什么是电
孟非非
人类研究电的历史在公元前七世纪就已经开始了，1785年库仑总结前人的经验创立了库仑定律，磁现象在这时也有了发展。1820年奥斯特证明通电导体周围有磁场，后来法拉第发现电磁感应现象，根据这个发现麦克斯韦建立了完整的电磁学经典理论。上个世纪初经过爱因斯坦、玻尔等人的努力工作建立了量子力学。人类对电的认识已经很深刻了，但是“什么是电”这个问题并没有人回答，没有人给出电的定义是什么，包括电的物理意义。“什么是电”并不是一个复杂的问题，电并不是一个脱离于基本粒子性质之外的额外性质。麦克斯韦方程组对电磁问题进行了精辟的数学描述和物理图景描述，但并不完美。物理图景描述并不正确，没有电磁问题确定的物理意义。量子力学经过一大批科学家坚持不懈的努力建立了一整套成功的数学模型，但没有具体的物理图景、物理过程、物理意义。尽管它也符合物理现象。
现在人们把电的问题深入到了基本粒子的层次上，作为基本粒子的结构模型应该能解释“什么是电”，在经典电子理论和量子力学包括相对论中都应该能解释的清楚。然而，夸克理论告诉我们“夸克带三分之一的电荷”，这显然回避了“什么是电”这个基本问题。为什么科学研究到了今天无所不能的地步，却仍然不能解释“什么是电”，或者说忽视了“什么是电”这个问题。“什么是电”应该作为一个现代物理学研究的基本问题。
2002年10月18日，我来到首都北京中国科学院高能物理研究所理论物理研究室，请教了常教授，问题之一是“什么是电荷”。常教授回答说，
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对电荷进行积分将有一个什么什么的结果，列出了一个微分方程。常教授用一个方程来解释“什么是电荷”——电荷的物理意义。他的回答等同于“什么是加速度”——
a=
Vt—Vo
t
而不回答说“加速度是描述速度变化快慢的物理量”这句话。我在高
中的时候也请教了当时的物理老师陈老先生这个问题。陈老先生回答说：“为什么这个世界有男人和女人？”我不能回答。常教授告诉我说现在没有没有做过的实验，你想到的别人都已经想到了。但我想也不尽然，迈克尔逊光速不变实验在太空中没有进行过。而且粒子在相同的方向上以不同的速度发生撞击这个实验也没有进行过。
我还在理论物理研究室请教了吕研究员。问题是这样的，在爱因斯坦先生设想的高速运动的接近光速的火车里，放着两个同种电荷，坐在火车中的观察者发现这两个电荷是互相排斥的。现在这列火车从我站立的地球上一点一闪而过，我观察到了两个电荷运动形成的电流。按照电磁理论这两个电荷之间应该是吸引力。那么这两个电荷之间的作用力到底是吸引力还是排斥力？吕研究员告诉我这个问题一百年前已经提过，并告诉我可以按照经典电子理论和量子电动力学分别加以解答。我对此很不满意，我不想听到在一个参照系中存在的一个电场或是磁场在另外一个参照系中观察是不同的磁场或电场。我就要求一个唯一正确的答案。一个矛盾的实验结果足以推翻一个理论，这是爱因斯坦先生说的。这么明显的错误竟然不能推翻相对论。有人说：有一堆小球在S’参照系中同时落地，在S参照系中观察却不是同时落地，观察到的现象和实际发生是两码事。还说什么时间变慢、长度的缩短、寿命的变长等等等等，来说明相对论效应。我现在不
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问这些，我就问这两个电荷之间到底是吸引力还是排斥力？这个问题之所以重要是因为它是人们对参照系的认识问题。这个问题《相对论》和《量子力学》必须面对不应该回避。这也应该是上个世纪末飘浮在万里晴空之中的一朵乌云。
现代物理学对很多现象并没有完整的解释。比如：太阳日冕层的高温，地球电离层的存在，太阳中微子丢失案。研究“什么是电”将有助于解决很多问题。搞清“什么是电”将使人类社会向前跨进一大步，人类获取能源的方式将发生根本的变化。十九世纪的时候，在法拉第先生理论的推动下，爱迪生先生的伟大发明使人类大规模用电成为了现实。人类现在一时一刻也离不开电。
我们首先给出电荷的物理图景，根据这一图景可以分析已有的描述物理学现象的数学公式、方程的物理意义。我们将从基本粒子的结构分析“什么是电”。我们仅限于对±质子、±中子、±电子进行分析。
带电粒子电荷不同的本质是这些粒子在垂直于运动方向上产生磁场方向的不同。带电粒子与非带电粒子不同的本质是带电粒子在运动方向上出现几率大的那一极和运动反方向上几率出现大的那一极场物质的运动规律是互补的。而非带电粒子不具有互补性，与带电粒子不同。它们的作用规律是“同向相吸，异向相斥”。以上现象存在的环境为：在地球这个万有引力控制下的惯性系为参照系，该参照系是唯一的。能够证明基本粒子是极性的实验是上个世纪五十年代杨振宁和李政道先生主导的CO60证明宇称不守恒的实验。关于这个实验的解释已另外进行了分析。
