关于“电”的相关讨论

电力的产生与应用和内燃机的出现极大地改变了人们的生产生活方式，自此人类由蒸汽时代逐步迈入电气时代。人类对电的最早认识，当属“闪电”这一自然现象。然而，直到18世纪，美国科学家本杰明·富兰克林才在他那极具开创性的实验中，证明了闪电与电现象的联系。人类对电现象的描述可以追溯到古埃及时期，当时的人记载了一种会发出电击的“发电鱼”，古罗马医生Scribonius Largus认为利用电鳐的电击可以治愈痛风或头痛一类的疼痛。古希腊科学家泰勒斯被认为是研究静电现象的先驱，他发现用丝绸、法兰绒摩擦后的琥珀会吸引小物体，并认为这与磁铁矿的磁性不同。中国汉代的学者认为：“顿牟掇芥，磁石引针，皆以其真是，不假他类。他类肖似，不能掇取者，何也？气性异殊，不能相感动也。”汉代的学者列举出经摩擦的顿牟能吸引芥这类轻小物体的现象和磁石吸引针的现象，认为它们之间可以相互“感动”，是因为相互“感动”的双方具有相同的“气性”。

人们对电现象的描述要远远早于对其本质的认识，英国科学家威廉·吉尔伯特的研究工作打开了人类认识“电”的大门。库伦定律的提出，使得人们对电的研究可以量化。意大利物理学家亚历山德罗·伏特发明的伏打电堆是人类历史上第一个有确切记载的电池组，并由此翻开了电学发展的新篇章。汉斯·奥斯特和安德烈·玛丽·安培的研究工作使我们认识到电与磁之间的紧密联系。迈克尔·法拉第和约瑟夫·亨利发现的电磁感应现象，为后来发电机和电动机的诞生奠定了基础。

现代物理中，电通常与磁结合起来讲，电磁相互作用被认为是自然界中的基本相互作用。在一个闭合电路中，电能与其它形式能量的转换是通过电子的定向流动来实现的。电子在流动的过程中并不会消耗电能，它在其中只扮演电能“携带者”的角色。尽管电子流动速度较慢，但是其能量转换的速度却几乎等同于光速。这似乎能说明，为什么一按下开关，用电器马上就开始通电工作了。我们知道，电能储存在电源中，导线只起到传导电子的作用。一旦形成回路，那么电源就会在导线中建立起电场，自由电子在电场力的作用下作定向移动，从而形成电流。类比于物体在重力场中发生能量转换的情形，自由电子经过用电器时减少的电势能转换成其它形式的能和电子自身的动能。例如，对于某一自由电子通过导线A和B两点间的用电器而言，闭合电路中发生的能量转换如下式所示：

（1）

式中，

是自由电子的电荷量，

是自由电子的质量，

是能量转换过程中自由电子增加的速度。

由于逃逸出来的自由电子在电场中速度不断增加，因此它的速度总是大于逃逸速度。换言之，自由电子不会被前方失去电子的原子捕获，前提是自由电子与其它自由电子或离子碰撞不至于使其速度低于电子逃逸速度。当断开开关时，导线中的电场瞬间消失。此时，还在电源之外的自由电子将会以电场消失前的速度继续往前移动，或最终被失去电子的原子捕获或直接飞射出去。这时因为失去电场力的约束，自由电子将不再仅沿着导线方向移动。这样就无法确保整个系统在开关断开后始终处于电中性，而且失去的电子会随着开关次数的增加而增加。

通过上面分析，我们可以发现，用已有的理论体系去解释一个闭合电路中电能与其它形式能量的转换是不尽如人意的。我们不妨转变一下思路，或许电能与其它形式的能的转换并不是通过自由电子的流动而实现的，而是通过相互作用。关于相互作用，我在此前发表的相关论文中有所论述。在这些论文中，我提出了以下观点：相互作用的具体表现形式是相对运动；能量是指物体在相互作用下的运动效应；光速实际上是能量转换速度。下面，我将用本人提出的新理论去解释上面提到的闭合回路中，电能与其它形式的能的转换情形。

根据现有的物理学知识，直流电源存在正极和负极，正极的电势高于负极。在我看来，直流电源在工作时正极和负极的组成部分存在相对运动，表现为正极的原子的核外电子和负极的原子的核外电子绕各自的原子核进行相对运动。由公式（1）可知，当其它形式的能转换成电能时，正负极的原子中的核外电子的动能增加。当核外电子的速度达到电子逃逸速度时，正负极中原子的核外电子会逃逸出来。严重时，会导致电源起火燃烧，甚至爆炸。当然，正负极的原子除了核外电子的相对运动外，还存在自旋共振。自旋被认为是粒子具有的内禀性质，而且还会因此产生磁场。一个直流电源的回路中，电流是单向流动的，并且电流具有磁效应，即电路中原子自旋产生的磁场沿着导线方向具有一致性。现在我们知道，上述现象符合右手螺旋法则。因此，正负极原子的自旋方向是相反的。所以，一个回路中正负极原子还存在自旋共振。

电子的相对运动如下图所示：

图1.电源平行极板同一垂线上的原子

图中O点是相互作用的原点，由图可知，当核外电子由

时刻的位置转动到

时刻的位置时，相互作用的作用长度变短，表现为正负极的核外电子相对于原点发生相对运动。在外部条件激发下，核外电子以这种形式不断绕着原子核旋转时，正负极的核外电子便产生了共振。

