論電磁的力學(xué)原理

胡錦文

湖北省武漢市武漢大學(xué)工程力學(xué)系，湖北武漢 430072

0 引言

目前物理界有兩大分支——量子理論和相對(duì)論。相對(duì)論所涉及的是關(guān)于四維時(shí)空，而量子理論則涉及的是關(guān)于能量可分并且其最小的單元為hv（h為普朗克常量，v光的頻率），物理科學(xué)家的思維是追求大統(tǒng)一原則，但至今這兩者還沒有被統(tǒng)一起來，在探索這大統(tǒng)一的過程中誕生出了弦理論和膜理論。量子時(shí)空的觀點(diǎn)是認(rèn)為空間和時(shí)間也和能量一樣可分并且存在最小單元：時(shí)間存在最小間隔，空間存在最小尺度?，F(xiàn)在本文另辟蹊徑，從廣義相對(duì)論出發(fā)來推研量子理論，而不是如量子時(shí)空那樣從量子理論推研相對(duì)論時(shí)空。另外通過對(duì)自然界存在的萬有引力，電磁力以及“光子論”進(jìn)行統(tǒng)一結(jié)合，探索出他們的共性并推廣到一切其它類似的力的作用方式。以上這些均是通過分析電磁是怎樣作用而產(chǎn)生力的效應(yīng)為出發(fā)點(diǎn)的。

1 慣性參考系的啟發(fā)

對(duì)于談到什么是慣性參考系，我們會(huì)很經(jīng)常舉出一個(gè)例子——“伽利略航船”：在一艘勻速運(yùn)動(dòng)的船艙內(nèi)，即使船運(yùn)動(dòng)的相當(dāng)快，在跳躍時(shí)，你將和以前一樣在船底板上跳過相同的距離，你跳向船尾也不會(huì)比跳向船頭來得遠(yuǎn)——在這一經(jīng)典慣性系中，所有的物體都保持著相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。若以地面為參考系，則船艙內(nèi)所有的物體都是以與船速v相同的速度運(yùn)動(dòng)，而人在船艙內(nèi)跳躍時(shí)，滿足速度合成原則，向不同方向跳時(shí)速度的差別彌補(bǔ)了距離的差別，于是人在船艙內(nèi)會(huì)跳過相同的距離。

現(xiàn)在假想船艙底板面絕對(duì)光滑，有一只箱子以與船速同方向的速度v0從外界進(jìn)入船艙內(nèi)，一段時(shí)間后箱子突然向上躍起（假設(shè)能的話），這時(shí)可以知道，除非箱子原速度與船速相同，否則箱子將會(huì)向前或向后移動(dòng)一段距離。但若是船艙底板面有一定的粗糙度，那么一段時(shí)間后箱子躍起，即使箱子原速度與船速不同，箱子也會(huì)落到原地——箱子受到的摩擦力作用，使箱子最后達(dá)到與航船相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

船艙內(nèi)所有的物體保持著相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是因?yàn)樗麄冎g通過某種關(guān)聯(lián)的相互力作用而“緊緊”聯(lián)系在一起，可以說，是力的關(guān)鍵作用使船艙內(nèi)所有物體由它們各自不同的初狀態(tài)而最后達(dá)到相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2 電磁的力作用

在愛因斯坦提出的狹義相對(duì)論時(shí)，曾運(yùn)用兩條基本假設(shè)，其中之一便是光速不變?cè)怼谒袘T性系內(nèi)，自由空間中光的速率具有相同的值c，也即反映在光速與光源運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)。光速與光源速度無關(guān)，不滿足速度合成原則，根據(jù)上述所討論的慣性系可以知道：光速獨(dú)立于光源，光與光源之間不存在直接的力相互作用。光速一直保持著原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

物體發(fā)出的電磁波（在這里指光）與該物體無直接力的相互作用，但物體卻能通過電磁場而與其他物體發(fā)生力的相互作用，如萬有引力，電磁力。電磁場不能傳遞力，那么電磁場是怎樣作用使物體間產(chǎn)生力的效應(yīng)的？按照愛因斯坦廣義相對(duì)論關(guān)于引力的觀點(diǎn)：在引力場內(nèi)，物體之所以存在重力，是因?yàn)橐龅拇嬖谑刮矬w周圍的空間發(fā)生彎曲，從而“壓迫”物體向下運(yùn)動(dòng)。

