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库仑定律源自物理学之信仰

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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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