不會(huì)相同。

1.2 存在兩類虛光子

鑒于以上分析,提出下面的假設(shè):

1.2.1 存在兩種虛光子,可設(shè)為一種是正相的,而另一種是反相的;

1.2.2 正、負(fù)電荷分別有不同的虛光子構(gòu)成,正電荷由正相虛光子構(gòu)成,發(fā)射吸收正相虛光子;負(fù)電荷由反相虛光子構(gòu)成,發(fā)射吸收反相虛光子。

電荷的荷電性僅僅是兩種虛光子發(fā)射、吸收的統(tǒng)計(jì)效果。

上面的假設(shè)還需要把“結(jié)構(gòu)”的概念引入電荷之中,即電荷的生成,不僅需要一定數(shù)量的虛光子,而且這些虛光子還要形成某種“穩(wěn)定”結(jié)構(gòu)。

正、負(fù)電荷發(fā)射、吸收兩種不同的虛光子,形成兩類靜電場(chǎng),一種是正相虛光子場(chǎng),一種是反相虛光子場(chǎng)。

2 靜電場(chǎng)中同性電荷相斥、異性電荷相吸的原因

2.1 單個(gè)電荷對(duì)空間的影響

使用愛(ài)因斯坦的假設(shè),把不包含電荷的自由空間想象為“極其平滑的布”。

將一個(gè)電荷放入自由空間,電荷在自由空間中通過(guò)發(fā)射、吸收虛光子形成虛光子場(chǎng),由于虛光子也攜帶能量,可以認(rèn)為虛光子會(huì)對(duì)電荷形成“虛光子壓”。設(shè)電荷停在空間的A處,根據(jù)空間各向同性,從A點(diǎn)發(fā)射及吸收的虛光子在空間各個(gè)方向是相同的,所以A點(diǎn)電荷受到的“虛光子壓”在空間各方向是相同的,因而A點(diǎn)處電荷可以穩(wěn)定的停在A點(diǎn)位置。

可以將虛光子想象為一些能量子波峰。

上面的情形表述為:A點(diǎn)電荷周圍的能量子峰密度對(duì)空間各方向是全同的,這種全同性使該電荷保持停留在A點(diǎn)位置。

但自由空間放入一個(gè)電荷后,由于虛光子場(chǎng)的存在,空間就不再是一塊“極其平滑的布”了。

2.2 兩個(gè)電荷對(duì)空間的影響

這兩個(gè)電荷既可以是同性的,也可以是異性的。

先討論一對(duì)異性電荷在空間中是怎樣的情景以及對(duì)空間的影響,同性電荷的情況通過(guò)類比就可以得到。

設(shè)有一對(duì)異性電荷分別在A、B點(diǎn),A點(diǎn)位置的電荷為正電荷,B點(diǎn)位置的電荷為負(fù)電荷,A點(diǎn)電荷形成正相虛光子場(chǎng),B點(diǎn)電荷形成反相虛光子場(chǎng),A、B點(diǎn)的電荷都在空間形成了對(duì)應(yīng)于自身的能量子（光量子）峰。但是這兩種虛光子對(duì)兩個(gè)電荷卻具有不同的意義,A點(diǎn)的正電荷形成的正相虛光子場(chǎng)對(duì)A點(diǎn)的電荷來(lái)說(shuō)是能量子波峰,對(duì)B點(diǎn)的負(fù)電荷來(lái)說(shuō)卻是能量子“波谷”;B點(diǎn)的電荷形成的反相虛光子場(chǎng)對(duì)B電荷來(lái)說(shuō)是能量子波峰,對(duì)A點(diǎn)的電荷來(lái)說(shuō)卻是能量子“波谷”。

這樣在A、B點(diǎn)的電荷的中心連線上,A點(diǎn)的電荷的虛光子產(chǎn)生的能量子峰恰好跌落在B點(diǎn)的電荷的能量子峰中（因?yàn)閷?duì)A點(diǎn)的電荷的虛光子來(lái)說(shuō)B點(diǎn)的電荷的能量子峰好恰是谷底）,B點(diǎn)的電荷的能量子峰恰好跌落在A電荷的能量子峰中（因?yàn)閷?duì)B電荷的虛光子來(lái)說(shuō)A點(diǎn)的電荷的虛光子產(chǎn)生的能量子峰也恰是谷底）

疊加的總效果,在A、B電荷的中心連線上,A電荷沒(méi)有了能量子峰,B電荷也沒(méi)有了能量子峰。在A、B電荷的中心連線上又呈現(xiàn)了象“極其平滑的布”一樣的自由空間。在A、B電荷連心線上,兩種虛光子對(duì)A、B電荷產(chǎn)生的作用效應(yīng)都為零。

