電源力
你是否思考過這樣一個問題:
電與磁的關(guān)系密不可分,但又相互獨立,二者之間隱隱的牽連被當(dāng)做造物主的杰作,是自然固有的定理,無需解釋。
沒錯,我們可以用電生磁、磁生電的定律完成現(xiàn)如今電磁學(xué)的應(yīng)用,它們在我們規(guī)劃的參考系和現(xiàn)實中的表現(xiàn)都如出一轍,這也是它們作為定理的證明。
但理論上,現(xiàn)有的這些定理雖然看起來和用起來都沒有問題,可當(dāng)我們走出對電磁學(xué)問題的參考系的固有思考后,這些定理就會得出一些略有矛盾的結(jié)論。
欣賞過《相對論》的我們知道,對于兩個相對勻速或靜止的坐標(biāo)系而言,一切物理定理和現(xiàn)象都將成立,那么讓我們看看這條定理在電磁學(xué)中表現(xiàn)如何。
讓我們在桌子上放置兩條平行的電線,先不通電,顯然二者的本體都是電中性,其中的質(zhì)子和自由電子暫時穩(wěn)定,兩根電線相互沒有作用力。
當(dāng)我們給電線通電時,無論是電磁學(xué)還是現(xiàn)實現(xiàn)象都會告訴我們:當(dāng)二者電流同向時電線相互排斥,當(dāng)二者電流相反時電線相互吸引。
從電磁學(xué)上來看,這是因為通電時一方自由電子的直線運(yùn)動產(chǎn)生了靜止的環(huán)形磁場,而另一方的電子相對磁場運(yùn)動,因此向內(nèi)或向外受力。
在這個情況中,只有兩根電線中的電子受力,而質(zhì)子因為在磁場中保持靜止而不受磁場作用。
讓我們討論電流同向的情況,這時兩邊的自由電子會向兩根電線的外側(cè)受力,然后這些電子和同一根電線中的質(zhì)子因為電荷相反所相互吸引,導(dǎo)致整根電線向外側(cè)受力。
所以我們會得出一個結(jié)論:在這時電子是在質(zhì)子外側(cè)的。
讓我們把話題回到《相對論》,現(xiàn)在讓我們看看在相對運(yùn)動的參考系下兩條同向電流電線的表現(xiàn)如何。
首先,電流的速度為c
(在觀看下面的敘述時,您有可能會提出由于我所謂的“相對運(yùn)動”的相對速度是電流流速,雖然它的確快的可怕,且會導(dǎo)致量子力學(xué)中的一些效益,但由于這篇文章中對質(zhì)子電子的敘述換成低速的帶電小球一樣成立,且我們得出的結(jié)論是定性而非定量的,所以您可以先做參考,再做思考。)
當(dāng)我們以速度c朝兩條通電電線中電子的方向進(jìn)行同向運(yùn)動時,在我們眼中電子和我們相對靜止,而質(zhì)子正以速度c進(jìn)行運(yùn)動。
此時,在這個參考系中電子并不運(yùn)動,一方流動的質(zhì)子產(chǎn)生的磁場作用于另一方質(zhì)子,質(zhì)子向外側(cè)受力,外側(cè)的質(zhì)子帶動電子向外運(yùn)動,所產(chǎn)生的現(xiàn)象正好與之前“正常”的情況相反。
一邊我們理論上觀察到的現(xiàn)象是電子在外側(cè),質(zhì)子在內(nèi)側(cè),一邊則是電子在內(nèi)側(cè),質(zhì)子在外側(cè)。
(這樣子矛盾的結(jié)論就是我思考的原因:就算我們想要忽略其他證明矛盾的理由,把這種奇怪的結(jié)論歸因于“不知名的復(fù)雜的量子力學(xué)現(xiàn)象”,但上面我們討論中出現(xiàn)的矛盾是錯位,是完全相反的替換,而不是距離的改變和數(shù)據(jù)的偏差——它“越界”了,這種難以表述的“越界”是量子力學(xué)里不會出現(xiàn)的。)
如果我們不把這種結(jié)論定義為電磁學(xué)一種奇妙的特性的話,那么我們就得給它一個合理的解釋,或者更改原有的一些東西。
讓我們從相對論原理出發(fā):物理現(xiàn)象在相對勻速的坐標(biāo)系間表現(xiàn)相同。
所以假如要讓我定義一個電磁相關(guān)的力,那么就得讓它專注于電荷間的相對速度,這個相對包括同種電荷以及異種電荷。
先不考慮靜電荷之間的作用力(即使考慮,一方電線由于是電中性,它對另一方電線也沒有庫侖力。)
