电磁力

一块用玻璃摩擦过的丝绸会受到玻璃的吸引，但排斥另一块经玻璃摩擦过的丝绸。这种因不同材料相互摩擦而产生“电荷”间的力很早便为人类所熟知。认识上的关键一步是由本杰明·富兰克林通过一个聪明点子取得的。他注意到，让任何两个相互吸引的带电体相互接触，它们的吸引力便减小。但两个相互排斥的带电体之间接触却不会造成这种结果。他意识到，彼此吸引的物体相互间抵消了彼此的电荷。

相互抵消是正负数的特性。因此，富兰克林为不同的带电体分配了正号（+）和负号（-）。符号相反的带电体之间相互吸引，符号相同的带电体之间互相排斥。

（富兰克林在电学方面的工作对美国的建立具有重要作用。作为驻法国大使，富兰克林不仅以他的机智、魅力和政治敏锐性，而且以他的科学家身份，说服了法国为美国独立战争革命的成功提供了重要的援助。）

现在我们知道，原子有一个带正电的原子核。这个核由带正电的质子（和不带电的中子）组成。环绕原子核旋转的电子则带负电荷，其多少与质子所带的正电荷等量。原子中的电子数与质子数相等，所以原子作为一个整体是不带电的。当两个物体放在一起发生摩擦时，电子会从一个物体移到另一个物体。

例如，与丝绸摩擦的玻璃棒带正电，因为玻璃中的电子受到的束缚要比在丝绸中受到的弱。因此，一些电子从玻璃移向丝绸，丝绸有了比其质子数更多的电子，带上负电，吸引带正电的玻璃。而两块带负电荷的丝绸之间则互相排斥。

一个简单的公式——库仑定律——告诉我们一个带电体（或“电荷”）作用于另一个带电体的电性力的大小。你可以用这个公式计算出任意电荷排布下电荷间的电性力。这便是电性力的全部内容，没什么好多说的，19世纪初的大多数物理学家都这么认为。

但是，迈克尔·法拉第却发现电性力令人费解。让我们回顾一下当时的情形。1805年，法拉第14岁，是一个铁匠的儿子，在做书籍装订学徒工。法拉第有着很强的好奇心，当时对汉弗莱·戴维爵士的一些科普讲义非常着迷。他认真做笔记，并将这些笔记装订成册，呈送汉弗莱爵士，要求到他的实验室打工。虽然是一个勤杂工，但法拉第很快就被允许尝试做一些自己的实验。

法拉第奇怪，一个物体是如何隔着空无一物的空间将力施加到另一个物体上的呢？库仑定律只是在数学上正确预言了你所观察到的事实，但法拉第对这个解释并不十分满意。（对他来说，“我不做任何假说” 没必要。）法拉第假设电荷在它周围的空间形成一个电“场”，正是这个物理场对其他电荷施加力的作用。法拉第用一些从正电荷发出到负电荷的连续的线来表示它的场。凡线最密集的地方，表明该处场强最大。

大多数科学家认为库仑定律的数学表达式就是全部，认为法拉第的场的概念是多余的。他们指出，法拉第在数学上无知，因此需要借助图像来思考电荷。抽象思维对于像他这样的来自“下层阶级”的年轻人是困难的。场的概念被讥为“法拉第的精神拐杖”。

其实，法拉第走得更远。他假设电荷产生的场需要时间来传播。例如，如果一个正电荷和附近的等量负电荷被带到一起便相互抵消，因此在它们的周围场会消失。但法拉第似乎不能肯定各处的场是不是会立即消失。

他认为，远处的场将会存在一段时间，尽管产生这个场的电荷已相互抵消不再存在。如果这是真的，那么场本身就将是一种物理上真实的东西。

此外，法拉第还论证道，如果两个大小相等的异号电荷被多次汇集和分离，则有交变电场从这个振荡电荷对传播开去。即使这对电荷停止振荡并相互抵消，而振荡电场将继续向外传播。

法拉第的直觉非常好使。几年后，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦拾起了法拉第的场的概念，制定出一组由4个包含场的方程构成的方程组。这一方程组将所有的电和磁现象统一起来，我们称它为“麦克斯韦方程组”。它预言存在电场和磁场的波——“电磁波”。麦克斯韦注意到，这种波的速度与光测量的速度完全相同。因此他建议，光是一种电磁波。这一点不久即得到证明，可惜他已去世了。

正如法拉第曾预言的那样，等量异号电荷的来回运动（实际上，是电荷的任何加速运动）产生电磁辐射。电荷的运动频率（每秒的重复次数）即为所产生的波的频率。较高频率的运动产生紫色和紫外线；较低的频率产生红光和红外光；更高的频率产生X射线，而更低的频率则产生无线电波。

今天，物理学的基本理论都是根据各种场来制定的。法拉第的“精神拐杖”是当今所有物理学的支柱。

电性力，或者说电磁力，正是我们需要讨论的力。和重力一样，这是我们通常感受到的一种力。（尽管所有的物体之间都存在引力，但只有当其中的一个物体的质量非常之大，譬如行星质量，二者间的引力才有意义。）原子间的力是电性力。

当我们接触某人时，接触时的压力就是一种电性力。我们手的原子的电子排斥他人的原子的电子。通过电话与某人交谈时，通过电线传递信号的也是电性力，然后信号再通过光纤和空间传递出去。组成固体物质的原子是靠电性力聚合在一起的。电性力是所有化学反应的基础，因此也是整个生物学的基础。我们看、听、闻、尝以及触摸等感官反应均是电性力使然。我们大脑中的神经活动过程是电化学过程，因此最终也是靠电性力起作用。

那么我们的思想，我们的意识，是不是最终可以完全依据我们大脑发生的电化学过程来解释呢？我们对意识的感觉“仅仅”是电性力的体现吗？有些人认为是这样，而另一些人则认为意识过程不能仅用电化学机制来解释。这是一个我们后面需要探索的问题，它和量子力学有关。

除了引力和电磁力，自然界还有其他的力。但似乎也就只有两种：所谓“强力”和“弱力”。它们都与组成原子核的粒子（以及那些由高能粒子对撞时产生的、只能维持瞬间寿命的粒子）有关，在大于原子核的尺度上基本上没有影响。因此，它们对于本书的主题不重要。 UsdiA5RbjFXo+UspWY7Ql7c2Lj8LlZxoMfrq9jAIZLS3Y6jaVz9qmphWepEVQw/9