引力場實(shí)質(zhì)是電磁場，類比下去，于是就可以知道，兩電荷間相互力的作用也是因?yàn)殡姾砂l(fā)出的電磁場的存在改變了時(shí)空，時(shí)空的改變產(chǎn)生了力的效應(yīng)，而物體表面空間的改變程度決定了物體所受到的力的大小。

3 影響空間改變因素

影響空間改變程度的因素有哪些？首先可以知道，有一種因素是電磁場的強(qiáng)度，因?yàn)殡姶艔?qiáng)度越大，物體所受到的力就越大，如兩帶電物體，所帶電荷越多，兩物體所受到力越大。而另一種因素便是電磁波頻率。

將一束白光射向一個(gè)三棱鏡，從三棱鏡的另一面會(huì)發(fā)現(xiàn)射出不同顏色的光，這就是光的折射現(xiàn)象。光行走在物質(zhì)分子間的空隙中，而物質(zhì)分子間空隙充斥著電磁場，均勻的電磁場形成均勻的空間。按廣義相對(duì)論觀點(diǎn)，光在空間中走的是捷徑，空間影響了光所走的路線。然而不同頻率的光卻在三棱鏡中走不同的路線，說明光的頻率能影響空間的改變。

4 相對(duì)論與量子理論的統(tǒng)一

空間的改變程度依賴于了電磁場強(qiáng)度和電磁波頻率。目前知道自然界有4種力的形式，其中萬有引力與電磁力已經(jīng)有了明確的計(jì)算公式，他們遵循一定的規(guī)律。萬有引力F=GMm/(R×R)，電磁力F=kQ1×Q2/(R×R)。通過上述知道，非接觸性物體間作用力是通過電磁場建立的，現(xiàn)假設(shè)一個(gè)電荷表面的磁場強(qiáng)度與它所帶電荷的關(guān)系為B=k1×Q，一個(gè)不帶電物體表面磁場強(qiáng)度與它質(zhì)量的關(guān)系B=k2×m（其中k1，k2為常量），那么萬有引力公式就可寫成F=G×(BM/k2) ×( Bm/k2)/ (R×R)，電磁力公式寫為F=k×(B1/k1) ×( B2/k1)/ (R×R)。這2個(gè)公式可以統(tǒng)一化為F=k0×B1×B2 /(R×R)（對(duì)于萬有引力，k0k1×k1=G，對(duì)于電磁力，k0k2×k2=k.B1，B2分別為物體表面的磁場強(qiáng)度）。

將一束光射向一個(gè)電子，電子會(huì)運(yùn)動(dòng)，按照量子理論，一個(gè)光子的能量是hv（h為普朗克常量，v光的頻率）。現(xiàn)在知道了，物體通過電磁場產(chǎn)生力的相互作用，而電磁場是通過改變空間產(chǎn)生力的效應(yīng)，影響空間的是電磁場強(qiáng)度及電磁波頻率，于是可將萬有引力，電磁力與量子理論結(jié)合起來，那么這三者可以統(tǒng)一為F=k0×(B1v1)×(B2v2) / (R×R) (其中vi為與Bi對(duì)應(yīng)的頻率，i=1，2.k0為一常量) 。于是對(duì)于光的能量，當(dāng)一束光射向一個(gè)電子，它們間作用力F= k0×(B1v1)×(B2v2)= （k0×B1×B2v2) v1（B1，v1分別為光的電磁強(qiáng)度及光的頻率，B2，v2分別為電子的電磁強(qiáng)度及電磁波頻率），設(shè)這個(gè)力對(duì)電子的作用距離為dx，則電子獲得的能量E=F*dx=（k0*B1*B2v2dx) v1，對(duì)于不同的電子，B1（這嚴(yán)格的說來應(yīng)是電子所接受到的光的電磁強(qiáng)度），B2，v2基本是不變的，而又由于光速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子速度，所以dx也可以近似看做不變的，于是普朗克常量h=k0×B1×B2v2dx?；具m合用于一切電子方面的光子效應(yīng)。

