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电磁场与力

(2009-03-07 04:22:53)
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杂谈

 电磁场与力

 

    物理学有它的物理语言,也有它的数学语言。物理学的数学语言通常只能适用于某些特殊的情况,而有很多物理现象的解释或许永远只能留在物理语言的定性描述上。要进行工程实践,需要实验的经验公式和数据,而即便对物理现象的实质有了真确的认识且没有未加考虑的因素存在,物理学数学语言的计算结果有时也会与实验结果有很大的出入和偏差,当然,有些偏差和实验现象会表明有新的物理实质未被清楚地认识,而有些情况下未必如此。

 

关于青蛙、玻璃等很多物体在强磁场下悬浮的实验及理论解释表明,人们对于非均匀磁场中电子的行为关注太少,认识也不够明确和深入。

                                   

                   一:实验、观测及相关理论解释

 

1987年,中国四川的刘武青通过常规磁体的实验发现,磁场对物体的重量有影响。他用精密天平和两个小圆柱形的常规磁体进行实验,结果发现:两个磁体的N极相对时秤量的结果和两个磁体的N、S极对接时秤量的结果不一样。同年,中国专利局向全世界公开了专利公开说明书CN87103299A,上面明确写道“电磁力可以减轻物体的重量,用超导磁体或旋转超导磁体的效果更好。”

 

    1991年,美国人女学者李宁提出超导的量子效应可使引力场改变的理论。她的理论依据有广义相对论、伦敦方程等。

 

1996年9月27日,《科技日报》报道“超导引力场效应首获验证”。报道说:“李宁博士分析研究了超导体内电子、晶格离子的运动规律后,于1991年在世界上首先提出自然界存在超导引力场效应的理论。她认为,超导中的晶格离子在吸收了外界电磁场的能量后将处于同一个量子态并快速旋转,由此会产生一个随时间变化的引力场,若将不受电磁作用的物体置于该引力场,则其所受到的地球引力将发生变化,并预言这种超导引力场效应完全能够抵消物体的原有重量。有关的研究论文分别于1991年、1992年和1993年刊登在《物理评论》杂志上。”

 

    1998年2月4日,《科技日报》报道“美国国家航空航天局在研制反引力机”。

 

    1998年前后,《参考消息》等报刊报道了诸如玻璃、老鼠、青蛙、果壳、水滴等“非磁性”物体在强磁场中悬浮的实验。

 

无独有偶,1999年美国科学杂志中文版第四期刊登了“宇宙反重力”、“ 用超新星测量时空”、“ 低密度宇宙的暴胀”等文章,这些文章评论了最新的宇宙观测结果。

 

值得注意的是,人们回想起了被爱因斯坦自己放弃了的“宇宙项”,“ 如果宇宙项的值为正,它就代表了一种斥力,即一种使宇宙能够抵抗住自己的重量而支撑下去的反重力”(1999《科学》第四期之“宇宙反重力”一文)。这或许是学术界“反引力”、“反重力”声浪比较高的表征和原因,而且不少人将地面物理实验观察到的奇特现象与宇宙观测联系起来,称上面描述的实验为“反引力”实验,将实验现象说成是反引力现象。

 

     到底什么是“反引力”?它的物理本质是什么?它的机理何在?这恐怕是谁也说不清楚的。因为,之所以称做“反引力”是与广义相对论挂钩的,而相对论本身又充满了神奇色彩。这时人们的头脑之中不免会生出疑问:“反引力”仅仅是一种现象,这个现象并未表明有新的尚未被认识的物理机理存在?还是相反?

 

    《大自然探索》2000年第1期之“明日人类也能飞——磁力探奇”一文表明,一些科学家并未轻易引用“反引力”的说法,他们把实验现象的机理归结为原子周围电子的运行与外来磁场的相互作用,这种解释表明并没有什么新的未被认识的物理机理在起作用。只是,文中笼统地提到物质的抗磁性质和铁磁性,显然这种认识所依据的电磁理论仍不够协调(1)。遗憾的是,对新的实验现象和天文观测的解释中,这种思路的声音太过微弱了!

 

              二:介质的磁化规律

 

      电磁学中,将物质大体分为“顺磁质、抗磁质和铁磁质”三类。

 

      在介绍物质这些性质的微观机制时,电磁学理论指出,“近代科学实践证明:电子在原子或分子中的运动包括轨道运动和自旋两部分。绕原子核轨道运动的电子相当于一个电流环,从而有一定的磁矩,称为轨道磁矩。与电子自旋运动相联系的还有一定的自旋磁矩。。。。。。在原子或分子中一般不止有一个电子,整个分子的磁矩[m分子]是其中各个电子轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和(忽略原子核磁矩)。。。。。。磁介质分子也可分为两大类:一类分子中各电子磁矩不完全抵消,因而整个分子具有一定的固有磁矩;另一类分子中各电子的磁矩相互抵消,因而整个分子不具有固有磁矩。”

 

