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电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

(2013-06-16 16:11:21)
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杂谈

  

摩擦产生磁场的一种可行性解释方案

                                凡伟 

                   

                  

摘要:根据麦克斯韦电磁理论,电场和磁场可以相互转化,但存在一个问题:‘那就是不知道电场和磁场是如何转换的?’同时电场和磁场的最主要区别是电场有电荷,磁场无磁荷,可以看出,麦克斯韦电磁理论说明了电场和磁场存在转化的关系,却不知道如何转化以及是否就是同一个客体.本文通过对摩擦起电实验进行分析,发现‘摩擦起电’可以用‘摩擦起场’来解释(摩擦极化磁矩,磁矩产生磁场),这就说明电场的本质就是磁场,从而发现电荷是不存在的.

 

关键词:电荷;电场;实验推理;磁场;热质;强相互作用

 

中图分类号:NO

 

引言

电荷很神秘,公元前600年左右,希腊人发现了摩擦过的琥珀吸引轻小物体的现象.16世纪,英国御医吉尔伯特提出了电荷的概念,美国科学家富兰克林提出了正负电荷的概念.且电荷有两种:用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电,用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电;两种电荷间的相互作用同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引.

可以看出,早起的科学家们是为了解释摩擦过的物体为什么会吸引轻小物体以及摩擦物体的吸引排斥现象,故而提出了电荷这个概念,并认为还存在正负电荷的差别,这也就是说电荷只属于早期科学家对自然现象进行解释提出的一个概念性的东西,并不是事实本身,因为并没有谁对电荷的本质进行过系统的解释和分析,这一点和早期人们认为自然界存在‘热质’一样,都是为了解释生活中我们所遇到的一些常识现象,不过到现在热质说早已经被否定,这一点可参考文献【1】.

为了揭示电荷背后的秘密,我们就需要对电荷的本质进行系统的解释和分析,通过对摩擦起电现象研究分析发现,摩擦起电可以用摩擦起场来解释,电场的本质就是磁场,电荷是不存在的,强相互作用力也只能是不存在的.

 

一:摩擦起电现象

 

对摩擦起电实验进行从新分析:

根据摩擦起电实验,摩擦过的塑料棒具有吸引轻小纸屑的性质,通常我们管这种现象叫做摩擦起电。对于摩擦起电:带电的塑料棒之所以会吸引电中性的纸屑,是因为当塑料棒靠近纸屑时,纸屑产生一种感应异种电荷;而一会儿纸屑的脱落,我们认为是吸引后电荷产生了重新排布,使纸屑和塑料棒带同种电荷,同性相斥,所以纸屑会脱落.

对于以上解释是一个经不起推敲的看法.

第一:既然纸屑是电中性的,那就是对外不显电性,这样就谈不上产生感应异种电荷,从而也就谈不上相互吸引.(这一点用电荷解释是自相矛盾的)

第二:退一步说,即使产生了感应异种电荷,由于电荷之间的感应几乎是瞬时的,在相互吸引后的那一刹那必然同时使纸屑感应重新排布产生同种电荷,这样也就是说吸引和排斥基本是同时完成的,但实验证明排斥现象至少在吸引后的两三秒钟才发生.(这一点用电荷无法解释)

经过以上实验分析,会发现摩擦起电的解释是自相矛盾的,所以我们有必要寻求一种新的解释,并且也没有谁可以解释为什么同种电荷可以相互排斥、异种电荷可以相互吸引,以及电荷的本质究竟是什么或长什么样?

 

二:摩擦起电是摩擦起场

如下图甲所示,通常任何物体都具有磁矩(磁矩很容易被误解为电荷产生,磁场的作用介质是虚光子,磁矩由电子的轨道旋转运动作用虚光子形成,也就是说磁矩只与电子的角动量有关,跟电子是否具有电性无关),非磁性物体磁矩的排布都是混乱无序,同时也就对外不显磁性,而如乙所示,如果对混乱排序的磁矩施加一个固定方面的作用力,混乱的磁矩将得以暂时理顺(极化),从而对外显磁性.【2】【3】【4】

   电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

                  图1:磁矩的磁化前后对比实验现象

根据以上原理,如果施加的作用力我们用F表示,根据电磁场的场强E,和磁力常数C0,我们可以得到一个关于场强与作用力的数学关系式:

电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

(1)

根据以上原理,摩擦起电现象正是属于对于物体施加一个固定方向的作用力F,故而摩擦起电的原理可表示为E=F/C0 .

