电荷的属性

——以及基本电荷相互作用的特点

志勰

本文是对电荷属性处理的一篇文章,可以说是宏观和微观相互对接的内容。我个人认为,本文可以说是采用可理解的模式去解决微观物质的结构特点的非常重要的一篇文章。


       在电的作用一文的简介中,已经提出了一个结论是基本电荷的电量是一个常数,文中只给出了关于电荷间相互作用的作用模式和作用属性,基本上是基于电荷属性逻辑上的定性分析。电荷为常数的性质实际上在电的作用中已经把包含了。只是未曾明确指出而已。因此,在浏览本文之前,我建议您先浏览电的作用(电磁理论与原子论)。本文不再重复电的作用中的已经证明的内容。

平方反比定律

     对于点源对外界的作用,我们不论在处理任何一种物质间的作用的时候,如果这种作用不会改变其它物质的存在状态并且对外界的作用随空间一直延伸下去,那么我们通常采用一个规律对这种作用的属性和特点进行描述,通常把它叫做平方反比定律。

     平方反比定律是基于作用在空间中延伸过程中均分的一种有效表达形式,在物理定律中好多定律都存在类似的形式。如万有引力定律、库仑定律等等。

zhmdhwqdchshdgch01.gif (1863 字节)    如图:

   一个电荷或者一个对外界提供作用的原点a ,它对外界提供作用并且它提供的作用穿过s球面和y球面,那么这个电荷给与s球面一个单位面积的作用和它给与y球面一个单位面积的作用遵守平方反比的关系。提供作用力的点与作用面的距离之间的关系是与距离的平方成反比。您可以通过简单的几何知识进行证实。如:只要检验s球面的一个单位面积和s球面的总面积的比值、y球面的一个单位面积与y球面的总面的的比值,两者的关系就是s、y两个球面单位面积所受到的电荷的作用。

    即从点源出发所提供的对外界的作用均匀的分散到与它相等距离的球面上。这一点是由作用传播过程中的空间结构决定的。

    如上的作用规律是一种普遍的点源作用规律,只要对一个质点或者可以当作一个质点看待的作用源,都可以采用这个规律进行处理。在关于相互作用的领域,我们已经很成功的采用这个规律对物质间相互作用进行处理。

   作用均分原则包含两个哲学观念:

    一个观念是作用源对外界提供的作用不会因为在空间的延伸而在它提供的总的作用数量上而减弱。如图中的电荷所提供的电的作用在s层面上总的作用量和y层面上的总的作用量是相等的。我们不能找到两个层面上的作用总量发生变化的原因,那么只能判断它们是相等的。即:作用守恒。在某种意义上来说,这是一种关于作用的因果论。在一个世纪以前,它的前身叫做力的守恒定律,当然,现在早已经不再用这个物理关系了,而是对作用在物理意义上进行了极大的扩展,演变成能量守恒定律。(我个人认为,这样的修正是不合理的)

    另一个观念是在不存在其它作用的时候,空间的任意点作为作用的载体是各向同性。也可以叫做空间的各向同性,实际上,我们对空间进行微分就可以得到这个结论。当可以当作一个点源的作用源对外界提供作用的时候,我们通常对它的处理在任一个球面上都是采用连续均分的方法处理的。我们知道,如图中s球面和y球面的面积是不同的,电荷电的作用从s球面传递到y球面,在不同层面间的传递过程中,我们认为内层球面的作用总量均匀的分散在它所传递的外层球面上,这是由作用在传递过程中空间任意一点对作用的传递的各向同性决定的。(在某种意义上来说,这是一种经验约定,是不可更改的经验事实)

    这是物质间相互作用的一个基本的规律。构成这一作用规律的逻辑基础有两点:一是张量的属性,另一个是作用均分的原则。(在电的作用中也讨论了这个问题)这是普遍常识性的认识(在原子论中,均分原则在我们所认识到的原子尺度则不再适用,下面也要提到这个问题)

电荷间的作用

1探讨电荷作用的基础

       通常认为我们得到库仑定律的证明是在扭称试验中得到证实的,但是扭称试验中两个带电体之间的线度比在大于1012数量级范围内,我们可以认为在两个电荷之间线度比大于1012数量级时,扭称试验是成立的。即库仑定律严格成立。

