万有引力定律与库仑定律为什么如此相似? 库仑引力

万有引力定律与库仑定律为什么如此相似?它们之间有何本质联系？

马海飞

(http://blog.sina.com.cn/gfis2010年9月10日)

首先让我们来看一下万有引力定律和库仑定律是什么。

1、牛顿万有引力定律：

任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。公式为：F=G･m･M/r²。其中F是两个质点之间的万有引力，m和M分别是两个质点的质量，r是两个质点之间的距离，G是引力常数。G=6.67×10^-11牛･米²/公斤²。

2、库仑定律：

真空中两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷所带电量的乘积成正比，和它们距离的平方成反比，作用力的方向沿着这两个点电荷的连线,同性电荷相斥，异性电荷相吸。其计算公式为：F=k_e･q･Q/r²。其中F是两个点电荷之间的静电力，q和Q分别是两个点电荷的电量，r是两个点电荷之间的距离，k_e是库伦常数。k_e=9×10⁹牛･米²/库²。

比较这两个定律，我们会发现它们之间有着惊人地相似之处。尤其是它们的计算公式，在形式上几乎是完全一样。就连它们常数的单位，在形式上也几乎完全一样。这种相似性引起人们极大的兴趣。因此就很自然地会问：为什么万有引力定律与库仑定律力如此相似？不仅如此，实际上已经有很多人在没有弄清楚这个问题之前就以这种相似性为依据，把它们联系起来解释自然现象了。例如一些人试图使用库仑力或从“电”的角度来解释万有引力的本质和起源等。因此，这里又涉及到了另外一个重要问题，就是：万有引力与库仑力之间到底有没有本质上的联系？这些都是非常重要和基础的物理学问题。必须尽早得到解决。

现在让我们先看一下第一个问题：万有引力定律与库仑定律为什么如此相似？以往，人们把万有引力作为质点间的相互吸引作用来研究，当然就很难理解万有引力的本质。不知道其本质，就无法正确地找出与库仑定律相似的原因。其实，二者相似的根本原因是它们都遵循“平方反比定律”。这是关键所在。平方反比定律反映的是球形场特性^[1，2]。所有的球形场都遵循平方反比定律。例如光的传播方式也是一个球形场，因此光的强度也遵循平方反比定律。引力定律与库仑定律都遵循平方反比定律，就说明引力和静电力都与球形场有关。在我之前关于引力定律与库仑定律的文章中对这方面有所解释^[3]，并指出：“引力与静电力是物质以相同的方式对各自不同物理特性的不同表现。虽然表达出来的内容不同，但表达方式完全一样。”球形场就是造成万有引力定律与库仑定律如此相似的根本原因。它们都是“点”与“场”之间的直接相互作用，而不是“点”与“点”之间的直接相互作用。实际上，“万有引力”并不是“质点之间的相互吸引力”^[4]。因此把牛顿的“引力”改称为没有吸引概念的“重力”更为准确^[5]。

那么，重力与库仑力之间有本质上的联系吗？解答这个问题就必须从这两个定律之间的不同之处着手。如果我们只看它们之间表面上的相同之处，不看它们本质的不同之处，就象我们比较鲸鱼和鲨鱼的外观，很难看出“鲸鱼”根本就不是“鱼”一样。万有引力定律与库仑定律在表面上非常相似，但是在本质上却完全不同。首先，万有引力的一个关键性质是它的“万有性”。只要是有质量的东西就具有这种性质。因此，万有引力（重力）来自物质的基本属性，而不是物体的构成成分所表现出来的物理特性。但是，库仑力（静电力）却不具备万有性。一些具有质量的东西却并不一定有静电力。例如中子就不带电。我们在周围环境中见到的很多物体也不表现出静电的引力或斥力。“电”不是物质基本属性的产物，而是一种物理特性的产物。因此，静电力的产生是有特定条件的。也正是如此，静电力是可以产生和消除的。而重力却是不可产生和消除的。另外的一个不同就是，重力只有一个方向，而电力有正负两个方向。还有一个更重要的也是本质上的不同之处：重力不是“物体之间的相互吸引作用”，而静电异性电荷之间的静电力却是“电荷之间的相互吸引作用”。也就是说，重力不是维持物质的任何基本结构所需要的力，而静电力则是一种维持物质基本结构所必须的力。从这些不同我们可以得到的结论是：重力是比静电力更加原始的力。重力不可能在“电”的基础上产生出来。而且，从力的本质上来说，重力与静电力是本质上完全不同的力。重力是物质的物理现象导致的结果，而静电力是一个导致物理现象的原因。在因果关系上它们完全相反。因此，万有引力定律与库仑定律之间虽然具有表面形式上的相似性，但是，重力和库仑力之间没有任何本质上的直接联系。

参考文献：

[1]http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100gedn.html

[2]http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100l3bx.html

[3]http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100gdm4.html

[4]http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100l0uw.html

[5]http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100jbq7.html

本文引用地址：http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100lblw.html

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