通常,电场和磁场最大的区别是电场有电荷而磁场无磁荷,其作用力的性质都相同,这样我们就可以运用磁场的同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引的性质来解释电荷的同种电荷相互排斥和异种电荷相互吸引的性质.

其次,由于摩擦起电是摩擦起场.吸引现象的本质就是:塑料棒磁化了纸屑;排斥现象的本质就是:塑料棒的‘退磁化原理’.由于塑料棒‘退磁化过程’的存在,这恰好能解释两三秒钟的吸引现象(这个吸引时间本质就是‘退磁化’时间).

 

考虑到摩擦起电的本质可以用摩擦起场来解释,根据电场原理:

      电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

  (2)

那么就有,电场强度=磁场强度,q0  = C0,即可得:

         电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

            (3)

由(3)式可知,电场的本质就是磁场,电荷是不存在的,这就意味着电荷其实不是电场的场源,我们就要对麦克斯韦方程组认为电荷存在的部分进一步的修改,方程组如下:

麦克斯韦方程组:电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》改为:电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

 (4)

通常,电磁场之间的作用介质粒子被认为是虚光子,而磁场由极化的磁矩产生,而磁矩由粒子的自旋产生,也就是说磁矩(磁场)是粒子的自旋运动碰撞虚光子形成的一种运动的涡旋态,可见磁矩(磁场)与粒子是否带电无关.

磁矩的大小满足: 电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

(5)

从上式可以看出,自旋运动是形成涡旋磁矩的根本,而磁矩的大小取决于自旋粒子的角动量,其中, 常数c表示自旋粒子碰撞虚光子涡旋运动产生的单位虚光子涡旋力的大小,即:最小磁矩的大小.

一个原子的磁矩由电子自旋磁矩(磁矩与电子是否带电无关)、电子轨道旋转运动磁矩和原子核自旋磁矩三个部分组成,我们可以把这样由三个部分磁矩构成的一个原子的磁矩统称为一个磁子,我们用符号C表示,同时,法拉第笔下的磁力线这里就可以解释为磁子碰撞虚光子形成的回旋线路,另外我们就还要对麦克斯韦方程组做进一步的修改,这也就是说磁场是具有场源的,场源是一个原子组成的磁矩:即磁子.注意:我们这里并不需要磁单极子,也就是说磁单极子是不存在的,因为磁矩的两极表示的是自旋粒子碰撞虚光子回旋运动的初始态和终止态,其方向相反.

考虑到电场的本质就是磁场,电场和磁场有共同的场源是磁子,且磁场与磁场也就谈不上相互转换,麦氏方程组的电生磁和磁生电的公式3和公式4就应该被消除,可将(4)式修改如下:

     电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

(6)

通过以上可以看出,通过对电荷本质就是磁子的修正,我们就可以得到电场的本质就是磁场,这样,说明电场和磁场可以互相转换的麦氏方程组也就没有存在的意义,因为本质就是同一客体.

根据(6)式电场的本质就是磁场,这样库仑定律F=k*(q1*q2)/r^2就需要修改为:

               电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

 (7)

根据(6)和(7)式,电场就是磁场,电场满足平方反比原理,又根据磁场的平方反比原理作用机制,我们可统一得到一个(电)磁场的平方反比原理:

        电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

(8)

 

三:解释电流与电磁感应现象

3、1:电流的本质

考虑到摩擦起电的本质是摩擦起场这个问题,这就意味着电场的本质是磁场,同时电荷也就是不存在的,如果电荷是不存在的,我们这就需要对电流的本质进行解释.

