现代人的生产生活已离不开电与磁的应用。在物理学的探索岁月中，电磁学一直占据着核心地位。从古希腊时期对静电的初步观察，到麦克斯韦优美方程组的建立，电磁学的发展历程凝聚了很多科学家的智慧与努力。然而，尽管麦克斯韦方程组在电磁学中具有不可磨灭的贡献，但电与磁的物理本质问题仍然没有得到解释。这个问题需要从新的视角重新审视电磁现象，其中正交碰撞/惯性运动理论为我们提供了一种全新的解释框架。

一、电磁学的发展历程

电磁学的起源可以追溯到公元前600年，古希腊数学家泰勒斯观察到毛皮摩擦琥珀会产生静电现象。这一发现开启了人类对电学的初步探索。此后，电学研究经历了长时间的停滞，直到1600年，英国物理学家威廉・吉尔伯特提出“electricus”（电）这一术语，并研究了地磁场与磁性材料的特性。1733年，法国物理学家夏尔・迪费发现了正负电荷及其相互作用规律。1752年，美国科学家富兰克林通过风筝实验揭示了静电与电流的联系，并提出了电荷守恒定律。1785年，法国物理学家库仑确立了库仑定律，定量描述了两个带电粒子间的静电力，为电学研究奠定了坚实基础。

在磁学方面，人类对磁的认识始于中国秦朝的指南针。1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，这一发现为电磁学的发展开启了新的篇章。随后，法国物理学家安培提出了电流产生磁场的定律，并发展了电动力学理论。1831年，英国科学家法拉第发现了电磁感应现象，揭示了变化的磁场能够在导体中感应出电流，这一发现为电磁学的发展提供了关键线索。然而，这些发现和定律虽然在实验上取得了巨大成功，但缺乏系统的理论整合。19世纪50至70年代，苏格兰物理学家麦克斯韦通过一系列论文，将这些分散的定律整合为一套完整的电磁学理论方程组。最后，他的四个矢量方程不仅在概念上协调一致、在数学上完美严谨，还为人类深入理解电与磁的关系提供了强大的工具。

然而，麦克斯韦方程组本质上是对前人统计电磁学实验定律的总结与数学概括，包含统计关系和经验概念。这些统计常数使得方程组在解释电磁现象的物理本质时显得力不从心，尤其是微观层面的磁矩和磁畴等概念仍不明确，也与相对论和量子力学不兼容，以及无法解释光电效应等。

二、惯性运动理论与正交碰撞理论

惯性运动理论

惯性运动是宇宙中所有物体的基本运动状态与形式。在宇宙真空中的所有物体（粒子）均做惯性运动，改变其惯性运动状态需要施加外力。这种惯性运动不仅存在于宏观世界，也存在于微观世界。例如，原子中的电子围绕原子核的运动也是一种惯性运动。这种运动的起源可以追溯到宇宙的形成之初，每个粒子的惯性运动都与所属系统的形成密切相关。

从新的动力学视角来看，电的宏观现象可以解释为旧粒子在外力作用下发生正交碰撞，产生新电子的异号电荷分离所致 [1]。这种解释无需传统的电磁力、电磁场等概念，而是从粒子的碰撞和惯性运动出发，揭示了电现象的本质。同样，磁的物理本质可以解释为物质中稳定记录的、运动电子整体取向所关联的势能（磁能）与信息。这种解释将磁性视为电子运动的有序性，而非传统的磁矩和磁畴。

正交碰撞理论

正交碰撞理论进一步深化了惯性运动理论，提供了更具体的数学描述。根据正交碰撞理论，当两个粒子以90度角（正交）碰撞时，会产生新的加速运动粒子，包含径向与法向两个分量，并且这些新粒子会带有异号电荷。这种碰撞不仅导致质量的转换，还导致新物态能量的重新分配。正交碰撞产生的新粒子可以被描述为具有正电荷和负电荷的电子，这些电子的运动形成了我们所观察到的电现象。

正交碰撞的数学描述

假设两个粒子 A 和 B 以质量mA速和mB及速度 vA和 vB 发生向心力（半径rA和rB，单位矢量nA 和nB）正交碰撞，碰撞点为 H。根据正交碰撞理论，碰撞产生的新力矢量τH 可以表示为：τH =[(mAvA2)/rA]nA×[(mBvB2)/rB] nB。

这个公式表明，正交碰撞产生的新力与两个粒子的质量、速度和运动半径有关，并且垂直于碰撞平面。电荷分离的数学描述在正交碰撞中，新产生的粒子会带有异号电荷。假设碰撞产生的新粒子总数为N，其中一半带有正电荷，另一半带有负电荷。每个新粒子的能量可以表示为：E = m c2，其中：m 是新粒子的质量，c 是新粒子的速度。碰撞前后的总质能保持不变，因此有：(N/2)m+c2+(N/2)m-c2=(mAvA2) (mBvB2) 。式中m+和m- 分别为带正电和带负电粒子的质量。这个公式表明，碰撞产生的新粒子总质能等于碰撞前两个粒子的质能。通过正交碰撞，旧粒子的质量可转变成新粒子的质能。