“在顺磁性物质中,分子具有固有磁矩。无外磁场时。。。。。。介质处于未磁化状态。在外磁场中每个分子磁矩受到一个力矩,其方向力图使分子磁矩转到外磁场方向上去。各分子磁矩在一定程度上沿外场排列起来,这便是顺磁效应的来源。”2

 

在介绍抗磁性时,电磁学理论研究加上外磁场后电子的轨道运动,证明“Δω总与B的方向一致,从而感生的附加磁矩Δm总与B的方向相反”,并指出“在抗磁性物质中,每个分子在整体上无固有磁矩。。。。。。在加了外磁场后,每个电子的感生磁矩Δm却都与外磁场方向相反,从而整个分子内将产生与外磁场方向相反的感生磁矩。这便是抗磁效应的来源。”3

 

     在介绍铁磁质的微观结构时,电磁理论指出“铁磁质的磁性主要来源于电子的自旋磁矩”4

 

     通过上面对介质的磁化规律的简单回顾,我们不难发现其解释还不够协调。因为人们禁不住要问:既然铁磁质的磁性主要来源于电子的自旋磁矩,那么别的介质中电子的自旋磁矩都跑哪儿去了?为什么电子的自旋磁矩只在铁磁质中起明显的作用?既然物质都是由原子组成的,为什么解释物质的这些性质时不是统一地以原子核和它周围的电子为基础,在讨论顺磁性时却要讨论分子的磁矩问题,这样做有什么合理性?

 

     在忽略原子核的磁矩贡献的前提下,笔者认为不同物质原子中的电子自旋角速率有很大的不同,此外不同物质原子中电子绕核运动的平均速率也有相当的差别。正是这些差别使不同的物质表现出了不同的介质磁化特性。不变的规律是:电子的轨道运动在外磁场作用下,其行为总是要抵抗外来的磁场,而电子的自旋磁矩总是要顺着外来磁场的方向。

 

                        三:关注非均匀磁场

 

现代物理学通常应用了大量的数学工具,可以说以数学见长。或许现代物理学存在着一种过分注重数学的倾向性,加之非均匀磁场情况下的物理规律难以数学化,所以对非均匀磁场的关注显得太少了。

 

电磁学理论在研究载流线圈在均匀磁场中所受力矩时,只是很不引人注目地顺便提起:“若磁场不均匀,则除了力矩之外,载流线圈还会受到一个不等于0的合力。”5。电磁学研究带电粒子在磁场中的运动时,虽然研究了等离子体的磁约束,但数学计算给人的感觉很勉强,不便于理解;此外,将带电粒子在磁场中的回旋运动等效为一个小线圈,然后说它们在“磁镜”中受到反射,这是很不恰当的。毕竟,尽管带电粒子在非均匀磁场中的回旋运动导致它与非均匀磁场源有相互排斥力,但这种排斥力是稳定的,不会象载流线圈那样会不稳定且发生翻转现象,最后变成稳定的吸引。6

 

     而深刻理解载流线圈(电子自旋类似于载流线圈)及运动带电粒子(物质中电子的轨道运动类似于此)在非均匀磁场中的行为,正是解开青蛙等非磁性物体能够在强磁场中悬浮的钥匙!

 

                四:青蛙为何能“飞”

 

     青蛙是有机体,但有机体也是由原子组成的。组成青蛙的原子物质大多无明显的磁性,这表明这些物质中的电子只有微弱的自旋。

 

     将青蛙置身于强非均匀磁场上时,这些微弱的自旋的电子无论其原来排列状态如何,均会象载流小线圈那样将其磁矩转到外磁场方向上去。其效应是非均匀磁场会对这些自旋的电子有吸引力,从而对物质有吸引力的贡献。

 

    注意,这里所指的非均匀磁场的磁力线类似于向上翻滚的泉水形状,它不光有沿轴分量,还有从轴心向四周辐射(或收拢)的分量(简称“辐射状磁力线分量,下同)。在此基础上,我们运用电磁学的基本知识就会得到结论:电子在外来非均匀磁场中的轨道运动的变化,会对物质产生一个向上的排斥力(假设物质放在非均匀磁场的上方)。下面让我具体考察之。

 

设非均匀磁场的N极指向上。为了定性讨论的方便,我们考察电子的轨道平面与非均匀磁场的轴向分量相垂直的情形,且仅考察电子轨道中心与非均匀磁场轴心重合的情况。

 

既然我们所考察的物质通常并不显示磁性,我们就没有理由认为,物质中电子轨道都是沿着同一个方向的。因此认为,有一定量的电子沿顺时针运行(以俯视为准,下同),就有等量的电子沿逆时针运行,且它们的速率都一样。

 

将物质从上向下移放至磁场中时,电子切割辐射状磁力线分量。其效果是,原先逆时针运行的电子受到与其速度方向一致的洛伦兹力,使得电子的速率加快。由于在这样的非均匀磁场中,逆时针轨道电子一方面切割轴向磁力线分量,同时也切割辐射状磁力线分量,所以电子还受到指向原子核的洛伦兹力,此外电子还受到向上的托力(也是洛伦兹力)。笔者认为,其效果有三:

1:电子速率加快;

2:电子轨道半径减小;

