静电场中正负电荷吸引与排斥原因的探究

解家江

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引言

从发现电荷特别是区分出正负电荷后,在对电荷的研究中物理学家对正、负电荷之间有排斥力和吸引力而质量体之间只有吸引力感到困惑,为什么存在正、负两种电荷,为什么同性电荷相斥、异性电荷相吸?物理学家也做了很多探索研究。现代物理学提出的静电场是虚光子场的理论,使我们对静电场库伦力的产生有了初步认识,但这一理论仍没对异性电荷相吸、同性电荷相斥的原因予以清晰解答。本文尝试通过分析电荷的虚光子场特性解答这一问题。

1 电荷差异性原因分析

1.1 虚光子形成静电场

先分析一般的光子。

光是电磁波,是横波,不同频率的光不同;同一频率的光也不同,只要有相差就相互干涉,相位差为π时,干涉使他们引起的电磁空间效果为零,而当相位差为2π的整数倍时,则他们引起的电磁空间效果增强。

虚光子是不可直接观测的光子,是虚粒子之一。虚粒子的概念来源于量子场论里的微扰理论,虚粒子被用来描述那些无法用实粒子来描述的基本交互作用力的量子。在量子电动力学（QED）中,由QED表述的虚光子特性在一些消失模实验中被观察到,因而从物理意义上提出了一个观点——消失模是虚光子。

程智通过对电荷和磁荷产生的静电场以及静磁场进行分析,获得了两个时空中与海森堡测不准原理一致的公式,并获得另一类型的波动方程,由此得到了与已知的电磁波的性质相同的新的电磁波,新的电磁波呈现一种波包的形式,具备局域性,可以看作是虚光子[1]。

虚光子和光子,两者在一定程度上应有内在的一致性,如都可携带能量（并且,由于电荷的静电场被认为是虚光子的发射、吸收形成,而电场是实际存在的,从这一意义来说,虚光子不“虚”）。

现在分析静电场中虚光子的具体景象。

静电场中同性电荷相互排斥、异性电荷相互吸引,这说明异性电荷之间与同性电荷之间产生的虚光子场中的过程是不同的。而过程的不同可以推断完全是因过程主体——虚光子的不同引起的。

推理如下:

先假设:同性电荷之间的虚光子场是充满A种虚光子,异性电荷之间的虚光子场是充满B种虚光子。因而会出现4种情形:

（1）正电荷-A-正电荷;（2）正电荷-B-负电荷

（3）负电荷-B-正电荷;（4）负电荷-A-负电荷

第（2）、第（3）种情况是无差别、相同的过程。

但在第（2）和第（3）种情形中,B种虚光子是来自正、负电荷两种电荷的,如果认为B为一种虚光子,那么来自正电荷的虚光子与来自负电荷的虚光子就会是一样的,于是A与B是全同的。

然而这与我们的假设矛盾。所以:

第（2）与第（3）种情形中的虚光子场中虚光子不会是同一种虚光子。

因而第（1）与第（4）种情形的虚光子场中的虚光子不会相同。

1.2 存在两类虚光子

鉴于以上分析,提出下面的假设:

1.2.1 存在两种虚光子,可设为一种是正相的,而另一种是反相的;

1.2.2 正、负电荷分别有不同的虚光子构成,正电荷由正相虚光子构成,发射吸收正相虚光子;负电荷由反相虚光子构成,发射吸收反相虚光子。

电荷的荷电性仅仅是两种虚光子发射、吸收的统计效果。

上面的假设还需要把“结构”的概念引入电荷之中,即电荷的生成,不仅需要一定数量的虚光子,而且这些虚光子还要形成某种“稳定”结构。

正、负电荷发射、吸收两种不同的虚光子,形成两类静电场,一种是正相虚光子场,一种是反相虚光子场。

2 静电场中同性电荷相斥、异性电荷相吸的原因

2.1 单个电荷对空间的影响

使用爱因斯坦的假设,把不包含电荷的自由空间想象为“极其平滑的布”。

将一个电荷放入自由空间,电荷在自由空间中通过发射、吸收虚光子形成虚光子场,由于虚光子也携带能量,可以认为虚光子会对电荷形成“虚光子压”。设电荷停在空间的A处,根据空间各向同性,从A点发射及吸收的虚光子在空间各个方向是相同的,所以A点电荷受到的“虚光子压”在空间各方向是相同的,因而A点处电荷可以稳定的停在A点位置。

