兩塊磁鐵之間產(chǎn)生的磁力,是靠什么粒子來進(jìn)行傳遞的?
相信大家對于磁鐵之間的相互作用力所表現(xiàn)出來的種種現(xiàn)象,無論是同性相斥、還是異性相吸,以及由此制造出的磁性產(chǎn)品的特性已經(jīng)了然于胸,雖然表象上看來,磁鐵之間的相互作用力,特別是異性磁極之間的相互吸引,感覺與萬有引力非常相似,但是它們在本質(zhì)上卻有著截然的不同。
目前,物理學(xué)界對于自然界包括整個(gè)宇宙中力的基本作用形式,已經(jīng)歸納出4個(gè)基本種類,即4種基本作用力,它們分別是電磁力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力和引力。其中電磁力是在電磁場中帶電粒子之間的相互作用,無論是摩擦力、支持力、磁力,還是光線產(chǎn)生的輻射壓力,本質(zhì)上都是組成物體的微觀粒子間帶有不同電荷時(shí),所產(chǎn)生的相互影響表現(xiàn)出來的作用力,由于電磁力能夠滲透到我們生活的方方面面,因此它是我們觀察和認(rèn)識這個(gè)世界最重要的一種力的作用形式。
與此同時(shí),我們在日常生活中常見的一種力的作用形式還包括引力,無論是探索宏觀天體之間的運(yùn)行規(guī)律,還是微觀粒子之間都存在著引力作用,引力的大小與物體的質(zhì)量成正比、與距離成反比,在4種基本作用力中引力作用效果最弱,但力程最遠(yuǎn),理論上可以延伸到無限的地方。
而強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力則都是反映原子微觀層面力的作用形式,其中強(qiáng)相互作用力保障了質(zhì)子和中子的結(jié)合能力,確保原子核的穩(wěn)定性。在所有基本作用力中,強(qiáng)相互作用力的作用效果最強(qiáng),但是力程最短。弱相互作用力確保了核外電子不會(huì)因與原子核的電荷屬性不同,而墜入原子核中,同時(shí)也可以調(diào)控原子核內(nèi)的質(zhì)子狀態(tài),從而從另外一個(gè)方面起到了穩(wěn)定原子核的功能,弱相互作用力的作用效果也很弱,不過要稍強(qiáng)于引力。
之所以4種基本作用力形式,科學(xué)家判斷是在4種力依托于特定的“空間場”,在不同的“空間場”中組成物體的微觀粒子發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)所表現(xiàn)出來的影響模式。按照物理學(xué)家們構(gòu)建的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型,電磁力、強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力所對應(yīng)的基本粒子已經(jīng)被發(fā)現(xiàn),其中電磁力通過光子來傳遞力、強(qiáng)相互作用力通過膠子傳遞力、弱相互作用力通過W和Z玻色子傳遞力,只有引力特殊,至今仍然未找到“引力子”存在的確鑿證據(jù)。
磁鐵之間產(chǎn)生的磁力,基于由不同磁極所形成的磁場,在磁場中,我們通過麥克斯韋方程可以看出,磁場的產(chǎn)生來源于電流以及變化的電場。對于電磁鐵來說,是電荷的定向移動(dòng)產(chǎn)生了電磁場,而對于永久性磁鐵來說,磁場是由于大量核外電子在圍繞原子核的運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的一種自發(fā)性規(guī)律排列所致。從磁鐵的物質(zhì)組成來看,它主要是由鐵、鈷、鎳和鐵的一些氧化物所組成,這些物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)比較特殊,本身就具有一定的磁矩,一般情況下磁區(qū)相互影響不表現(xiàn)出磁性,但是當(dāng)把它們放到相應(yīng)的磁場環(huán)境中,這些物質(zhì)中的原子就會(huì)與磁場方向快速調(diào)整到一致,從而表現(xiàn)出較強(qiáng)的磁性,這些物質(zhì)因此被稱為鐵磁性物質(zhì)。
我們從磁場的作用形式再來看一下磁力的特征。從某種意義上來說,磁鐵的磁性來源于電荷的定向規(guī)律性排列,也就是說磁場是由運(yùn)動(dòng)的電荷或者變化的電場產(chǎn)生而來,這也注定了磁場與電場均是在一定的空間區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)連續(xù)分布的一個(gè)矢量場,由于磁場的一個(gè)無源有旋的矢量空間,因此磁場的產(chǎn)生沒有源頭,也沒有結(jié)尾,是一個(gè)封閉閉合的空間區(qū)域,不像電場中電勢那有可以定量表達(dá)為一個(gè)標(biāo)量的函數(shù)。那么,既然磁力依賴于電磁場,那么電磁場就相當(dāng)于是磁力作用的一種媒介空間,對應(yīng)的這種媒介空間中必然要有一種媒介物質(zhì)使磁力發(fā)生相應(yīng)的傳遞過程。
從電磁波的傳遞來看,其依賴于光子的傳遞,所以從本質(zhì)上看磁力的傳遞也必然需要光子作為媒介。之所以我們看不到這種傳遞的過程,一方面在于不同頻率的光線,其組成的光子所攜帶的能量也不相同,而且我們?nèi)庋鬯姷墓庾又皇撬须姶挪ㄖ械臉O小一部分(可見光部分)。另一方面,電磁場傳遞磁力的媒介,經(jīng)科學(xué)家們深入研究,是一種特殊類型的光子-虛光子傳遞本身所具有的動(dòng)量和能量的結(jié)果,而這種虛光子傳遞能量的過程,來源于物體本身微觀粒子所具有的磁矩,一旦施加外在的磁場環(huán)境,這種磁矩作用下就會(huì)使物質(zhì)的內(nèi)能增加,表現(xiàn)出電子能級的躍遷,從而釋放出相應(yīng)的輻射線,這一點(diǎn)也已經(jīng)通過科學(xué)家們的實(shí)驗(yàn)得到了證實(shí)。
但是,畢竟虛光子是量子力學(xué)對于電磁力這種“虛過程”的一種設(shè)想,我們從理論上推導(dǎo)出來的東西,和實(shí)際還存在著一層“窗戶紙”,要捅破這層紙,不單單是需要大量實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,還得有量子力學(xué)與傳統(tǒng)物理學(xué)以及相對論等一系列物理理論基礎(chǔ)的深入融合發(fā)展,說不定以后會(huì)出現(xiàn)顛覆性或者超出常規(guī)認(rèn)知水平的重大發(fā)現(xiàn),這些都是未知數(shù)。
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