对于电流的本质,我们知道,电子绕核运动是一个旋转系统,当电子受作用力F的条件下,角度量就会发生改变,而一个电子的角动量的改变势必在线性方向上碰撞另一个原子的绕核运动的电子,绕核运动的旋转系统模型如下图所示:

 电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

图2电子绕核旋转系统模型

其中,在一个旋转系统里,质点到原点的位移(r)、动量(p)、角动量(L),这些物理量满足关系: 
             电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

   (9)

从中可以看出,当物体受力动量(p)变大时,角动量随之变大.

 

对于以上电子受力角动量发生改变产生的线性碰撞运动,我们可以形象的用粒子的定向碰撞运动来表述,而这种线性碰撞运动都会形成一种力传递,正是这种力传递造成了我们通常意义的所谓电流,如下图所示:

        电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

              图3电流的力传递模型

根据力传递原理,电流的大小就满足关系:

        电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

      (10)

从以上可以看出,电流的本质是自旋电子角动量改变的线性碰撞运动.而电流的大小与作用力的大小,即:角动量的改变量成正比.

 

根据以上分析,之前我们用电荷的定向转移来解释电流的本质,这里可以看出,所谓电荷的转移其实质是一种力传递,不存在除了力之外的另一种特殊物质:电荷.

 

考虑到电流的本质得以确定,那么我们需要解释电压的本质,因为电流的本质是一种角动量变大发生的线性碰撞运动产生的力传递,那么电压的大小就与电子的角动量改变的大小和被改变角动量的电子数量成正比例关系.

当角动量L一定的情况下,电压U,与线动量n的关系满足如下关系式:

       电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

  (11)

根据以上分析,电压的本质是角动量和线动量的乘积.

 

通过以上我们对电流和电压的从新解释,虽然电荷是不存在的,但是并没有否定电流的存在,电流的本质是一种力运动,而电压的本质也从不带任何电性的电子的角动量和线动量的改变得到解释,这样也就是说欧姆定律I=U/R,同样适用.另外,焦耳定律Q=I²RT也同样适用.故而,新的电磁学理论适用于任何实验现象和已有的电磁学定律都不矛盾.

 

3、2:电生磁的本质

考虑到电流的本质是一种力的形式,当对金属导线通电引发旁边小磁针偏转的电磁感应现象的本质如下图所示:

        电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

             图4金属导线通电产生磁场模型及其原理

根据以上分析,金属通电产生磁场,实质是对内部混乱的磁矩施加一个定向的作用力,这里的作用力F等于电流I,满足关系:

   电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

(12)

 

根据(12)可知,电生磁是一种力的过程,考虑到电流强度表示的是作用力的大小,在平面载流线圈的磁矩运算方面,我们可以如此推导:

  电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

(13)

 

通过以上分析可以看出,电磁感应的本质不是电场与磁场之间的相互作用,而是完全的两个磁场之间的相互作用.

 

3、3:磁生电本质

考虑到电流的本质是一种粒子碰撞运动,电场的本质就是磁场,法拉第电磁感应现象就该表述为:金属棒切割磁感线运动,本质是运用金属棒去碰撞磁场,促使金属内部不带任何电性的电子受力,进而发生定向碰撞运动,从而形成通常意义下的电流.下图为电场感应现象实验:

         电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

             图5电磁感应现象

考虑到电场的本质就是磁场,那么电磁感应现象中,当切割磁感线的周期一定的条件下:即力F 一定时,电流的大小满足关系:

    电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

(14)

根据以上公式,电流的产生以磁场E成正比,可是通常情况下由于发电的发电机,磁场是恒定不变的,为了产生更强的电流,我们只能加强切割磁感线的频率V或周期),这相当于等效的加强了磁场的场强,所以满足关系如下:

           电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

 (15)

 

以上是电流形成的通俗解释,对于电流的形成,我们还可以用新平面载流线圈的磁矩运算的逆运算来进行推导,根据(13)式可得,当线圈面积S一定时,电流与磁矩m成正比例关系.

     电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

(16)

 

通过以上分析,这就是发电机的原理,不管是水力发电还是风力发电,只有在水流湍急和风力较强的地方,才能加大切割磁感线的频率,从而产生更多更强的电流,造福于人类.