显然，相互作用的作用长度是一个随时间变化的变量，它是一个关于时间的函数：

（2）

式中，

是作用长度；R是正负极核外电子最大距离；r是正负极核外电子最小距离。

当电源正极和负极极板上的原子都如图1所示这般，核外电子进行有规律的相对运动时，电源正极和负极存在相互作用，即此时电源储存着所谓的电能。我们知道金属导线具有导电性，因此，在闭合电路中，当导线把电源正负极连接起来时，极板上原子的核外电子的运动变化会传递到导线中的原子中，最终导线中的原子会表现得和极板上的原子一样。如果把正负极的导线短接，那么就会在导线靠得很近时，电源的化学平衡被打破，正负极的原子发生相互作用。导线两端的核外电子吸收足够多的能量而大量逃逸出来，两端电子发生碰撞，即有

（3）。从而释放出大量的能量，使得导线或电源损坏。

当把电阻器或用电器与电源连接时，电阻器或用电器内部的原子的核外电子在电源的作用下发生变化，在导线连接两端的原子的核外电子形成绕各自原子核的相对运动。当电阻器或用电器内部的相对运动与周围空间的物质发生共振时，便会发生能量转换。即电阻器或用电器减少一部分能量，而周围空间的物质吸收相应的能量。例如，电流的热效应和涡流现象等。

然而，上述猜想仍存在诸多不足，比如无法辨别电源的正负等。我们注意到电子在相关实验中具有波动性。例如，在双缝干涉实验中，电子表现出了波粒二象性。这告诉我们，电子不仅具有粒子性，还表现出“波”的性质。

图2.滴水落入水中景象

在考虑电子的波动性之前，我们不妨先做一个实验，把一滴水滴入水中，看看有什么变化。由图和日常生活经验可知，滴水会在落下时造成中心附近水面较大起伏，并在周围激起一圈圈涟漪，涟漪起伏由近及远渐渐变小直至消失。从宏观的角度来看，这是滴水和水面的相互作用。它们在发生相互作用时，水面上下起伏，即是一种相对运动。此外，振动产生的声波也像水波一样。这表明，当发生相互作用时，参与作用的那些原子和分子发生相对运动，具体表现为原子和分子的整体波动。我们可以利用傅里叶分析方法去研究相互作用产生的波形。

现代物理告诉我们，由于光的衍射作用，当光经过圆孔会形成艾里斑。所谓的艾里斑，是指中间一个圆形亮斑，周围形成明暗相间的环。如果按照我们的新理论来解释的话，那么所谓的艾里斑的形成并非是因为光子具有波粒二象性，而是因为光源与被作用的光屏发生相互作用，光屏作用中心原子或分子相对于原平面发生相对运动且最为剧烈，并如同在水面一样，在光屏作用中心周围激起“涟漪”，远离中心则“涟漪”越小。由于光源的持续作用，当第一次相互作用完毕后，第二次相互作用继续进行，表现为一个不变的光斑图案。关于相互作用的作用速度，我在相关论文中指出，其就是所谓的“光速”。

现在，我们回过头来看看“电子”。根据目前大多数人认可的原子模型，原子是由原子核和核外电子构成，其中原子核由带正电的质子和不带电的中子构成，由于核外电子所带的负电荷与质子的正电荷数量相同，因而原子呈电中性。根据此说法，电子是一种实物粒子。此外，根据量子力学的相关说法，一些实验现象似乎表明电子具有波粒二象性。1924年，德布罗意提出“物质波”的概念，认为物质都有波粒二象性。

在我看来，原子就如汤姆孙所说的那样，是一个球形胶冻状颗粒。原子得到电子，就如同一拳打在胶冻状大圆球上。此时，原子上的变化如同滴水落入水面一般，在原子表面激起一圈圈“涟漪”。所谓的“电子”便是这些“涟漪”量子化的结果。原子失去电子，就像往外扯了一下胶冻状大圆球。当“涟漪”消失后，原子又回归原来的状态，即恢复所谓的“电中性”。原子与其它物质发生相互作用时，会在原子表面激起“涟漪”，原子的作用中心表现为“凹凸”，视界边缘表现为“涨落”。当我们观察某一可见原子时，观察者与该原子发生相互作用，在原子表面激起“涟漪”。可见光消失瞬间，原子的轮廓时大时小，起伏的幅度不断减小，逐渐趋于平复。此时，原子给我们的感觉是比较模糊，没有明确的边界。球形胶冻状颗粒相互作用时波动，或许这就是“波粒二象性”的正确解释。

根据我们的新主张，在一个回路中，正负极通过导线和用电器连接起来，打破了电源内部的化学平衡。例如，在铅酸蓄电池中，电源负极

与

发生反应。这时，铅氧原子因相互作用而被

“拉扯”，表现为失去两个电子。负极的相互作用通过导线和用电器传递到正极，使得正极的二氧化铅

得到两个电子还原为硫酸铅。在微观上表现为原子沿着导线方向从负极到正极“凸出”一部分，正极中的原子或分子因负极的作用而“凹下”一部分。这样就像是“电子”从负极移动到正极。按此说，当用电器中的分子或原子因正负极的相互作用而“波动”起来时，便会与周围空间的物质发生共振时，从而发生能量转换。

由此，我们可知知道，所谓的“电”只不过是原子或分子一定程度“波动”的结果。当这种“波动”消失时，原子或分子就呈现“电中性”了。