“物理學(xué)是優(yōu)美的,它的美表現(xiàn)在基本物理規(guī)律的簡潔和普適性"。十七、十八世紀(jì)相繼發(fā)現(xiàn)的兩大物理規(guī)律:萬有引力定律和庫侖定律,可以說是物理學(xué)史上一次偉大革命,這兩個定律表述簡潔,內(nèi)容深邃,構(gòu)成了思維與自然和諧的統(tǒng)一。 1、兩定律發(fā)現(xiàn)的歷史背景
萬有引力定律是偉大科學(xué)家牛頓致力二十多年研究的結(jié)果,他從蘋果落地開始思考,直到星際間的運動,總結(jié)出物體之間的作用規(guī)律,最后發(fā)表于1687年,其數(shù)學(xué)表述為:F=GMm/r^2,他是在開普勒、第谷研究得星運動規(guī)律的基礎(chǔ)上總結(jié)并推廣到任何物體之間存在相互作用的引力,宣告天上和地下的萬物都遵循同一條規(guī)律,徹底否定了宗教勢力的天上地下不同的思想,這是人類認(rèn)識史上的一次飛躍,牛頓應(yīng)用萬有引力成功地解釋了潮汐現(xiàn)象,接著海王星、冥王星的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實了萬有引力定律的正確性、萬有引力定律的創(chuàng)立,使天上的運動和地面上的運動統(tǒng)一在一起,揭開了神秘宇宙的第一層面紗,為人類認(rèn)識宇宙、了解自然邁開了第一步。 庫侖定律是法國科學(xué)家庫侖在1785年確立的,庫侖注意到電荷之間的靜電力與萬有引力有許多類似之處,并大膽地假設(shè)靜電作用的規(guī)律與萬有引力有類似的形式,他將電荷的作用力表述為:F=KQ1Q1/r^2被后人稱為“庫侖定律”。力和距離都服從平方反比關(guān)系,庫侖定律中的電量q與萬有引力中的m相當(dāng),不同的是,萬有引力總是引力,而庫侖力可以是引力也可以是斥力。 2、關(guān)于靜電力恒量K與萬有引力常量G
牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力之后后一百多年,英國科學(xué)家卡文迪許于1798年用精巧的扭秤裝置對萬有引力常量G作了一個比較精確的測量,在當(dāng)時無人超過他測量的精度,在此之前,人們只知道存在這樣一個常量,但不知道它為多少,阻礙了人們研究星球質(zhì)量、密度、半徑等一系列與星球有關(guān)的問題,萬有引力常量是目前測得最不精確的基本物理常量之一。因為要測量G,就必須先測引力F,而引力太弱,又不能屏蔽其它物體對它的干擾,實驗很難做,國際科聯(lián)理事會科技數(shù)據(jù)委員會1986年推薦的數(shù)據(jù)為G=6.6725985×10^-11m^3/kg*s^2(或N.m^2/kg^2),不精確度為萬分之1.28,而這樣的精確度并不高。 對于靜電力恒量K,庫侖在推測靜電作用的規(guī)律過程中也是用的扭抨測量K值,不知是庫侖根據(jù)卡文迪許的實驗得啟發(fā)而采用扭秤,還是兩人思維不謀而合,至今仍判斷不清,靜電力恒量的測定比萬有引力常量的測定要精確得多,因為兩個帶電體之間的作用力是比較明顯的,也容易屏蔽外界的干擾,在國際單位制中,K=8.9875×10^9Nm^2/C^2
3、關(guān)于兩定律中距離平方是否可靠的問題
平方反比定律是否會出現(xiàn)偏差?即r的指數(shù)是否一定等于2,這是目前科學(xué)家關(guān)心的問題,庫侖定律中平方反比若有偏差,理論上會導(dǎo)致光子的靜止質(zhì)量不為零,從而出現(xiàn)真空中光速可變(真空散射),黑體輻射公式要修改,電荷不守恒,這樣便會動搖電磁學(xué)乃至物理學(xué)整個大廈的基礎(chǔ),幾百年來,隨著精密儀器的出現(xiàn)和實驗技術(shù)的提高,并經(jīng)過不少科學(xué)家的努力,距離指數(shù)已達(dá)2+3×10的精確度。盡管精度很高,但是它是否嚴(yán)格等于2,仍受到物理學(xué)家的普遍關(guān)注,并將進(jìn)一步得到檢驗,如果萬有引力的指數(shù)有偏差,則會引起力場的高斯定理不成立等一系列問題,是與我們所學(xué)的知識背道而弛的,這些基本物理規(guī)律被破壞當(dāng)然不可能想象。譬如說,現(xiàn)在如果有人宣布r的指數(shù)比2略大或者略小,哪怕只是一丁點兒,物理學(xué)則可能重新被修改。 還有,萬有引力定律和庫侖定律在形式上的相似性,是否意味著這兩種作用的某種內(nèi)在的質(zhì)的統(tǒng)一性,至今還是一個謎,有待我們?nèi)ソ沂尽?/span>
在中學(xué)階段,庫侖定律中電荷要視為靜止(兩電荷相對靜止且均在慣性系中)的點電荷,萬有引力定律中的物體要視為質(zhì)點,但如果不能視為點電荷和質(zhì)點,也能根據(jù)力的矢量迭加原理和微積分理論求得其值。 庫侖定律是電磁學(xué)中的基本定律,包括著名的a粒子散射以及地球物理探測在內(nèi)的大量實驗表明:庫侖定律在小至原子、原子核的線度,大至地球的線度內(nèi),即在10~10m的范圍內(nèi)是可靠的,但在小至10m以下和大至天文距離時,庫侖定律能否精確成立還未經(jīng)實驗證實,當(dāng)然也沒有理由預(yù)料在大距離下庫侖定律會遭到破壞,萬有引力定律在太陽系內(nèi)討論天體運動獲得了巨大的成功,它的威力究竟能力能延伸多遠(yuǎn)?當(dāng)今牛頓萬有引力的新版本----廣義相對論已證明“萬有引力理論的普適性超越了宇宙的邊緣”(趙凱華語)。正是這樣,從蘋果落地到月亮,從太陽到宇宙,上窮碧落下黃泉,凡是有引力參與的一切物理現(xiàn)象,無不歸結(jié)到一條簡潔定律之中。茫茫宇宙,看似雜亂無間的星體運動都被一條精簡的數(shù)學(xué)語言-----平方反比定律約束著,這不是知識的力量、人類智慧的結(jié)晶嗎? 自然界中基本相互作用目前已知有四種:萬有引力作用、電磁作用、強相互作用和弱相互作用。強弱相互作用是一種短程力,作用程不超過原子核線度,在微觀世界中,萬有引力和電磁力相比是微不足道的,如電子與質(zhì)子之間的庫侖力是萬有引力的10倍,因此,在微觀領(lǐng)域,起作用的是庫侖力,但在整個電中性宇宙中,萬有引力使天體有規(guī)律地按軌道運動,它就象一根指揮棒,調(diào)節(jié)著整個宏觀世界的運動。 兩個平方反比定律,是物理學(xué)生存與發(fā)展的基礎(chǔ),支撐著物理學(xué)這根擎天大柱,而它們卻以驚人相似的表述形式展現(xiàn)在我們面前,我們想信世界是統(tǒng)一的,自然科學(xué)便是一種追求真、善、美的科學(xué)。