如果要滿足任何坐標(biāo)系的結(jié)果相同,那么引起電線偏移的力不能來自電子與電子之間,也不能來自質(zhì)子與質(zhì)子之間,只能來自電子與質(zhì)子之間,這也是大自然中相對運(yùn)動的一種對稱的美感。
(除非這種力也同時來自電子與電子之間,質(zhì)子與質(zhì)子之間,我們的結(jié)論等一下會提到這個,我們也會發(fā)現(xiàn)本質(zhì)上事實也是如此。)
實驗發(fā)現(xiàn),在同種運(yùn)動中,這種引起偏移的力與正負(fù)電荷的相對速度的平方成正相關(guān)。(電磁學(xué)運(yùn)算的結(jié)論也是如此。)
我們給出一個方程:
額外的力=一個常量*正電荷數(shù)*負(fù)電荷數(shù)*相對速度的平方/半徑的平方
這個方程足以解決之前說的電線的問題,但其泛用性和來源都有待考究,下面我們會先說到它的衍生,以解決泛用性問題。
我們先給出一個方程:
電源力=常量1*電荷數(shù)1*電荷數(shù)2/半徑的平方±常量2*電荷數(shù)1*電荷數(shù)2*相對速度的平方/半徑的平方
這里電源力是庫倫力和洛倫茨力的總和,我們下面以例子來說明其泛用性:
把之前兩根電線中的質(zhì)子和電子換成帶正負(fù)電的小球,讓他們勻速開始運(yùn)動,這里給出的情況僅包括兩方的正負(fù)電荷都各自相等,不過由于即使是不相等的情況下原理也是一樣,為了簡便,這里就不做舉例。
情況1:
質(zhì)子v=1,電子v=2
質(zhì)子v=1,電子v=-1
由電磁學(xué)相關(guān)定律求得:
B=uqv’*r’/4π*r2
(’表示向量)
F=qvB*sinA
簡化一下,這種情況下磁通量與速度成正比,下面的算法僅對比例進(jìn)行討論,具體數(shù)據(jù)將由常量決定。
設(shè)F1為上面一對電子質(zhì)子之和受力,F(xiàn)2為下面,有
F1=【1-(-1)】(磁場)*(2-1)(電荷)
F2=(2-1)(磁場)*【1-(-1)】(電荷)
F1=F2=2
如果使用電源力求,則
F1=F2=(1-1)2-【1-(-1)】2-(2-1)2+【2-(-1)】2=4
這里求出的數(shù)據(jù)不一樣,是因為常量的問題,數(shù)據(jù)的比例是正確的,下面再討論一個情況。
情況2:
質(zhì)子v=1,電子v=3
質(zhì)子v=2,電子v=-1
F1=【2-(-1)】(磁場)*(3-1)(電荷)
F2=(3-1)(磁場)*【2-(-1)】(電荷)
F1=F2=6
F1=F2=(2-1)2-【1-(-1)】2-(3-2)2+【3-(-1)】2=12
可以發(fā)現(xiàn),這里的6:12與之前的2:4相同。
不管怎么變化數(shù)據(jù),這個比例都是一樣的,這說明我們的定性研究是正確的,或者說,我們找到了一個力的表達(dá)式,它有關(guān)電荷本身,可以拋棄磁場的定義而得出同樣的結(jié)果,并且不會受到最初提出的駁論的影響。
經(jīng)過本人過去的逐步拓展研究,許多磁場下電荷的表現(xiàn)都能在“電源力”下得到相應(yīng)的解釋,磁鐵、洛倫茨力、安培力……同時,由于磁場的一些特性,包括相對運(yùn)動的駁論以及磁場線不閉合等,這愈發(fā)指向一個奇異的觀點:
磁場是不存在的,任何磁場和磁電的表現(xiàn)形式都是電荷本身的作用形式,磁場定理是電荷本身作用關(guān)系的一種拆解,它可以用于計算,但我們只能把它作為一個二級結(jié)論,一個輔助工具,而不能說磁場也是上帝的杰作,因為上帝在這方面的杰作只有電而已。
在學(xué)習(xí)中,我看到了電與磁之間密不可分,但又相互獨立的關(guān)系,它們二者的同時存在不禁使人思考它們更深層次的關(guān)系,如今電磁學(xué)體系已經(jīng)非常穩(wěn)固,做出如此大的懷疑是武斷的,但好在這種懷疑只是一種“替換”,它不改變結(jié)論而改變看法和過程,如果它成立,電磁學(xué)的大廈也不會倒塌,只是讓磁場的存在變成了工具,這也是我敢于寫出這些的原因。
——樂喆文
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