三、电磁感应现象的正交碰撞理论解释

根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场会感应出涡旋电场，进而产生电流。但涡旋电场的产生机制及其与磁场的具体关联尚未被完全探明。如图中放置了一块磁铁，磁铁的南北（N-S）两极之间放一根导体（如金属棒），金属棒两端通过导线连接到电流检测器。在磁体南北两极之间，运动电子存在反映剩余势能或电子惯性运动的整体取向。绿色虚线箭头代表运动电子固化后的整体取向，它反映了磁铁南北两极间辐射的量子势能。

当金属棒在磁铁南北两极间水平运动时，电流检测器的指针保持静止未摆动，表明无电流产生。当金属棒的运动方向（紫色虚线箭头）与磁铁南北两极间的电子运动整体取向（绿色虚线箭头）垂直时，电流检测器的指针摆动幅度最大，表明形成了电流。若金属棒不动，仅让磁铁垂直于金属棒运动，同样可检测到电流。

如何解释上述两种运动中，仅当金属棒相对磁铁垂直运动时才能产生电流？静止金属棒中电子的运动方向是无序的，但人为使金属棒水平或垂直运动时，所有电子的运动都会叠加这一人为施加的运动方向。仅当人为（外力）使金属棒垂直运动时，棒内电子运动的整体方向才会与磁铁南北两极间电子运动留下的取向发生正交碰撞，形成垂直于原有两种电子运动方向（紫色虚线箭头与蓝色虚线箭头）的新电子定向运动。

这一电子碰撞生新态的物理原理与摩擦起电效应相同。根据碰撞生电公式，新电子的运动方向即为红色实线箭头与蓝色实线箭头所示的双向交替电流。这一重要现象此前从未被任何定律或理论描述及解释过，而这种双向交替的电流可能揭示了塞尔维亚裔美国发明家特斯拉于1887年提出的交流（AC）系统的物理原理。

图中，如果棒不动，改变磁体的强度或/和垂直位置也能使金属棒中新电子产生定向运动，即产生电流。这表明金属棒与磁体之间两种整体取向的垂直相对运动，会引发新电子的运动（即电流）。两种整体取向中，有一种必须由外力引起，这就是水力发电或风力发电的粒子整体相对运动正交碰撞机制。因此，外力作用可通过有序的电子碰撞产生电能。

四、回归电荷能量与电动力学

在碰撞生电公式中，两个原有粒子的正交碰撞会产生 N 个新粒子。每个新粒子的能量为 E = mc2。其中，m 是新粒子的质量，c 是新粒子的速度。N 个新粒子中，一半带正电荷，另一半带负电荷。异号电荷的产生与两个矢量的叉乘相关。由正负电荷公式可得每个电荷能量公式为：E+,-=[(mAmB)(vAvB)2]/N(q+q-)/r2。根据量子力学的不确定性原理，新粒子的质量 m 和速度 c 难以测量，但每个电子的电荷能量可被探测到。若取k’=[(mAmB)(vAvB)2]/N，则有电荷能量方程：E+,-=k’(q+q-)/r2。

这个公式的形式与库仑定律相似，但其物理本质是异性电荷的能量，而非库仑定律所描述的是两个电荷之间的电场力。异性电荷之间不存在电场和电场力，仅存在带电粒子间的惯性运动，表现为势能。此处既无电场和电场力，也无磁场和磁场力。传统电磁学中电场（力）和磁场（力）的表述，是牛顿引力世界观下对电磁现象的主观现象描述。库仑定律是继牛顿引力定律后的类似表达形式。

库仑常数 k 是一个统计常数，而电荷能量方程中的 k' 反映了物质或粒子的质能，回到了爱因斯坦宇宙质能的框架。可见，电场和磁场高斯定律以及法拉第磁通量变化感应电场、安培-麦克斯韦电通量变化感应磁场等定律，一方面是基于对观测现象的经验总结与归纳，另一方面是为了便于数学描述。尽管麦克斯韦电磁场方程组简洁优美，但仍未揭示电磁现象的物理本质。

五、惯性运动理论与正交碰撞理论的意义

惯性运动理论和正交碰撞理论不仅为电磁现象提供了新的解释，还为电磁学的未来应用提供了新的思路。这种理论框架有助于我们更好地理解电磁现象的物理本质，尤其是在微观层面。例如，通过正交碰撞理论，我们可以更清晰地理解电子在磁性材料中的行为，以及电流在导体中的传输机制。

更重要的是，惯性运动理论和正交碰撞理论为统一宇宙物理现象提供了潜在的可能性。从宇宙尺度到微观尺度，所有物体的运动都可以归结为惯性运动与正交碰撞。这种统一的视角有助于我们更好地理解宇宙的起源和演化，甚至可能完成爱因斯坦的终身目标——将电磁学与引力现象统一起来。

通过这些新的理论框架，我们不仅能够更好地解释日常生活中的电磁现象，还能为现代科技的发展提供理论支持。从发电机到变压器，从无线充电到电磁炉，电磁学的应用无处不在。通过深入理解电磁现象的物理本质，我们可以更好地利用这些现象，为人类创造更多的福祉。

参考文献

[1] Qian WH (2023) Physical Interpretation of Electricity and Magnetism and Electromagnetic Induction. J Applied Mathematics and Physics 11: 2069-2092.

来源: 钱维宏 北京大学物理学院