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库仑定律公式中是否也隐藏了什么秘密？
马海飞
(http://blog.sina.com.cn/gfis2012年3月5日)
在寻找重力起源的研究中，笔者发现，牛顿的重力公式中存在很多非常重要的秘密。通过对这些秘密的揭示，重力的起源就自然地清楚了。这个过程可以简单地描述如下：
1.牛顿重力公式为：F=GmM/r2。其中F是重力，G是重力常数，m和M分别是两个物体的质量，r是这两个物体质心之间的距离。
2.牛顿重力公式可以变换成为： F=GmM/r2=4πGmM/4πr2。如果让Gm=4πG，D=M/4πr2，那么重力公式就变成了：F=GmmD。这个公式告诉我们：重力是由一个物体的质量m和另一个物体的质量场密度D决定的。而质量和质量场都是物质的基本属性。因此可以说，重力起源于物质的基本属性。
众所周知，库仑定律公式与牛顿的重力公式在形式上极为相似。因此，不禁就会让人想到，如果使用类似的推导方法是否也可以从库仑定律公式中发现一些重要的秘密呢？对这些秘密的揭示会给我们带来什么样的结果呢？这就是本研究想要解决的问题。
使用同样的方法可以对库仑定律公式进行如下推导：
1.库仑定律公式为：F=keqQ/r2。其中F为库仑力（静电力），ke是库仑常数，q与Q分别是两个点电荷的电量，r是这两个点电荷之间的距离。
2.库仑定律公式可以变换成为：F=keqQ/r2=4πkeqQ/4πr2。因为已知ke=1/4πε0（ε0是真空电容率），所以，4πke=4π/4πε0=1/ε0。如果让kq=4πke=1/ε0，那么库仑定律公式就可以写成：F=kqqQ/4πr2。如果让Dq=Q/4πr2，那么库仑定律公式就成了：F=kqqDq。这又是一个与重力计算公式F=GmmD形式完全相同的公式。因此，F=kqqDq告诉我们，库仑力是由一个点电荷的电量q和另一个点电荷的静电场密度Dq决定的。
3.我们还知道，在真空条件下静电场中p点上场强纯量的计算公式为：E(P)=(1/4πε0)(Q/r2)=(1/ε0)(Q/4πr2)。其中(1/ε0)是一个常数（kq），(Q/4πr2)是电量Q在球形面积（4πr2)上的分布密度（静电场密度：Dq）。所以静电场强度可以写成：E（P)=kqDq。
从上述推导结果中我们可以得出以下结论：
1.库仑定律公式中的距离平方反比来自球形面积计算公式4πr2中的r2：Dq=Q/4πr2。
2.只要有电荷存在就有静电场存在，电场的存在与否是客观的，与是否引入试探点电荷无关。因此也就与是否有静电力的存在无关。静电场强度是由静电场密度决定的，E（P)=kqDq，不是由静电力F决定的。静电场强度直接反映的就是静电场密度。
3.静电力F与静电场之间的因果关系十分明确：先有静电场存在，后有静电力出现。静电场的强度E(P)是一个决定静电力大小的因素：F=E(P)q=(kqDq)q。而静电场强度是由静电场密度Dq决定的：E(P)=kqDq。静电场密度Dq是由点电荷的电量Q与到达这个电荷的距离r决定的：Dq=Q/4πr2。所以，整个过程是：先有电荷，再有电场，最后当同时有两个电荷存在的时候才有静电力出现。显然，静电场不是由静电力构成的。
4.因此，静电作用并不是通过力线实现的，而是通过场之间的作用完成的。决定静电场场强的唯一因素是静电场密度Dq=Q/4πr2，而不是静电力的大小。
5.因为静电力是静电场的结果，而不是原因，所以，静电力不是一种导致物体运动的作用力，而是一种由场的作用而导致的物体运动所产生出来的力。
以上结论的重要意义主要可以反映在以下几方面：
1.静电力不是作用力的结论让我们不得不重新考虑什么是“力”的问题。显然，力有两种本质不同的形式：一种力是让物质产生运动的原因，另一种力是由场的作用而导致的物质运动所产生出来的结果。它们与物质运动之间在因果关系上截然相反。为了区别这两种本质不同的力，我们可以把前者称为“作用力”，后者称为“场力”。显然，重力和静电力都是场力，而不是作用力。然而，至今为止，在物理学理论研究中对力的概念一直都模糊不清，分不清作用力与场力之间的不同，因而导致了很大的混乱。由此可见，区分作用力与场力之间的不同对正确理解物理现象以及对物理学理论研究的健康发展都具有重大意义。
2.以往人们无法理解库仑定律公式中距离平方反比的问题，主要原因是没有认清作用力与场力之间的不同。平方反比定律所反映的是场力特有的一个性质：物质以静止的点为中心所形成的场一定是一个完美的球形。而球形面积的计算公式为：A=4πr2。由物质的某种属性所形成的物理场是主体物质的属性在它周围空间范围内的外延。因此，随着外延距离r的增加，该性质的影响范围与球形面积同步增加，但对球面上每一个点的影响强度则与球形面积的增加成反比形式减弱。因此而出现了场力的大小与距离平方成反比的关系。理解这个关系对理解场力的产生机制具有非常重要的意义。