       在这一定律成立的基础上,我们可以认为,平方反比定律逻辑基础的两点就是两个电荷间相互作用的属性和特点。电的作用在空间的延伸中具有电的张量属性和作用均分的原则。并且这两点是严格成立的。这样就提供给我们处理这两个电荷在空间相互作用的特点。两个电荷间在这个距离处的相互作用如上图:电荷所给与空间中电荷的作用在s面上和y面上,可以认为这种电的作用是均匀的分布。甚至我们可以认为在两个球面上对电的作用的处理当作连续处理。

   在两个电荷之间线度比小于1012数量级时,库仑定律已经不再成立。至少我们在两种电荷间的作用上可以得到这样的结论。电子和质子间的作用。在我们对电荷间作用的处理上,可以进行如下的推理:

    一、在电荷间的线度比小于1012数量级时,在距电荷一定距离处的等距离球面上,电荷对外作用的张量的属性、作用均分原理不在适用。或者其中一者不在适用。

    二、存在其它的作用形式,在两个电荷相距一定距离处存在新的作用,并且和电的作用的叠加并影响平方反比的规律。

    在物质间相互作用的基础上去处理电荷间近距离的相互作用,不存在除此之外的其它形式。我们探讨电荷间的近距离处的作用,只能基于如上两点的基础上进行讨论。

2、异种电荷间近距离处的相互作用

    两个正负电荷间的作用,最典型的就是电子和质子的作用,这也是我们最初发现的电荷间的作用。

    但是,在一个世纪以前人们对电荷属性的理解,解决库仑定律问题的方法就是一个典型的例子,您可以参阅“库仑定律的适用范围”(本站)在观念上来说,就是我们刚才讨论过的“电的作用在空间的延伸中具有电的张量属性和作用均分的原则”

    一个关键的事实是电子和质子的近距离的相互作用似乎不遵守“电的张量属性和作用均分的原则”

    我们已经探讨了电源作用在传递过程中的规律,同时是基于空间传递作用的不可更改的经验事实。那么,质子和电子的作用是否就说明如上的规律不能成立呢?回答是肯定的,不是。如果如上的规律不能成立,那么空间的各向同性就不再成立,这样我们对这样的空间将会是不可想象的。如果不能成立,日常生活中我们所观测到的电的作用以及我们所得到的现在的关于作用的物理规律将不会是现在这个样子。

    在质子和电子间的相互作用中,存在新的规律,现代物理学中把它叫做量子规律。我们知道,传统对原子的解释中不是基于因果关系进行解释的规律,而是在统计的基础上采用的量子化的方法。虽然量子论在对现在的物理事实的解释中接近正确,但是我不赞成这种描述方法,因为这种解释方法不是以物质间的相互作用作为物理事件发展的前提。

    如果单独一个电子和质子的相互作用严格遵守库仑定律,那么电子和质子将会吸引到一起,而不会形成我们所见到的物质结构。

    如果单独一个电子和质子的相互作用严格遵守库仑定律,并且采用玻尔原子行星式模型对质子和电子间的作用进行解释,那么,理论上来说,对于氢原子发光的经验事实我们将会观测到连续的光谱。实际上氢原子的光谱则是分立的。

    如上的事实说明,质子和电子间的作用在近距离处不遵守库仑定律。

   

  如下,我们看一下质子和电子间的相互作用。

    我们虽然对电荷近距离处的相互作用不能采用试验的方法进行确定,自然也不能采用试验的方法对电荷的作用去矫正我们对电荷间相互作用的理解,这意味着采用基本粒子间的确定性的真实作用去解释电荷间的相互作用是失效的,我们只能根据电荷间相互作用的规律和运动变化过程中所反映出的现象进行逻辑性的分析,只能采用可能性的解释去处理电荷间的作用情况。而至于电荷间真实的作用,我们所作的只能是接近。

    我们没有理由怀疑空间的各向同性与空间大小存在某种确定的关系,也不能得到空间传递相互作用同空间大小的关系,我们只能根据我们常规的经验事实得到——空间传递作用的属性与空间的大小和方向无关。这只能是一种经验约定。

