導讀：相信電荷存在，正是我們人類的明智。很多人對電荷不了解，以為電荷是一種粒子。其實不是。看看此文就懂了。

相信電荷存在，正是人類的明智

——靈遁者

地球人都知道電荷是存在的。電荷的本質是什麼？這個問題科學家也給出了答案。即電荷為物體或構成物體的質點所帶的正電或負電，帶正電的粒子叫正電荷（符号為“ ”），帶負電的粒子叫負電荷（符号為“﹣”）我接着再問大家一個問題：“電荷是粒子嗎？電荷是物質嗎？”大家仔細想想，再回答我。

很顯然電荷概念是一切電磁學現象的基礎。所以這個概念的重要性，就不言而喻了。我在前面的章節中，有提到過電場，磁場，電磁場等概念。唯獨沒有講到電荷，這是一個重大遺漏。好在一本書的完成，不是一朝一夕的。我今天看到一個問題：“電荷是自旋産生的嗎？”當我試着去回答這個問題的時候，我想我應該補增一篇關于電荷内容的文章。

電荷是許多次原子粒子所擁有的一種基本性質。稱帶有電荷的粒子為“帶電粒子”。電荷決定了帶電粒子在電磁方面的物理行為。靜止的帶電粒子會産生電場，移動中的帶電粒子會産生電磁場，帶電粒子也會被電磁場所影響。一個帶電粒子與電磁場之間的相互作用稱為電磁力或電磁相互作用。這是四種基本相互作用中的一種。

要深刻了解電荷的概念，必須了解關于電磁學的種種概念。這樣你才能看清楚它們之間的關系。我先列出它們的基本概念。

1、電荷：在電磁學裡，電荷是物質的一種物理性質。

2、電量：電量表示物體所帶電荷的多少。一般來說，電荷的數量叫電量，用符号Q表示，單位是庫（侖）(符号是C)，庫侖是一個很常用的單位。

3、電流：科學上把單位時間裡通過導體任一橫截面的電量叫做電流強度，簡稱電流。通常用字母 I表示，它的單位是安培。簡稱“安”，符号 “A”，也是指電荷在導體中的定向移動。即導體中的自由電荷在電場力的作用下做有規則的定向運動就形成了電流。

4、電壓：電壓是電路中自由電荷定向移動形成電流的原因。在電路中，任意兩點之間的電位差稱為這兩點的電壓。通常用字母V代表電壓。

5、電場：電場存在于帶電體周圍的傳遞電荷之間相互作用的特殊媒介物質。電荷間的作用總是通過電場進行的。隻要電荷存在，它周圍就存在電場，電場是客觀存在的，它具有力和能的特性。

6、磁場：磁場是一種看不見、摸不着的特殊物質，磁場不是由原子或分子組成的，但磁場是客觀存在的。磁場具有波粒的輻射特性。磁體周圍存在磁場，磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的，所以兩磁體不用接觸就能發生作用。電流、運動電荷、磁體或變化電場周圍空間存在的一種特殊形态的物質。由于磁體的磁性來源于電流，電流是電荷的運動，因而概括地說，磁場是由運動電荷或電場的變化而産生的。

7、電磁場：在電磁學裡，電磁場是一種由帶電物體産生的一種物理場。處于電磁場的帶電物體會感受到電磁場的作用力。電磁場與帶電物體 （電荷或電流）之間的相互作用可以用麥克斯韋方程和洛倫茲力定律來描述。電磁場是有内在聯系、相互依存的電場和磁場的統一體的總稱。随時間變化的電場産生磁場，随時間變化的磁場産生電場，兩者互為因果，形成電磁場。電磁場可由變速運動的帶電粒子引起，也可由強弱變化的電流引起，不論原因如何，電磁場總是以光速向四周傳播，形成電磁波。電磁場是電磁作用的媒介，具有能量和動量，是物質的一種存在形式。電磁場的性質、特征及其運動變化規律由麥克斯韋方程組确定。

8、電磁波：電磁波，是由同相且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發射的震蕩粒子波，是以波動的形式傳播的電磁場，具有波粒二象性。電磁波是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動。電磁波在真空中速率固定，速度為光速。見麥克斯韋方程組。

二十世紀初，著名的油滴實驗證實電荷具有量子性質，也就是說，電荷是由一堆稱為基本電荷的單獨小單位組成的。基本電荷以符号e标記，大約帶有電荷量（電量）1.602× 10-19庫侖，這個也叫元電荷。就是說在各種帶電微粒中，電子電荷量的大小是最小的，人們把最小電荷叫做元電荷，也是物理學的基本常數之一，用符号e表示。誇克是個例外，所帶有的電量為e/3的倍數。質子帶有電荷量e；電子帶有電荷量-e。研究帶電粒子與它們之間由光子媒介的相互作用的學術領域稱為量子電動力學。

