第二章二、电磁力与磁场

October 13, 2024

我们日常生活中能够感知到的力，主要是引力和电磁力。前者是大家熟知的牛顿“万有引力定律”（Law of universal gravitation）：每个粒子都会以一种与质量的乘积成正比，且与它们中心之间的距离的平方成反比的力吸引宇宙中所有其他粒子。人类能感受到重力，就是由于受到了地球的万有引力。不过，除了在南北极，地球上任意一点的物体，其重力并不等于万有引力。因为万有引力是地球本身的引力，而重力是物体本身的质量再加上万有引力（见图2.3，参考“平行四边形法则”，可以看做是地球自转产生的向心力和重力合成的万有引力）。

图2.3：万有引力与重力的不同

显然，引力没有办法解释为什么电子会围绕着原子核运动，形成原子；各种原子又相互作用，紧密联系组成各种物体，这其实都是电磁力在起作用。常见的推力、拉力、支持力、弹力、摩擦力等等，都有一个显著的共性，为“接触力”，皆可以用电磁力来概括。

电磁力（Electromagnetic force）指带电的粒子或带电的物体间的作用力。两个静止的带电粒子之间的作用力由与引力定律有些相似的库仑定律支配着。库仑定律（Coulombs law）说：真空中两个静止的点电荷相斥或相吸，点电荷之间的相互作用力与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的平方成反比。电磁力比引力大得多，例如两个相邻质子之间的电磁力可达10²N，是它们之间万有引力（10^-34N）的10³⁶倍。可以看到，不管引力还是电磁力，都是距离越大，力的作用越小。

电磁力无处不在。如果没有电磁力，我们将失去对世界的所有感知。人类的视觉和听觉是基于电磁力的，因为光和声本质是电磁波。味觉和嗅觉是化学感应器，化学反应的本质是电磁力下的电子交换。

触觉与分子间力更紧密相关。从物理角度来看，我们从未真正“接触”过任何东西。当我们触摸皮肤时获得的感觉，无非是组成皮肤的原子之间产生的电磁力引起物体分子与我们皮肤分子之间的吸引力或排斥力，使皮肤变形，并刺激感觉神经元，最终形成触觉感知。拿“推桌子”的行为举例：人和桌子都由无数分子组成，宏观上，手通过接触桌子推动了桌子，微观上则是组成手的分子不断靠近组成桌子的分子（分子是由原子组成的，原子是由带正电的原子和带负电的电子组成）。这样，当这些分子、原子相互靠近时，它们之间就会产生一种电磁力，这些力的作用形成了我们宏观上感觉到的推力、拉力、弹力、摩擦力等。

磁场（Magnetic field）是传递实物间磁力作用的场。磁场是由运动着的微小粒子构成的，具有粒子的辐射特性，虽然看不见、摸不着，但磁体周围均存在磁场，且磁体间不用通过物理层面接触，即可以磁场作为媒介相互作用。地球上的物体皆由原子组成，由电荷的运动产生电流，由电流产生磁性，皆为磁体，也就具备了“创造”或“感受”磁场的能力。

电磁力还是驱动整个地球的引擎。在地表下数千公里的地方，由于液态金属的流动产生电流，形成了强烈的磁场，包围了整个地球，这个过程使地球的两极获得正电荷和负电荷，让地球变成一个巨大的电磁体。地球磁场的南北极与地理的南北极正好相反，磁极与地轴之间存在一个偏角，称为磁偏角。早在宋代科学家沈括的《梦溪笔谈》中，记录了磁偏角“常微偏东，不全南也”，但是，磁偏角正不断地发生缓慢变化。

人类对于地磁场的早期认识，来源于天然磁石（铁、镍、钴等）和磁针的指极性。指南针是中国古代四大发明之一。磁针的指极性是由于地球的北磁极（磁性为S极）吸引着磁针的N极，地球的南磁极（磁性为N极）吸引着磁针的S极。（见图2.4）

图2.4：地球磁场

磁现象是最早被人类认识的物理现象之一。早在1746年，英国物理学家就用对比实验证明了如果有磁场的增强（电的作用下），两株石榴树在对比下，得到“电”作用的石榴树会长得更快更大。之后，在长达200多年的时间里，物理学家和生物学家们对此“电力栽培”（electro-culture）乐此不疲，在数不清的水果、蔬菜、树木、花草上做了基于精确测量与对比的科学实验,更详尽的对比实验和历史实验索引可以参见《用电来种庄稼和植物》。在国内，中国科学院的研究人员使用摩擦电纳米发电机创建了一个电场，以便向植物输送电力，并将实验结果刊登在《自然》杂志上。

在更早的年份里，科学家们在对比植株里插入的是水银灯（mercury vapour lamp）。这些在土豆、草莓、向日葵等作物、植物上做的实验，也无一例外地呈现“显著”变化：土豆长势迅速，草莓出现多瓣，向日葵超级高大…… 难道水银灯也会发电？后来科学家们通过实验发现，将水银放入圆形器皿内，将磁铁靠近，器皿内的水银会高速旋转；当把磁铁放进水银器皿内，磁铁自身会高速旋转。这至少解释了一个可能性：水银会与磁场发生作用，而产生更强的磁场。而绕线圈的做法，当然不是给植物直接充电，而是在承认植物受到地磁场作用的前提下，用在特定部位绕线圈的做法来增强植物周围的磁场，以此来促进植物细胞的生长。（图2.5）当然，这个想法，可能也源自同时代的特斯拉线圈（Tesla Coil）。

人生天地间，与大自然实为一体。人体与磁场也存在一定的内在关联性，这些磁波会对人类的大脑和脏器形成一定程度的影响。人不但受磁场的作用，甚至在人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。中华老祖宗们早在2300多年前，就将利用磁场防病治病写入了《吕氏春秋》，扁鹊、孙思邈、李时珍、葛洪等历代名医均有磁石外用或内服的记载。

这也让我想起了小时候一度很火的“磁化杯”，还有经常在农村向老人“推销”的磁疗产品，比如睡觉就可以“治病”的磁疗床、磁疗枕，是相似的道理。它的科学性有待科学验证，作者不敢妄加证实，但是，在此提醒：首先，这些民间“磁疗”的产品大多没有通过相关部门认定或医学验证；其次，所谓“磁疗”作用可能在推销中被夸大，性价比很低，消费者谨防人财两空；再次，地磁场和人体磁场都是有方向的，切莫背道而驰。