    这样的一个结论必然导致另一个和物质间相互作用相关联的另一个结论,在点源对外所提供的作用中,在以点源为球心的作用球面上,均分原理仍然适用,这一点也是用于点源作用源对外界作用的扩展。那么,如果电荷对外提供的电的作用是均匀的,电荷提供给任一球面的作用都会符合作用均分的原则。那么,库仑定律在理论上来说,是严格成立的。即:质子和电子之间将一直是吸引力,并且氢原子的发光将会是连续的。这与我们所观测到的经验事实是不符的。因此,在点荷间的相互作用上,将存在两种可能:

    一种可能是电荷对外提供的作用不会是均匀的弥散在整个电荷球面上,可能会存在线状的对外作用结构,如图:

zhmdhwqdchshdgch.gif (2531 字节)     在原子论中(请参见本站中的原子论),排除了由电荷施加作用的作用点出发的电力线沿多个方向传递作用的可能性,电荷对外界的作用,由电荷表面的一点出发对外界的作用是沿一个方向的。我们刚才探讨了电荷在空间传递电的作用的两个特点,一个是点源作用的特点——作用守恒,另一个是空间的各向同性。以及文章开始提到的作用均分原理和张量的属性,那么,我们不能怀疑我们经验应用中的这些规律,那剩下的问题就是电荷的结构了。

    在传统中,我们通常将电子或者说基本粒子看作刚性的粒子,或者说刚性的质点。依据以上我们对点荷间相互作用的分析,我们采用电荷是刚性的,并且由电荷表面出发对外界的作用的点源在电荷表面是均匀分布的将不能对原子现象进行解释。那么,我们只能假设,电荷表面对外界的作用是分立的点源引起的,这对于原子的解释也是有利的。

    这样,由电荷表面一个作用点出发的电的作用力线将会沿一个方向对外界提供相互作用,我们仍然可以采用我们以上探讨的点源作用的规律去对电荷对外作用的一个作用点去进行分析,它仍然符合点源对外作用的守恒的规律,同时,空间的各向同性仍然不会改变。我们不论是从粒子的层次还是原子以上的层次,这样的解释都是合理的。

    即便采用如上的方法,也仍然不能对质子和电子间组合成氢原子进行解释,因为两种不同属性的电荷间的相互作用是相互吸引的。原理上来说,带正电荷的质子和带负电荷的电子将会吸引到一起。关于这个问题,已经有了解决的方法,引入新的作用。我将在“时空因子”中进行解释。(这篇文章还需要一段的时日,本文之后是“时间和空间的逻辑结构”,之后就是这篇文章了。需要您等待一段时间)

    这里面仍然存在这样一个问题,如果我们对电荷的表面对外界的作用采用如上的方法进行点源的处理,那么电荷对外作用的方向将是一个固定的方向。在电荷表面对电荷以外的空间提供的电的作用的时候,必然由于点源作用的张量属性而发生作用的扩散。如本文第一个图中的s层面和y层面的的球的表面积是不同的一样,存在一个散度的问题。关于这个问题,我们只能根据电荷间的作用规律去对这个问题进行解释。原子发光存在着大量的经验事实,我想我们是可以对这个问题进行解决的。

3、电荷的属性

    我们依据处理点源作用的方法和规律去处理电荷提供的对外的作用,我们发现电荷表面一点对外界提供的相互作用如果要遵守点源作用的规律,并且在空间大小对作用的传递属性上要保持各向同性不变,那么我们就必须对传统中电荷所固有的属性进行一些改变。

   首先第一个属性是电荷表面对外界提供的作用,在表面的分布上不能看作连续的处理,而是在电荷表面存在某种对外提供作用的点源。由于电荷间的作用是稳定的,那么这种提供作用的点源将是稳定的。

   进行如上的处理一个直接的结果是电荷的表面存在某种确定的结构。换句话说,电荷具有确定的结构。

   如果我们假设点源作用的规律在空间上的分布是正确的,即;平方反比定律是正确的;原子发光的规律存在某种谱线结构,那么将电荷对外作用的属性进行如上的处理是必须的,同时这种电荷的结构也是必须的。(您可以参见原子论,本站中的)这是采用电荷间实际的作用依据采用逻辑关系得到的必然结果。

