2.19 电磁力与结构力的关系

    侯工

    宇宙所有力中，最复杂的是电磁力，因为（1），电子结构复杂，（2），由于（1），导致电子运动方式复杂。

    首先看看电子结构：

    



    如图：中间三个红色的成等边三角形结构，两端两个蓝色紧密帖在3个红色形成的凹坑里，这种结构有6个等边三角形，是最省材料，最扎实，最对称，最平衡的形式。

    在宇宙，最小的有质量的粒子是中微子。中微子有3种类型：a.4个最小粒子，b.3个最小粒子，c.2个最小粒子。在宇宙里，中微子的数量仅次于最小粒子，1秒钟就有10亿个中微子穿过我们的眼睛。中微子数量多，运动不平衡，在弱力作用下很容易解体，这是为了满足补充球面的需要。

    中微子个子大小接近最小粒子，速度接近光速，可以毫无障碍地穿透地球。这是因为它没有电磁性，也因此对人体无害。

    5个最小粒子组成电子以后，在物体内多数情况下电子处在原子内，不会单独行动。只有在弱力作用下，电子才会离开原子。电子一般是从质子离开的。质子少了一个电子，就成为中子。这个过程称为贝塔衰变，这时电子就成为贝塔射线。

    人类可以通过电子轰击质子内的反转电子（因为带正电，俗称正电子），使两个电子解体，放出伽马光，从而实现伽马衰变。

    阿尔法衰变最容易发生在放射性元素的原子核内。当一个质子在弱力作用下离开原子核，就形成阿尔法衰变。

    由于速度守恒，电子中的5个最小粒子必须速度相同，否则就会解体。在弱力作用下，使电子内个别粒子之间产生空隙，从而导致速度失衡，这样电子就解体了，成为中微子或直接成为最小粒子。

    现在要分析电子的受力情况：首先，电子要受结构力的挟持，一共有5个力作用在5个最小粒子上，方向指向电子中心，这种情况类似于重力。两个蓝色的受力相对刚好对消。中间3个红色的是受力的重点。而经过3个红色粒子球心刚好形成一个圆。由于这个圆与其半径存在不确定关系，所以3个力不能同时指向中心，于是产生了力矩，力矩使3个红色粒子围绕实线轴旋转。

    如果保持这种状态运动，你会发现，3个红色的产生了位移，而2个蓝色的没有位移，这样速度就不平衡了，也就是违反了速度守恒定律，电子就会解体，因此逼着蓝色的也要位移。

    蓝色的如何位移？如图，蓝色的会一边绕实线轴自转，一边绕虚线轴公转。由于自转时中间三个红色粒子速度比两端蓝色的快，所以必须通过提高公转速度才能达到平衡。为了步调一致，使其公转两周刚好完成自转一周，但是这样还不能实现红蓝两者速度相同。如何使两者速度相同？两轴夹角大小对两端影响较大，通过调节两轴的夹角，总有一个角度使两者速度相等的。

    公转2周刚好自转1周，以这种方式运动的粒子称为费米子。

    电子是典型的费米子。两个蓝色的旋转方向刚好相反，这样，相同转向的靠近时，就会互相排斥，相反转向的靠近时，就会互相吸引——你可以用两个齿轮来作实验。

    这种现象叫做磁性。磁铁内是因为有排列方向一致的电子。指南针指向地球北极的一端称为南极，另一端称为北极。

    你细心观察图中三个红色粒子的运动，它们在旋转面上是上下波动的。这种波动就使周围的宇宙球面产生相应的波动。波动是能量。这些能量就会产生一种力，这种力可以将相同转向的电子推开，而将相反转向的电子吸引。这种现象称为电荷。由于红色的没有两端，所以电荷只有分正负的单极。

    从电子受力分析，电子受的力与重力相似，但是电磁作用力比万有引力作用强约10的36次方倍，为什么会这样？原来电子也是微观结构，而且粒子之间的距离是最小的，因此一样存在强力和弱力。只有强力才能将5个粒子聚拢在一起，也只有弱力才能将电子的5个粒子掰开。所以电磁作用力比万有引力大这么多。

    既然电子内粒子之间的距离是最小的，但是为什么电磁力比核力小100倍呢？那是因为原子核包含的最小粒子数量比电子多很多，核力是这些电子的合力，所以核力比电磁力大。因此，有人说强力大于电磁力是错误的，因为电磁力也是一种强力，其大小不同是因为结构的大小不同造成的。

    由于电子兼具电场和磁场，而且两者互相垂直，所以在旋转运动时会产生产生电磁波，这就是电子波粒两重性的来源。光只是电子的波动，没有粒子结构，所以光只有波动性，没有粒子性。