可以将虚光子想象为一些能量子波峰。

上面的情形表述为:A点电荷周围的能量子峰密度对空间各方向是全同的,这种全同性使该电荷保持停留在A点位置。

但自由空间放入一个电荷后,由于虚光子场的存在,空间就不再是一块“极其平滑的布”了。

2.2 两个电荷对空间的影响

这两个电荷既可以是同性的,也可以是异性的。

先讨论一对异性电荷在空间中是怎样的情景以及对空间的影响,同性电荷的情况通过类比就可以得到。

设有一对异性电荷分别在A、B点,A点位置的电荷为正电荷,B点位置的电荷为负电荷,A点电荷形成正相虚光子场,B点电荷形成反相虚光子场,A、B点的电荷都在空间形成了对应于自身的能量子（光量子）峰。但是这两种虚光子对两个电荷却具有不同的意义,A点的正电荷形成的正相虚光子场对A点的电荷来说是能量子波峰,对B点的负电荷来说却是能量子“波谷”;B点的电荷形成的反相虚光子场对B电荷来说是能量子波峰,对A点的电荷来说却是能量子“波谷”。

这样在A、B点的电荷的中心连线上,A点的电荷的虚光子产生的能量子峰恰好跌落在B点的电荷的能量子峰中（因为对A点的电荷的虚光子来说B点的电荷的能量子峰好恰是谷底）,B点的电荷的能量子峰恰好跌落在A电荷的能量子峰中（因为对B电荷的虚光子来说A点的电荷的虚光子产生的能量子峰也恰是谷底）

叠加的总效果,在A、B电荷的中心连线上,A电荷没有了能量子峰,B电荷也没有了能量子峰。在A、B电荷的中心连线上又呈现了象“极其平滑的布”一样的自由空间。在A、B电荷连心线上,两种虚光子对A、B电荷产生的作用效应都为零。

A电荷从连心线上“感受”到的虚光子能量为零,B电荷从连心线上“感受”到的虚光子能量也为零,并且在连心线附近的空间,虚光子能量子密度也有所抵消而降低,因此在A、B电荷连心线及其附近空间的虚光子压必然降低。

但对于A、B点的电荷来说,除连心线及其附近的空间的其它方向虚光子密度不变,因此在这些方向虚光子能量效应不变。亦即虚光子压作用效应不变。

虚光子压在垂直于A、B电荷内侧连心线方向上互相抵消。

在其他方向上虚光子压却产生出两个“净压力”,从“外侧”分别指向电荷A、B,即A电荷产生的的“净压力”由A电荷指向B电荷,B电荷产生的“净压力”由B电荷指向A电荷,就像A电荷在拽拉B电荷,B电荷也拽拉A电荷一样。

2.3 静电场库仑力的生成

虚光子携带能量量子,每个能量子峰携带h（普朗克常数）大小的能量,可以认为A、B电荷连心线外侧虚光子相对于A、B电荷连心线内侧“抵消”后多出的“净能量”为mh,这个净能量沿A、B连心线从外侧向A、B电荷内侧（因为内侧能量密度低）流动,因此产生一个能量流:

因为虚光子的速度也为光速c,所以r可以写为r=ct,于是

这恰是一个力的表达式,力的大小应等于静电场的库仑力F,

当A、B为同性电荷时,情景与上述相反,简述如下:

当A、B为同性电荷时,他们发射吸收的虚光子全同,因而在A、B电荷的内侧虚光子峰通过叠加进一步强化,能量密度增大,能量子流增强,使A、B电荷内侧不能产生“像极其平滑的布”一样的空间。

3 光子、虚光子与双缝干涉实验

经典的托马斯-扬双缝干涉实验用实验结果证明了光的波动性,以后电子的双缝干涉实验又证明了电子的波粒二象性,并由此确立了微观粒子波粒二象性理论。

我认为,电子之所以表现为波粒二象性,是因为电子本身携带着虚光子“雾团”,光子或虚光子是电磁波,这样两个（束）电子穿过双缝时,虚光子之间的干涉导致电子的干涉效果。

同理,即使量子力学中“诡异的”所谓单电子干涉现象,虽然主流量子物理学用所谓“叠加态”能对其进行说明、描述,但单电子干涉现象究其根源也应与电子携带的虚光子“雾团”有关,单个电子携带虚光子“雾团”到达双缝时,虚光子“雾团”并不是从一个缝中通过,而是可从双缝中同时通过,发生干涉现象。

极端“诡异”的单光子干涉现象,也可以从光的本性找到一种有别于“叠加态”的答案,麦克斯韦方程断定光是电磁波,是横波,所以即使是单光子,在传播过程中它也仍然表现为运动的交变电磁场,作为横波的交变电磁场—光子,到达双缝时,运动的交变电磁场可以同时通过双缝,从而在接收屏上展现单光子干涉现象。

由于以上原因,在平行双缝屏的左侧（即微观粒子还未通过双缝的一侧）,应能检测到被双缝屏反射的极微弱的电磁波。