 

综上所述:电磁感应现象的本质都为两个磁场之间的相互作用.

 

四:实验验证

如果摩擦起电的本质是摩擦产生磁场,那么磁铁必然能与摩擦场存在相互作用力,如下图实验所示,我们做了一个带有磁性的螺丝刀与‘摩擦场’的实验:

           电荷是不存在的《真正意义上的电磁学新革命》

        图6摩擦起场的对照实验

考虑到用磁铁直接靠近摩擦过的塑料尺子,磁力比较微弱很难观察出实验结果,故而实验中我们用带有磁性的螺丝刀靠近被尺子吸引的碎纸屑,通过观察碎纸屑的变化就能判别出磁铁对摩擦场有没存在相互作用.

 

在实验中,我们做了一组对照实验,在实验甲中,正常情况下,带有磁性的螺丝刀并不会吸引碎纸屑;而在实验乙中,当我们用螺丝刀靠近被尺子吸引的碎纸屑时,发现了螺丝刀吸引碎纸屑现象,随之变化了一下螺丝刀对于尺子的位置,我们还发现了螺丝刀排斥碎纸屑现象,通过以上实验发现,磁铁确实能与摩擦场存在吸引和排斥的相互作用,这就说明摩擦起电的本质就是摩擦产生磁场.(注:这用感应电荷理论是无法解释的,因为感应只能感应产生异种电荷,从而也就不可能存在排斥现象,而这用磁场的两极性质恰好能得到合理的解释)

 

 

五:讨论与争议

5.1由于实验证实摩擦起电的本质就是摩擦起场,这就需要解释为什么小磁铁通常都不能直接磁化小纸屑?对于这个问题,其实我们可以运用磁铁的单位平均磁力远小于‘摩擦场’的单位平均磁力来得到解释.

通过进一步实验还发现:不但具有磁性的螺丝刀能吸引和排斥碎纸屑,而且即使是刀片、纸牌、手指都能吸引被‘摩擦场’磁化的纸屑,这似乎说明验证摩擦起场的以上实验不一定正确.然而这个实验刚好证明了‘摩擦场’的单位平均磁力非常巨大,基本能磁化周围的所有物体(接触面);如果以上这些实验现象运用感应电荷来解释,感应都是产生异种电荷,也就是这些实验中只会存在吸引现象,吸引和排斥现象不会同时存在,而运用磁场的两极就可以完美的解释这种同时存在的吸引和排斥现象.

 

5.2:如果电荷不存在,似乎与证明电荷存在的密立根油滴实验相违背.而事实并非如此,因为密立根油滴实验是检验电荷性质所表现出来的作用力的大小的实验,也就是说密立根油滴实验并没有发现独立于物体存在电荷这个客体,验证的只是一个作用力的大小,根据以上证明,电荷的背后机制是磁子,也就是说所谓的电荷常数就是磁常数,也就是说电荷不存在,密立根油滴实验同样成立.

 

5.3:如果认为电荷是不存在的,这样意味着正电子是不存在的,这以当今实验所证实并存在反物质实验不合.

对于这一点,其实所谓的反物质只是内部运动结构跟普通物质相反或磁场相反(我们获取正电子的方式是对靶粒子进行高速撞击,这个撞击必然改变靶粒子的内部运动结构,促使碰撞前后运动方向完全相反),导致形成的磁场也完全相反,当两个内部运动结构完全相反的物质相撞时,两物体必然解体的更彻底,从而释放出巨大的能量.这就是说反物质与正物质的区别是磁场相反.(注:磁场是粒子自旋运动产生的,正反物质的磁场相反本质也就是其自旋相反)

 

5.4:如果电荷是不存在的,就意味着原子核的质子不带电,从而也就不需要一种克服质子间静电排斥的力使原子核精密结合的强力,也就是强相互作用力可能是不存在的.

