物理群星
1785 电磁学

库仑定律

Coulomb's Law

用一根细丝的扭转角,第一次量出了两个电荷之间的力有多大——电学从此可以计算。

当时的困境

十八世纪的电学是一门表演艺术。沙龙里,人们用摩擦起电机让绅士的头发竖起来,用莱顿瓶电击手拉手的一圈修士取乐。所有人都知道同性相斥、异性相吸,但没有人能说出「多大」。

猜想倒是有,而且相当漂亮。富兰克林告诉普里斯特利,吊在带电金属杯里的软木球完全不受杯上电的影响;普里斯特利应他之请亲手重做了一遍,1767 年写进《电的历史与现状》。他由此推断电力必定按距离的平方减弱——因为只有平方反比,才能让空腔内部来自四面八方的作用恰好抵消,这与牛顿证明的「均匀球壳内部没有引力」是同一个几何。

但这是间接的推理,而且它没有引起重视。真正的障碍在测量:静电力太弱,当时最好的天平也称不出来。

有两个人其实先做出来了,只是没人知道。 苏格兰的鲁宾逊 1769 年测出指数是 2.06,稿子压到 1801 年才付印。更极端的是卡文迪什:他 1773 年做了一套同心球壳实验,把指数与 2 的偏差卡到 0.02 以内,精度远超库仑,却因为他那种近乎病态的不发表习惯,全部手稿在抽屉里躺了一个多世纪——直到 1879 年麦克斯韦整理他的遗稿时才公之于众。那时电磁学早已建成,卡文迪什的结果只剩下史料价值。

洞见时刻

库仑是军事工程师出身,在马提尼克岛主持过九年要塞工程,常年和绳索、扭转、材料打交道。他知道一件别人没在意的事:一根细丝被扭转时,回复力矩与扭转角成正比,而这个比例系数随丝的直径急剧变化——丝越细,同样的角度对应的力矩越小。他 1784 年专门写过一篇关于金属丝扭转的论文,把这个规律量化了。也就是说,他手里有一把能称量极小的力的秤,而这把秤是他自己先造出来的。

于是有了扭秤:竖直吊一根细银丝,下端横挂一根轻杆,杆的一端是一个带电小球。另一个带电球靠近,横杆偏转,细丝扭动。力的测量被转化成了角度的读数。

1785 年,他把两个带同种电荷的小球放在不同距离上:距离减半,斥力变成四倍;距离缩到三分之一,斥力变成九倍。平方反比。同年的第二篇论文用另一套办法处理异种电荷的吸引——因为吸引会让两球越靠越近直到相碰,扭秤不稳定,他改用带电球在磁针式摆上的振荡周期来推力的大小,得到同样的形式。

这个实验没有它看上去那么干净。 库仑发表的斥力数据只有三个点。1992 年,海林试图严格复现这套装置,发现在潮湿空气里电荷漏得极快,几分钟内小球就掉了大半电量,读数根本稳不住。库仑很可能挑选了状况最好的几次记录。今天我们相信平方反比,靠的不是这三个点,而是普里斯特利那条思路的现代版:如果指数不是精确的 2,带电导体空腔内部就会出现残余电场。1971 年威廉斯、法勒与希尔做的这类「零结果实验」把指数与 2 的偏差压到了 10⁻¹⁶ 量级。

涟漪效应

电学从此进入了可计算的时代。泊松在 1812 年前后用库仑定律建起静电学的势理论,把求电场变成解一个偏微分方程;高斯给出更漂亮的通量形式;这些最终成了麦克斯韦方程组的第一条。

而这条定律最耐人寻味的地方,是它和万有引力长得一模一样:都是平方反比,都只依赖两个「荷」的乘积。两种看起来毫不相干的力共享同一个几何,这个巧合困扰并激励了物理学家两百年——今天我们知道,它源于传递作用的粒子没有质量。上面那个 10⁻¹⁶ 的偏差上限,换一种说法就是光子静止质量的上限:那篇论文的标题写的正是这件事。

也该说清它的适用边界。 库仑定律描述的是静止电荷。一旦电荷开始运动,它就不再完整:作用需要时间传过去,运动电荷之间还会出现磁力,完整的描述要等到麦克斯韦。今天在实验室里,库仑定律是电磁理论在静态极限下的一个特例,而不是一条独立的基本定律。

如果没有它

发电厂的静电除尘器让烟尘带电后被极板吸走,一台大型机组每年能拦下数万吨粉尘;汽车厂的静电喷涂让漆雾主动扑向车身,涂料利用率从不到一半提到九成以上;复印机和激光打印机靠静电把碳粉吸到纸上该在的位置——卡尔森 1938 年发明的这套流程,用的全是十八世纪就写下的那条式子。

更深的一层在你的手机里。芯片上每一个晶体管的开关行为,本质上是电子在电场里如何被推拉——而那个电场,算到底就是无数个库仑定律的叠加。今天设计一颗芯片,仿真软件里跑的最基础的那一层,仍然是它。

1881 年,国际电学大会把电量的单位命名为「库仑」。2019 年国际单位制改革后,这个单位由基本电荷的固定数值定义:一库仑就是 1/1.602176634×10⁻¹⁹ 个基本电荷所带的电量。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.库仑《论电与磁》第一至第七回忆录,法国科学院《回忆录》(1785–1791)——扭秤实验与平方反比律
  2. 2.威廉斯、法勒与希尔《库仑定律的新实验检验:光子静止质量的实验室上限》,《物理评论快报》第 26 卷第 721 页(1971)
  3. 3.奥斯特《关于电流对磁针作用的实验》(哥本哈根,1820)——电与磁第一次被连上,全文可读