3.牛顿建立了三大运动定律和一个万有引力定律。虽然运动定律与引力定律之间在数学关系上有联系，但是，引力定律始终被孤立于三大运动定律之外。这到底是为什么呢？现在这个原因可以得到解释了。很明显，三大运动定律所描述的是作用力，而引力定律所描述的是场力。因为它们是本质不同的力，所以无法用同一种方法对待。作用力的公式是F=ma。作用力的大小不仅与距离平方反比没有任何无关，甚至与距离都没有关系。然而，场力却不同，它与距离直接相关。
4.在此之前，人们在描述场力的时候（无论是重力还是静电力），一直都在使用着“力线”的概念。这显然是用作用力的思维模式来解释场力的做法。我们知道，从一口井中提上一桶水的时候，并不会因为用两根或更多根的井绳就可以改变提升同一桶水的合力大小。同样，井绳长度的改变也不会影响作用力的大小。所以，针对同一个物体而言，在作用力中，力线的多少以及长短都没有意义。因此，用力线来解释重力和静电力是毫无道理的。所谓的“重力场”和“静电场”根本就不是力线构成的。上述推导结果证明，这些场的形成完全不需要力的存在，何来的力线？因此，认清作用力与场力之间的不同对理解重力场和静电场的本质具有重要意义。
5.自从牛顿时代以后，人们开始并逐渐习惯了用作用力（F=ma）的思维模式来解释所有的力学现象，并形成了成熟的经典力学。现代力学则是建立在电磁学的基础之上发展起来的。而电磁学的研究开始于牛顿时代之后。电磁现象与“场”之间有着非常密切的关系。如果说经典力学主要是以“质点”为对象来研究物理现象的话，那么，现代力学就是主要以“场”为对象的研究。因此，现代物理学理论的主要研究对象已经从牛顿时代的“质点”转向了各种“场”。遗憾的是，虽然研究对象改变了，但是人们的思维模式却没有改变，仍然使用作用力的思路来研究场力。因此，总是认为所有力学现象的产生原因都一定是力，而从没想过自然界中还有“场力”这种实际上并不是原因，而是一个结果的力存在的问题。用“力线”来解释场力的做法就是一个典型的例子。由于场力与作用力之间在与运动的因果关系上正好相反，所以用作用力的研究模式去解决场力问题的做法根本就是错误的。目前物理学理论研究中所出现的很多重大基本问题都是因为把场力当成了作用力所造成的。本研究的结果告诉我们，这种思维模式必须要改变了。
6.统一四种基本力的问题一直困扰着物理学家们。认识到作用力与场力之间的不同，我们就可以重新思考这个问题了。从场力上去研究物理学的四种基本力可能就会发现，它们都是场力而不是作用力。所以，准确地说，把四种基本力叫做“相互作用力”是错误的。它们并不是粒子之间的四种相互作用，而是场之间的相互作用。粒子之间测到的力并不是相互作用力，而是场力。另外，从电荷与质量之间存在的固定比率关系（荷质比）上不难理解为什么重力在粒子水平的作用可以忽略不计。所以，只有用场力的思维模式才有可能最终解决四种基本力的问题。
7.无论是在重力现象还在静电现象中，都离不开主体物质的质点以及与其不可分割的场的存在。在重力现象中，物质的质量作为物质的内在属性表现为一个质点，与质量形影不离的质量场作为物质的外在（空间外延）属性表现为一个场。同样，在静电现象中，点电荷的电量作为电荷的内在属性表现为一个（质）点，与电量形影不离的静电场作为电荷的外在属性表现为一个场。这些都说明：质点与场是一个统一体，质点总是伴随着一个对应的场。质点与场合在一起才是一个完整的统一体。认识到这一点可能对物理学的大统一理论产生至关重要的意义。至今为止，人们都是把质点与场分开、相互独立对待和研究的。经典力学把“质点”作为主要研究对象，现代力学把“场”作为主要研究对象。在研究质点的时候不考虑场的作用，在研究场的时候并不考虑场与质点之间的统一关系。其实，质点与场本来是一个完整的而且是不可分割的统一体。所以，现代力学与经典力学实际上就是对同一个事物的“阴阳”两个不同方面所进行的（片面）研究。因为没有认识到质点与场之间的统一关系，所以在经典力学与现代力学理论之间产生了很多问题。因此，要想统一物理学理论，首先要统一经典力学和现代力学理论。而统一这两个理论的前提就是先要把物质的质点与场统一起来。根据本人对重力和静电力研究的结果证明，物质本身就是质点与场的统一体。质点与场的统一对物理学理论的大统一奠定了坚实的基础。从今以后，当人们在研究任何物理现象的时候都必须要想到：物质是质点与场的统一体，质点与场总是在同时发生着作用。
历史证明，科学研究要想得到健康发展，就必须及时放弃错误的思维模式，采用正确的思维模式。就像放弃“地心说”，采用“日心说”来研究太阳系一样。现在，对库仑定律公式和牛顿引力公式的分析得到的结果都证明，场力与场之间的因果关系是：场为因，力为果。因此，从现在起就一定要放弃“力（线）构成场”（力是因，场是果）的错误认识。否则就无法正确理解物理现象。而转变思维模式的有效做法就是从物理机制上认识物理现象。只要认真研究物理机制，就不难理解重力和静电力都是场力，而不是作用力了。区分“作用力”与“场力”之间的不同对物理学理论研究来说具有至关重要的意义。
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