物體間通過電磁場產(chǎn)生的力效應(yīng)遵循公式F=k0×(B1v1)×(B2v2)/ (R×R)，這里通過電磁場相互作用的物體間作用力不僅取決于它們的磁強(qiáng)度，還取決于它們的磁頻率。于是可據(jù)此推出除萬有引力，電磁力之外的第三種力學(xué)規(guī)律——帶電物體與不帶電物體間作用力：設(shè)F=pmQ/(R×R)=k0[k2v0m/(R×R)](k1v1Q)= k0 k1 k2 v0 v1×m Q /(R×R)。而通過類似計(jì)算可知萬有引力常量G=k0(k2×k2) ×(v0×v0)電磁力常量k=k0(k1×k1) ×(v1×v1)，（v0，v1分別為不帶電物體及帶電物體在通常情況下的電磁波頻率）。于是可得p=√ (Gk)。（從G=k0(k2×k2)×(v0×v0)，k=k0(k1×k1)×(v1×v1)可以看出 ，萬有引力常量與電磁力常量在一些特殊情況下是可以變動(dòng)的）。

根據(jù)廣義相對(duì)論，假設(shè)在一個(gè)球?qū)ΨQ引力場中，距離場原點(diǎn)為R處有一光源，其發(fā)射光的固有周期為T0，則在無窮遠(yuǎn)處所接收到該光波會(huì)出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，這就是引力紅移。例如對(duì)于地球上，在地面上高度差為h0的兩點(diǎn)，其紅移z=-△v/v≈(1/v)×(dv/dR)×h0 ≈ GM/(c×c×R×R)×h0=gh0/(c×c)(g 為地面加速度 )。引力紅移是由于引力場中時(shí)間變慢的效應(yīng)，而一個(gè)物體從一個(gè)特定的時(shí)空運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)特定的時(shí)空則需要力的作用，現(xiàn)在利用力的形式來推導(dǎo)出引力紅移：假設(shè)具有一定頻率v0的光從地面向上發(fā)射，在距離地面高度h0的地方進(jìn)行檢測光的頻率為v1(設(shè)在整個(gè)過程中重力加速度g保持不變)則有：

一個(gè)“光子”等效質(zhì)量m=hm/(c×c)( hm為不帶電物體的普朗克常量，根據(jù)h= k0×B1×B2v2dx.可知它與帶電物體的普朗克常量是不同的)假設(shè)在整個(gè)過程dv/dh近似為定值，又因?yàn)檎麄€(gè)過程中重力加速度g保持不變，故hm也為定值，則根據(jù)能量方程有

上述三式可聯(lián)合解得紅移z=-△v/v1=gh0/(c×c+0.5gh0)≈gh0/(c×c)

上述通過對(duì)在引力場中光運(yùn)動(dòng)過程中力的效應(yīng)推導(dǎo)同樣得出了“引力紅移”，由此可見基本實(shí)物粒子“光子”是不存在的，在光電效應(yīng)中，它的效應(yīng)只是當(dāng)一束光射向一個(gè)電子時(shí)，光的磁強(qiáng)度及磁頻率與電子表面的磁強(qiáng)度及磁頻率相互作用而改變了電子表面的空間從而產(chǎn)生了力的效應(yīng)。

5 對(duì)超光速物體的思考

在狹義相對(duì)論的推導(dǎo)過程中，最基本前提是假定2個(gè)在真空中的慣性參考系，然后把真空中的最大速度——虛空光速作為了一切運(yùn)動(dòng)物體的極限速度。但是光速取決于介質(zhì)的介電系數(shù)及磁導(dǎo)率，如果把這兩個(gè)慣性參考系設(shè)定在地球上，那么這時(shí)，在這兩個(gè)慣性系中最大的運(yùn)動(dòng)速度就是c1=c/n(n為空氣折射率)——可見光速并不是很可靠的，目前還不清楚是否存在比真空介電系數(shù)及磁導(dǎo)率還小的空間，在這樣的空間中，光速會(huì)超過現(xiàn)在我們所認(rèn)同的速度，就像如果我們現(xiàn)在所認(rèn)識(shí)到的宇宙是在我們所未知的“且連科夫輻射”所在的介質(zhì)中，即真空中存在著某種未知的介質(zhì)，那么超“光速”就不足為奇了，那時(shí)，相對(duì)論中涉及到的所有與光速有關(guān)的公式就要修改了，而不是超光速現(xiàn)象導(dǎo)致相對(duì)論被推翻。

[1]鄭慶璋,崔世治編著.相對(duì)論時(shí)空,山西科學(xué)技術(shù)出版社.

[2]蔡伯濂編著.狹義相對(duì)論.高等教育出版社.