    3:电子受到向上的托力且托力增大。

对于原先顺时针运行的轨道电子,其效果是相反的:

1:电子速率减慢;

2:电子轨道半径增大;

3:电子受到向下的吸引力且吸引力减小。

 

 因此,电子轨道运行在非均匀磁场中的变化会对物质产生向上的合力。对于电子轨道平面与磁场轴线成任何角度时,原则上,我们也可以得到同样的结论。

 

    如果这个向上的合力(排斥力)贡献大于上面提到的电子自旋磁矩引起的吸引力贡献,物质整体就会受到向上的托力。它的效应是使物质中的负电荷中心上移。如果磁场足够强从而托力足够大,那么这个非均匀磁场就可以让物质悬浮在其上方。这就是青蛙能“飞”的道理所在。

 

上面讨论中认为电子的轨道半径会发生变化,它与量子理论的定态概念是不相符合的。实际上,这里是指一种倾向性(即仅是定性分析)。至于轨道半径是否有变化,需要定量考察,而定量计算是极其困难和缺乏实验根据的。以第一种情形为例,电子速度的加快会产生更大的离心力,因此需要有更大的向心力才能维持稳态,而这个速度下的电子在磁场中受到洛伦兹力的向心力贡献,若这个贡献偏大,则电子轨道会减小,若这个贡献偏小,则电子轨道半径反而会增大。若电子轨道半径发生变化,按照量子理论,还必然会伴随光的发射或吸收现象。

2000/3/11。

 

                五:实验中的失重效应与引力的本质

 

      1996年9月27日的科技日报报道说:“实验显示,所有处于超导装置上方的物体由于受引力场效应的影响,其重量减轻了2%”。

 

     根据上面的分析,笔者认为这种重量的减轻未必是失重,那些减轻了的重量很可能被转移到非均匀磁场源上。如是,则非均匀磁场源和它上方那些物体的总重量很可能是个不变量。

 

     既然强大的非均匀磁场能够把它上方的青蛙等物体托起来,这个非均匀磁场源也会对它下方的物体有强大的排斥力。因此,要从实验上真正确立失重效应的存在,必须考虑非均匀磁场源和它下方物体的相互作用力。在彻底排除了这种影响因素后,如果秤量非均匀磁场源和它上方的物体的总重量时发现重量有所减轻,那才是真正的失重效应。

 

    而刘武青先生的实验如果在科学界能够被重复,则很可能表明一种真正的失重效应的存在。

 

    依笔者之见,青蛙悬空实验中也很可能包含着失重效应的因素,只是目前所进行的实验本身还不能明确地证明这种效应。

 

    笔者认为,引力的本质是电磁力。其图象是:地球中心存在着大量的正电荷,而地球的壳体则存在大量的负电荷;由于地球的自转,南半球存在向上的磁场,北半球存在向下的磁场,这个磁场可以近似看做均匀磁场,但磁源在地球本身,因此会对自旋的电子有吸引力。尽管这种观点在数学化时会遇到困难,但它可以解释引力的万有属性。此外,这种观点可以解释地磁的成因及为什么地球表面可以稳定地维持大量的负电荷。(这里的观点引自笔者三年前《物理学基本概念的哲学大纲》----------相关部分从未公开过,且与当时的观点有所出入。)这种电磁力使物质中的负电荷中心下移。其中磁吸引力由向下(南半球向上)的磁场和物质中电子的自旋磁矩提供;电荷吸引力由地球的正电荷中心等提供;

 

      如果引力的本质真的如笔者所说,那么刘武青先生实验中的失重效应就不难理解,进而,我们还可以预言青蛙悬空实验中蕴涵着失重因素。

 

                       六 其他预言及猜测    

 

    既然强大的非均匀磁场能够对青蛙等非磁性物体产生排斥力,那么,根据上面的分析,笔者有理由预言:磁场也一定会对某些非磁性物质产生明显的吸引力,并通过实验加以验证。

 

根据荷电粒子在磁场中的运动规律,如果外加磁场足够强,那么导体中绕核旋转的电子的回旋直径会远小于其轨道半径,如是,则电子会“悬停”在核周围原先的电子轨道上,所有电子的磁矩都会与外加磁场的方向相反。这样,即便是在常温下,导体中的自由电子也不会做无规则的热运动(已被转化为“悬停”),其效果相当于将导体的温度降到绝对零度附近,从而会出现常温超导效应。只是考虑到霍耳效应,当导体通电时需要另加平衡电场。

 

这种猜测当然没有考虑磁场强度的极限问题,事实上电磁场理论还没能给出最大磁场强度的极限,或许这种猜测所需要的磁场强度是超出自然界所允许的磁场强度极限的。

 

                                 2000/3/12。

 

参考资料:

(1)可参考《电磁学---第二版》“介质的磁化规律”一节,赵凯华、陈熙谋编著,下同。

(2)《电磁学》P586~588

(3)《电磁学》P590~591

(4)《电磁学》P602

(5)《电磁学》P390

(6)可参考《电磁学》P423~424“等离子体的磁约束”及P397之思考题

 

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