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库仑定律源自物理学之信仰

百科 2024-07-22 10:00 湖北

古希腊哲学家赫拉克利特说，人不会两次踏进同样的一条河流。但是在自然的世界里，造物主却会两次踏进同样的一条河流。17 世纪，开普勒先发现了行星运动三定律，继而牛顿在此基础上提出了著名的万有引力定律，而它的数学形式，恰恰是平方反比，即引力的大小反比于两质点间的距离。到了 18 世纪，电磁现象逐渐为人们所注意和重视，带电物体之间的作用力遵循什么规律成了物理学家们感兴趣的焦点。而电荷之间的作用力，经过漫长的探索，最终被发现也是平方反比定律。

当时，人们已经知道存在两种电荷，一种是用丝绸和玻璃摩擦产生的电荷，另一种是用毛皮和橡胶产生的。其他各种方式产生的电荷都和这两种中的一种相同。而且人们很容易就发现，同种电荷相斥，异种电荷相吸，距离越近，相互间的作用力就越大，但是究竟这之间的关系是多少，还没有被弄清楚。普利斯特里曾经从牛顿的万有引力出发，将电荷作用力和万有引力相类比，推测电荷的作用力也符合平方反比定律，但并没有用实验来证实这一结果。

库仑为了研究这一问题，设计了实验装置，即所谓的库仑扭秤以及电摆来研究这一问题，经过多次反复的实验。他从实验数据中得出结论，认为电荷之间的作用力无论是吸引力还是斥力，都和两电荷之间的距离成反比。因为这一条定律的发现，库仑也因此当选法国科学院院士，这条定律也以库仑定律闻名于世。

不过问题的关键并不在于定律本身的发现过程，而是在另外一个问题上：库仑凭什么断定作用力是平方反比关系？实际上，库仑定律是实验定律，而根据实验数据得到的结果并不能确定平方反比关系，而是比 2 多一点点。此外，也有其他学者做过类似的研究，他们的实验结果得到的数字也大多是比 2 多一点点而不恰好是 2。当然，这一差异都在实验仪器所能产生的误差之内，但还是那个问题，为什么库仑等人都那么肯定地确认结果应当是 2，而不是 2.01 次方或 2.001 次方反比关系呢？

这恐怕就要回到物理学或者甚至说是科学的一些基本信仰了。事实上任何科学都有一种信仰，那就是简洁永远胜过复杂，简洁的就是美的，如果在不影响精确程度的情况下，一个现象能用简单的方式进行描述，那就绝不用复杂的方式。正如天文学史上的地心说和日心说之争一样，其实地心说也可以基本满足当时观测的精度需求，而一开始的日心说由于采用圆形轨道，其误差并不比地心说小，但是很多科学家还是愿意接受日心说，原因就在于日心说的模型比地心说的本轮-均轮模型要简化许多。平方反比的形式和 2.01 次方反比的形式或许都能符合实验结果，但从数学上看，平方反比定律无疑要更加简洁，易于处理。这或许是库仑等科学家毫不迟疑地选择了平方反比定律的原因。事实上两百多年以来，人们不断地检验库仑定律的指数与 2 究竟偏离多少，一遍遍的实验却不断证明了它的准确，甚至现代的测量表明，这一偏差不超过 10-16，完全可以假定为 2。

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