   

   在传统物理中采用对原子的电子轨道进行量子化的方法对谱线结构进行处理,并且对精细结构采用电子自旋的方法进行处理,这样处理的结果我个人认为是不妥的。对于原子的电子轨道进行量子化处理,我们不能解释两种轨道跃迁的时间问题,因为我们不能从力学的角度对这样的问题进行处理。只能是数理逻辑对实验事实的对应。对于电子自旋,我们同样也不能解释两种自旋状态和时间的关系,我们不能从时间和空间中对量子化的这种自旋状态进行任何尝试性的解释,只能看作某种和数理量间的一种对应。我们仅看作理论上的解释并且和实验事实相符的某种数理量是合适的,但却不能看作真实的物理之间的某种量。因为我们找不到和真实的物理之间的某种状态量间的对应。

 

    采用本文所述的方式,我们可以很自然的完成物体某种量的这种对应状态,并且可以在力学和物理量间的关系进行合理的处理。从因果关系上来说,原子的发光看作是原子核和电子的共同对外作用的结果是合理的。

4、电荷的作用特点

    首先基于如下的实验事实:

    我们采用电荷受力的方法所测得的电子的电量为基本的确定的数值,并且任何电子的这种数值都是相同的。那么,电子在确定环境中所受到的作用力是相同的,我们判定为电子的电量是一种常数。

    同时,采用同类的方法我们所测到的质子的电量是一种常数。

    实际上,我们在测量过程中所得到的只是电荷在确定环境中所受力的关系,换句话说,我们所得到的是电荷和外界的作用特点。我们知道,电子和质子在质量和空间大小上是不同的。

    我们通常所测得的范围是在电荷间线度比大于1012数量级范围内,那么考虑到电荷的作用在电的传播过程中的扩散界面在不断的扩大,我们可以判定电荷间的相互作用是在一条电力线上(您可以参阅库仑定律的适用范围)那么,我们可以得到电荷表面的一个作用点对外界的作用所提供的作用量是一个常数,并且电荷和外界的一个单位电荷的作用依赖于一个它对外作用的一个单位力线。这是在宏观上得出的结论。

   这样,电荷的对外作用也是相对的了,电荷的电量对于电荷对外的作用所依赖的仅是一条电的作用力线。以这样的角度来看,采用电荷的电量对电荷对外作用的描述就不科学了。质子和电子在空间的大小上是存在差别的,那么它们所拥有的电的作用力线的数量我们不可能判断它们是相同的。但是,电的作用所依赖的仅是一条电的作用力线。

   但是,两个电荷间的作用在小于1012数量级范围时,原子的光谱线说明我们不能再采用这样的方法处理,也就是电的作用力线在电荷外层空间的分布要对电荷间的作用存在影响,一个点荷和另一个电荷的作用不再遵守平方反比定律,这是由电的作用力线的分布形成的。

 

   在计算电荷间的作用的时候,电荷间的作用力的大小不在与电荷间的距离成反比。而是存在电力线扩散间的作用截面和电荷直径的截面间的关系。(如上图)由于电荷电力线和电荷的作用缺少确定的实验依据,我们不能判定两个电荷间的作用规律,几种关系如下:

    一、我们不知道电荷电力线和另一个电荷的电的作用力线不同方向间的作用关系。

    二、我们不知道一个电荷的一个单位的作用力在空间扩散过程中的发散问题。

    三、我们不知道一个单位电荷一个单位力线对外所提供的作用量的大小。

    四、我们也不知道一个电荷的单位作用力线在电荷表面的分布规律。

    五、我们不知道质子在原子核中的分布规律

    如上五项都需要对原子光谱进行大量的分析,其工作量是大的惊人的不可想象。采用逻辑上的定性分析在这种意义上来说,尤其是在这种定量的意义上来说,会碰到这种局限性,仅采用定性的分析对于这种科学工作可以说几乎到了理论的尽头。

2000.10.2


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