A電荷從連心線上“感受”到的虛光子能量為零,B電荷從連心線上“感受”到的虛光子能量也為零,并且在連心線附近的空間,虛光子能量子密度也有所抵消而降低,因此在A、B電荷連心線及其附近空間的虛光子壓必然降低。

但對(duì)于A、B點(diǎn)的電荷來(lái)說(shuō),除連心線及其附近的空間的其它方向虛光子密度不變,因此在這些方向虛光子能量效應(yīng)不變。亦即虛光子壓作用效應(yīng)不變。

虛光子壓在垂直于A、B電荷內(nèi)側(cè)連心線方向上互相抵消。

在其他方向上虛光子壓卻產(chǎn)生出兩個(gè)“凈壓力”,從“外側(cè)”分別指向電荷A、B,即A電荷產(chǎn)生的的“凈壓力”由A電荷指向B電荷,B電荷產(chǎn)生的“凈壓力”由B電荷指向A電荷,就像A電荷在拽拉B電荷,B電荷也拽拉A電荷一樣。

2.3 靜電場(chǎng)庫(kù)侖力的生成

虛光子攜帶能量量子,每個(gè)能量子峰攜帶h（普朗克常數(shù)）大小的能量,可以認(rèn)為A、B電荷連心線外側(cè)虛光子相對(duì)于A、B電荷連心線內(nèi)側(cè)“抵消”后多出的“凈能量”為mh,這個(gè)凈能量沿A、B連心線從外側(cè)向A、B電荷內(nèi)側(cè)（因?yàn)閮?nèi)側(cè)能量密度低）流動(dòng),因此產(chǎn)生一個(gè)能量流:

因?yàn)樘摴庾拥乃俣纫矠楣馑賑,所以r可以寫(xiě)為r=ct,于是

這恰是一個(gè)力的表達(dá)式,力的大小應(yīng)等于靜電場(chǎng)的庫(kù)侖力F,

當(dāng)A、B為同性電荷時(shí),情景與上述相反,簡(jiǎn)述如下:

當(dāng)A、B為同性電荷時(shí),他們發(fā)射吸收的虛光子全同,因而在A、B電荷的內(nèi)側(cè)虛光子峰通過(guò)疊加進(jìn)一步強(qiáng)化,能量密度增大,能量子流增強(qiáng),使A、B電荷內(nèi)側(cè)不能產(chǎn)生“像極其平滑的布”一樣的空間。

3 光子、虛光子與雙縫干涉實(shí)驗(yàn)

經(jīng)典的托馬斯-揚(yáng)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了光的波動(dòng)性,以后電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)又證明了電子的波粒二象性,并由此確立了微觀粒子波粒二象性理論。

我認(rèn)為,電子之所以表現(xiàn)為波粒二象性,是因?yàn)殡娮颖旧頂y帶著虛光子“霧團(tuán)”,光子或虛光子是電磁波,這樣兩個(gè)（束）電子穿過(guò)雙縫時(shí),虛光子之間的干涉導(dǎo)致電子的干涉效果。

同理,即使量子力學(xué)中“詭異的”所謂單電子干涉現(xiàn)象,雖然主流量子物理學(xué)用所謂“疊加態(tài)”能對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明、描述,但單電子干涉現(xiàn)象究其根源也應(yīng)與電子攜帶的虛光子“霧團(tuán)”有關(guān),單個(gè)電子攜帶虛光子“霧團(tuán)”到達(dá)雙縫時(shí),虛光子“霧團(tuán)”并不是從一個(gè)縫中通過(guò),而是可從雙縫中同時(shí)通過(guò),發(fā)生干涉現(xiàn)象。

極端“詭異”的單光子干涉現(xiàn)象,也可以從光的本性找到一種有別于“疊加態(tài)”的答案,麥克斯韋方程斷定光是電磁波,是橫波,所以即使是單光子,在傳播過(guò)程中它也仍然表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)的交變電磁場(chǎng),作為橫波的交變電磁場(chǎng)—光子,到達(dá)雙縫時(shí),運(yùn)動(dòng)的交變電磁場(chǎng)可以同時(shí)通過(guò)雙縫,從而在接收屏上展現(xiàn)單光子干涉現(xiàn)象。

由于以上原因,在平行雙縫屏的左側(cè)（即微觀粒子還未通過(guò)雙縫的一側(cè)）,應(yīng)能檢測(cè)到被雙縫屏反射的極微弱的電磁波。