为了得到一个普遍适用的规律，我们从最基本的现象出发来考察一下相互作用问题，这个规律应该符合所有的物理现象。这个实验在高中的物
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理教材之中已有描述。
把两根导线平行放置通以相同方向的直流电。把导线换成高速运动的电子束与电子束、质子流与质子流、电子束与质子流，结果应该是相同的。电子束与电子束、质子流与质子流或异向运动的质子流与电子束之间应该是互相吸引的，我们得出以下规律。
1、同种电荷，同向相吸。2、异种电荷，异向相吸。
同样，把平行的导线通以异向的电流，我们得出以下结论：3、同种电荷，异向相斥。4、异种电荷，同向相斥。
根据上述实验可见，同性也可以互相吸引，异性也可以互相排斥。现在我们考察已知的所有物理现象，没有与上述四点相排斥的地方，我们发现这一点是普遍适用的真理。以上四点总结为一点：“同向相吸，异向相斥”。上述这一点是用电流来进行的，可以认为是理想状态下的结果。这一点应该是不限于带电粒子的普遍适用的规律。我们把电流变换成粒子束是想说明问题。换成粒子束后，粒子之间有静电相互作用，静电相互作用的基础是在“同向相吸，异向相斥”条件下极轴几率不断变化形成的。极轴的几率与运动的速度有关系。“同向相吸，异向相斥”是在某一时刻观察到的结果，我们在前面看到的只是在某一时间段的综合效应，同种电荷只有在同向时是相互吸引的，其它的任何情况都是相互排斥，在静电相互作用之时，同种电荷在同向时出现的几率很小。随着粒子速度的不断增大极轴与运动方向平行的可能性将越来越大，直至接近光速，则几率接近于1。在微观世
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界之中“同向相吸，异向相斥”以及极轴在各个方向上出现的不确定性，应该是微观世界基本粒子的物理图景。应用这一图景可以解决目前物理学的一些问题。“同向相吸，异向相斥”是微观世界普遍存在的规律。
在2002年10月18日我向吕研究员请教的那个问题，现代物理学并没有回答，这个问题实际上不仅用什么是电回答，同时也关系到从一个参照系看另一个参照系的问题。这个问题是尖锐的，坐在火车中的观察者看到同种电荷是互相排斥的，站在地球上的观察者发现运动的同种电荷是互相吸引的。矛盾到底出现在什么地方，问题就出在现代物理学对参照系的定义和人们对地球——这个万有引力控制的惯性系的认识上。作为一个可观察的参照系，作为这个参照系的物质必须是实在的，这些物质对于观察的对象必须能够有效的控制，否则是不可观察的。如果高速运动的火车是一个确定的惯性系可参照，那么被它控制的同种电荷之间是排斥力。在地球的参照系上看来，两个电荷之间仍然是排斥力。否则如果这个火车不能控制这些电荷，那么这个火车不能作为一个参照系存在，两个同种电荷之间是吸引力。在相互独立的两个惯性系上发生的事件不能用爱因斯坦的理论互相观察。因此，爱因斯坦设想的效应是不可能发生的。那个参照系上发生的事件与地球上的没有任何区别，爱因斯坦的理论只能在某一参照系内有效。
为了证明爱因斯坦相对论中时间变慢这一点，在μ介子衰变中测得了平均寿命是2.2×10-6秒，按这个寿命计算就是它的速度达到C，也只能行走600多米。但实际μ介子来自几十千米外的大气层外。之所以这样，就是因为μ介子已接近0.99C，在地面参照系中观察到的寿命比静止参照系中
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的寿命大七倍。如果速度达到0.999C寿命达到70多倍。因此速度接近C的粒子就有足够的寿命来到地面。在上述实验中似乎验证了相对论在高速运动中时间变慢这一点。他还可以说有一参照系与μ介子速度相同，在以地面为参照系，观察这个参照系，它的时间也变慢了。在一个宏观的可以作为参照系运动的物体——譬如爱因斯坦先生设想的高速宇宙飞船上，如果现在这个飞船接近了光速，爱因斯坦先生说20年以后，飞船乘员回到地球，还是年轻力壮，而同龄的地球人已经十分衰老。这是不可能发生的。根据运动的相对性原理，地球人相对于宇宙飞船乘员也是接近光速运动的。照此推断，地球人应该年轻力壮，而飞船上的同龄人却应该十分衰老。实际上地球仍然是他心中的参照系，虽然他并不自觉。μ介子寿命的变长是因为它处在万有引力控制下的地球这个条件下。 