靜電場中正負電荷吸引與排斥原因的探究

解家江

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引言

從發現電荷特別是區分出正負電荷后,在對電荷的研究中物理學家對正、負電荷之間有排斥力和吸引力而質量體之間只有吸引力感到困惑,為什么存在正、負兩種電荷,為什么同性電荷相斥、異性電荷相吸?物理學家也做了很多探索研究。現代物理學提出的靜電場是虛光子場的理論,使我們對靜電場庫倫力的產生有了初步認識,但這一理論仍沒對異性電荷相吸、同性電荷相斥的原因予以清晰解答。本文嘗試通過分析電荷的虛光子場特性解答這一問題。

1 電荷差異性原因分析

1.1 虛光子形成靜電場

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,干涉使他們引起的電磁空間效果為零,而當相位差為2π的整數倍時,則他們引起的電磁空間效果增強。

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

程智通過對電荷和磁荷產生的靜電場以及靜磁場進行分析,獲得了兩個時空中與海森堡測不準原理一致的公式,并獲得另一類型的波動方程,由此得到了與已知的電磁波的性質相同的新的電磁波,新的電磁波呈現一種波包的形式,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有內在的一致性,如都可攜帶能量（并且,由于電荷的靜電場被認為是虛光子的發射、吸收形成,而電場是實際存在的,從這一意義來說,虛光子不“虛”）。

現在分析靜電場中虛光子的具體景象。

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

推理如下:

先假設:同性電荷之間的虛光子場是充滿A種虛光子,異性電荷之間的虛光子場是充滿B種虛光子。因而會出現4種情形:

（1）正電荷-A-正電荷;（2）正電荷-B-負電荷

（3）負電荷-B-正電荷;（4）負電荷-A-負電荷

第（2）、第（3）種情況是無差別、相同的過程。

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

然而這與我們的假設矛盾。所以:

第（2）與第（3）種情形中的虛光子場中虛光子不會是同一種虛光子。

因而第（1）與第（4）種情形的虛光子場中的虛光子不會相同。

1.2 存在兩類虛光子

鑒于以上分析,提出下面的假設:

1.2.1 存在兩種虛光子,可設為一種是正相的,而另一種是反相的;

1.2.2 正、負電荷分別有不同的虛光子構成,正電荷由正相虛光子構成,發射吸收正相虛光子;負電荷由反相虛光子構成,發射吸收反相虛光子。

電荷的荷電性僅僅是兩種虛光子發射、吸收的統計效果。

上面的假設還需要把“結構”的概念引入電荷之中,即電荷的生成,不僅需要一定數量的虛光子,而且這些虛光子還要形成某種“穩定”結構。

正、負電荷發射、吸收兩種不同的虛光子,形成兩類靜電場,一種是正相虛光子場,一種是反相虛光子場。

2 靜電場中同性電荷相斥、異性電荷相吸的原因

2.1 單個電荷對空間的影響

使用愛因斯坦的假設,把不包含電荷的自由空間想象為“極其平滑的布”。

將一個電荷放入自由空間,電荷在自由空間中通過發射、吸收虛光子形成虛光子場,由于虛光子也攜帶能量,可以認為虛光子會對電荷形成“虛光子壓”。設電荷停在空間的A處,根據空間各向同性,從A點發射及吸收的虛光子在空間各個方向是相同的,所以A點電荷受到的“虛光子壓”在空間各方向是相同的,因而A點處電荷可以穩定的停在A點位置。

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點電荷周圍的能量子峰密度對空間各方向是全同的,這種全同性使該電荷保持停留在A點位置。

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

2.2 兩個電荷對空間的影響

這兩個電荷既可以是同性的,也可以是異性的。

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

設有一對異性電荷分別在A、B點,A點位置的電荷為正電荷,B點位置的電荷為負電荷,A點電荷形成正相虛光子場,B點電荷形成反相虛光子場,A、B點的電荷都在空間形成了對應于自身的能量子（光量子）峰。但是這兩種虛光子對兩個電荷卻具有不同的意義,A點的正電荷形成的正相虛光子場對A點的電荷來說是能量子波峰,對B點的負電荷來說卻是能量子“波谷”;B點的電荷形成的反相虛光子場對B電荷來說是能量子波峰,對A點的電荷來說卻是能量子“波谷”。

這樣在A、B點的電荷的中心連線上,A點的電荷的虛光子產生的能量子峰恰好跌落在B點的電荷的能量子峰中（因為對A點的電荷的虛光子來說B點的電荷的能量子峰好恰是谷底）,B點的電荷的能量子峰恰好跌落在A電荷的能量子峰中（因為對B電荷的虛光子來說A點的電荷的虛光子產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電荷沒有了能量子峰,B電荷也沒有了能量子峰。在A、B電荷的中心連線上又呈現了象“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A、B電荷產生的作用效應都為零。

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。

但對于A、B點的電荷來說,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不變。亦即虛光子壓作用效應不變。

虛光子壓在垂直于A、B電荷內側連心線方向上互相抵消。

在其他方向上虛光子壓卻產生出兩個“凈壓力”,從“外側”分別指向電荷A、B,即A電荷產生的的“凈壓力”由A電荷指向B電荷,B電荷產生的“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 靜電場庫侖力的生成

虛光子攜帶能量量子,每個能量子峰攜帶h（普朗克常數）大小的能量,可以認為A、B電荷連心線外側虛光子相對于A、B電荷連心線內側“抵消”后多出的“凈能量”為mh,這個凈能量沿A、B連心線從外側向A、B電荷內側（因為內側能量密度低）流動,因此產生一個能量流:

因為虛光子的速度也為光速c,所以r可以寫為r=ct,于是

這恰是一個力的表達式,力的大小應等于靜電場的庫侖力F,

當A、B為同性電荷時,情景與上述相反,簡述如下:

當A、B為同性電荷時,他們發射吸收的虛光子全同,因而在A、B電荷的內側虛光子峰通過疊加進一步強化,能量密度增大,能量子流增強,使A、B電荷內側不能產生“像極其平滑的布”一樣的空間。

3 光子、虛光子與雙縫干涉實驗

經典的托馬斯-揚雙縫干涉實驗用實驗結果證明了光的波動性,以后電子的雙縫干涉實驗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。

我認為,電子之所以表現為波粒二象性,是因為電子本身攜帶著虛光子“霧團”,光子或虛光子是電磁波,這樣兩個（束）電子穿過雙縫時,虛光子之間的干涉導致電子的干涉效果。

同理,即使量子力學中“詭異的”所謂單電子干涉現象,雖然主流量子物理學用所謂“疊加態”能對其進行說明、描述,但單電子干涉現象究其根源也應與電子攜帶的虛光子“霧團”有關,單個電子攜帶虛光子“霧團”到達雙縫時,虛光子“霧團”并不是從一個縫中通過,而是可從雙縫中同時通過,發生干涉現象。

極端“詭異”的單光子干涉現象,也可以從光的本性找到一種有別于“疊加態”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,在傳播過程中它也仍然表現為運動的交變電磁場,作為橫波的交變電磁場—光子,到達雙縫時,運動的交變電磁場可以同時通過雙縫,從而在接收屏上展現單光子干涉現象。

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