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物理的感悟:(十七)力的產生
2024/12/12 06:04:34瀏覽14|回應0|推薦0

牛頓力學中的力是一種中介的觀念,從力的源頭產生力到力的作用消耗力。從邏輯上得先產生力,然後力作用到物體改變物體的動量。然而在時間上力的產生與作用卻不分先後,同時發生。力產生後不能儲存,必須立即完全耗盡。因此力只能是執行物理規則的觀念,而不是物體的狀態。

用力是再尋常不過的事。走路時在用力,拎東西在用力,就是吃飯喝茶都在用力。力的種類繁多,彈簧有彈力,繩索有張力,推車有推力,走路有腳力,物體相撞有撞擊力,林林總總。這些力都不是重力。那這些力是怎麼產生的呢?

在牛頓的時代以及之後兩百年都將這些力當作不同的力。每一種力各有各的公式。彈簧的彈力有胡克定律。物體相撞的撞擊力有彈性碰撞與非彈性碰撞公式。那些年代的物理學者並沒有想到其實這些力的來源都是同一種力。但是這並不妨礙力學應用到各個方面。

雖然人類很早就發現電力與磁力,卻不知道與物體的關係。直到有了原子與分子模式才知道物體是由原子所構成。有了物體的結構模式,才知道除了重力之外所有力學中的力都是電磁力。唯有理解電磁力才能真正理解力的本質。

電磁力最早、最基本的模式是庫侖定律。庫侖定律敘述靜電荷之間的會互相施力。電荷分為正負。靜電荷指的是電荷與觀察者之間速度相等。庫侖與他同時代的物理學者發現當兩個靜電荷同為正電或同為負電會互相排斥。當電荷一正一負會互相牽引。兩者之間的力與與距離的平方成反比,而與兩者的電荷成正比。從而得到甲、乙兩個電荷之間靜電力的公式
  靜電力 = 靜電常數 { 甲的電荷 × 乙的電荷 } ÷ 甲乙間的距離2
。排斥力施於甲的方向是從乙到甲,牽引力的方向與排斥力的方向相反。施於乙的力與施於甲的力方向相反。

與重力相較,一對正負電子之間的靜電引力是它們之間重力的4 ×1042倍。一個電子與一個質子之間的靜電引力是它們之間重力的2 × 1039倍。因此凝聚原子形成物體的主要力量是電磁力。只有到龐大的星球才顯出重力的作用。

將庫侖定律與重力定律相比較,很容易就發現兩者的形式相同。這兩種力是構成宏觀宇宙的基礎。那麼它們具有相同的形式,是巧合,還是必然?

庫侖定律與重力定律相同的形式意味許多重力的特性靜電力也有。

靜電力也可以疊加。當有三個以上的電荷時,每一個電荷所受的靜電力是其餘的粒子對它所施的電力的向量和。

靜電力也是隔空施力。一般認為兩個物體要相接觸才能互相施力。在踢足球時,腳必須踢到球才能發力將球踢出。在拿杯子時,手必須抓住杯子才能將杯子拿起。只有重力不需要。這個認知是錯的。由於在一般情況原子是中性。兩個原子的電子的排斥力很小,需要靠的很近才有足夠的力產生運動。

這裡就可以看出結構模式的影響。在沒有原子模式之前,物理學者也是從觀察中得到,除了重力以外,必須接觸才能施力的結論。等到有了原子模式之後,才發現原來的認知是錯的。那麼現在物理學中,那些缺乏結構模式的理論,有多少的認知是錯的呢?

靜電力也是施力對象無遠弗屆。除了可以隔空施力,兩個電荷之間互相施的力雖然會隨距離越遠而變的越小,但是無論距離多遠,都不是0。而且當距離改變時,無論距離多遠,一方所受的力會立即隨之改變。這是如何做到的?

靜電力也是用之不竭。對於任何一個電荷,在任意一個空間位置放置另一個電荷,會受到原來電荷的電力。再在同樣的位置放置一個電荷,仍會受到電力而同樣加速。不論重複多少遍,新的電荷都會受到電力而同樣加速。電力不會消耗,永遠用之不竭。

靜電力也可以對無論多少個對象同時施力,互不干擾。任何一個電荷都對全宇宙的其他電荷施力。對每一個對象所施的力與其他電荷無關。

靜電力與重力還有一個類似的地方,就是也有場的模式。靜電場同樣適用高斯通量定理。然而單一電荷的靜電場不具有吸引力或排斥力,只有正與負的區別。吸引力或排斥力只有當另外一個電荷與場的相互作用來決定。當電荷與場同正或同負是排斥力,不同正負是吸引力。

無論是重力場或靜電場,粒子的場都可以疊加。從這點看來,場是隨粒子產生。這不是粒子與場關係的唯一理解。關於粒子與場的關係,後續會有更詳細的解說。

從庫侖定律可以得出:兩個靜電荷之間的電力對雙方施力量相等而方向相反。靜電力與重力一樣也符合牛頓第三運動定律。由於靜電力與重力是原子核之外僅有的力,這就可以得出,牛頓第三運動定律實際上是描述力產生的規則。

場的理論解釋了重力及電磁力遠距離施力的問題,卻又產生新的問題。當粒子移動位置場必須隨之變化。力場遍及全宇宙。離粒子遙遠的場如何能隨粒子新的位置調整場值?也就是說,以場來解釋遠距離施力僅僅是將問題推到另一層次,並沒有真正解答問題。

牛頓第三運動定律的要求使問題更複雜。假設有兩個粒子。粒子在移動。當其中一個粒子與場作用產生力時,如何保證遠方的另一個粒子與所在的場作用會產生相等卻方向相反的力?這些問題力學沒有解答,到相對論與量子論又會再次出現。到時再進一步討論。

( 知識學習科學百科 )
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