但问题是大家会认为,强力的存在已近得到了实验的证实,并且实验已经捕获强力的媒介‘胶子’,这样,认为电荷和强相互作用力不存在显然与实验不符合,其实,现实是并没有任何实验直接或间接的证明过强力的存在,所谓捕获的‘胶子’,实验只是通过碰撞捕获了质量更小的粒子碎片,并没有任何实验可以证明或证明过这种粒子是如何相互作用的.这也就是说强相互作用力一直以来都还处于一种假想阶段.(其实原子核的存在就反证了不存在电荷)

 

5.5:如果电荷是不存在的,考虑到化学键合的本质是正负电荷之间的吸引.所以,这似乎要让所有的化学家失业,难道那么多的化学实验都是假的?这当然不是,化学键合确有其事,正好说明我们应该从新修改化学键合理论,考虑到电荷的性质这里被磁场所取代,这正好说明化学键合的相互作用力是磁力,也就是电子之间磁矩的相互作用,我们需要新的化学键合理论.(注:因为化学键合的本质是最外层电子之间相互作用,而每个电子都有自旋磁矩,也就是说化学键合其实是磁矩之间相互作用力,也就是说化学键合的本质是磁场的场合,比如:7电子和1电子的结合,就是7个磁矩产生的磁场与1个磁矩磁场相互作用,因为磁场的相互吸引而导致化学键合)

 

5.6:考虑到经典理论已经证明弱相互作用力是电磁相互作用力的一种,而今发现磁场相互作用力是引力的衍生品(粒子的轨道运动和自旋运动是引力产生的,磁力是粒子自旋和轨道运动过程中碰撞虚光子形成,也就是说磁力是引力作用下的一种衍射力),又证明强相互作用力不存在,这就意味着大统一理论的初步形成,世界只有一种相互作用力:引力.

 

六:新预测和一个未解决的问题

1.1以上推理及其实验证明,电场的本质确实是磁场,考虑到通常情况下,磁铁并不能吸引碎纸屑,但根据以上解释我们可知道,普通情况下磁铁之所以不能吸引碎纸屑,是因为单位平均磁力较低的缘故,这样我们就可以去做一个强磁场装置来彻底验证这个理论,在强磁场作用下,碎纸屑必然能被强磁场吸引.(注:理论上是可行的,因为任何物体都可以看作具有磁性,并且2010年诺贝尔物理学奖得主安德烈·海姆曾经用强磁场将一只青蛙悬浮起来)

1.2通常,电场和磁场最大的区别就是电场有电荷而磁场无磁荷(也就是电场有场源,而磁场无场源),除此之外,电场和磁场还有一个区别,那就是磁场是闭合场,而电场通常是非闭合场,对于这个问题,因为电场通常是在受力的情况下才产生,也就是说电场其实是动态的磁场,即:动磁场.这可以解释电场为什么容易磁化碎纸屑,而磁场却很难发现,因为动磁场的场力是非闭合的,原因是有电子位移的存在,在摩擦起电实验中,电子位移本身所带的动量辅助了磁场磁化碎纸屑,而普通磁铁的场力就是单纯的场力,所以摩擦起电实验中的单位平均磁力远大于普通磁铁的磁力,普通磁铁只有在强磁场的条件下才能磁化碎纸屑.

 

七:总结

 经过理论推导和实验证明,电场的本质就是磁场,确切的说是动磁场;因为电场的本质就是磁场,这样电荷的存在就是一个多余不必要的假设,自然存在也是非必要的;如果电荷不存在,对电磁学就具有革命性的意义,考虑到强相互作用力是由认为电荷存在推导出来的,这样强相互作用力的存在确实值得质疑,另外当下粒子物理前沿夸克的研究都是采用分数电荷来解释的,这对革新对粒子物理的认识也是具有很大的意义的;同时,因为否定了电荷的存在,就可以把引力跟电磁力统一起来(电磁力是引力的一种衍生品),考虑到传统理论证明弱相互作用力是电磁相互作用力的一种,现在又否定了强力的存在,这就意味着大统一理论初步形成,世界只存在一种力:引力.综述:这一发现对革新整个物理学具有乐观的意义.

 

感谢浙江大学沈建其教授,美国田纳西大学王令隽教授,上海交通大学物理系雷啸霖院士,郝柏林院士、陈难先院士等人的指导与探讨.

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