OK了，以上就是關于電磁學相關概念的介紹，高中學曆的朋友，一定不陌生。但這些知識其實你仔細去分析，你絕對會發現，想象力不夠用。教課書中的描述遠遠滿足不了你對于此知識的認識。而且隻知道電磁學相關知識，還不夠，為了下面要分析的内容，我再來介紹一下物質結構。這是必然要介紹的，不然接下來的分析，你會迷糊。

物質結構，首先是分子，然後是原子。原子指化學反應不可再分的基本微粒。原子在化學反應中不可分割，但在物理狀态中可以分割。原子由原子核和繞核運動的電子組成。原子構成一般物質的最小單位，稱為元素。已知的元素有119種。因此具有核式結構。

原子是一種元素能保持其化學性質的最小單位。一個正原子包含有一個緻密的原子核及若幹圍繞在原子核周圍帶負電的電子。而負原子的原子核帶負電，周圍的負電子帶正電。正原子的原子核由帶正電的質子和電中性的中子組成。負原子原子核中的反質子帶負電，從而使負原子的原子核帶負電。

當質子數與電子數相同時，這個原子就是電中性的；否則，就是帶有正電荷或者負電荷的離子。根據質子和中子數量的不同，原子的類型也不同：質子數決定了該原子屬于哪一種元素，而中子數則确定了該原子是此元素的哪一個同位素。

原子構成分子而分子組成物質中同種電荷相互排斥，不同種電荷相互吸引。以銀原子舉例：銀Ag有47個質子，外層電子排布是 2 ，8 ，18 ，18， 1 ，最外層隻有一個電子，易失去電子。所以一般的銀離子是正一價 Ag 。

原子直徑的數量級大約是10⁻¹⁰m。原子的質量極小，一般為-27次幂，質量主要集中在質子和中子上。原子核外分布着電子，電子躍遷産生光譜，電子決定了一個元素的化學性質，并且對原子的磁性有着很大的影響。所有質子數相同的原子組成元素，每種元素大多有一種不穩定的同位素，可以進行放射性衰變。

電子是一種實物粒子,質量為0.91×10-30kg,帶1.6×10-19C的電量.

電荷有兩種含義:一是指帶電小物體本身,即失去了電子(帶正電)或者得到了電子(帶負電)的小物體，質量和帶電量都不一定；二是指帶電體所帶的電量的多少、正負。

現在來回答上面開頭的提問：電荷是粒子嗎？

各位，從定義上就可以看出，電荷是粒子的一種性質，不是粒子。而且電荷是不能夠獨立存在的，以物體作為載體而存在。

還可以這樣說：電荷量是物質、原子或電子等所帶的電的量。單位是我們常将“帶電粒子”稱為電荷，但電荷本身并非“粒子”，隻是我們常将它想像成粒子以方便描述。這樣有時候，就會讓很多同學認為電荷就是粒子。電荷的最小值其大小為一個電子所帶的電量為1.6*10^-19C。所以說點電荷是帶電粒子的理想模型。真正的點電荷并不存在，隻有當帶電粒子之間的距離遠大于粒子的尺寸，或是帶電粒子的形狀與大小對于相互作用力的影響足以忽略時，此帶電體就能稱為“點電荷”。帶電是物質的一種固有屬性。

電荷有兩種：正電荷和負電荷。物體由于摩擦、加熱、射線照射、化學變化等原因，失去部分電子時物體帶正電，獲得部分電子時物體帶負電。帶有多餘正電荷或負電荷的物體叫做帶電體，習慣上有時把帶電體叫做電荷。

粒子電荷的二分量理論說明同位旋是描述粒子帶電狀态的旋量。認 為基本粒子的電荷都是由兩個分量合成：一個是自旋分量，另一個是同位旋分量。所以從這句話中可以看出，電荷這種性質的存在，與自旋應該是有關的。但是不能就此說自旋産生電荷，沒有這樣的理論。

根據自旋我們知道，可以将粒子劃分為玻色子和費米子。但玻色子和費米子都可以帶正電，或者負電。所以不能說自旋産生電荷，這是對那位朋友提問的回答。

每種粒子都具有确定的電荷。實驗表明，已發現的各種粒子的電荷都是質子電荷e的整數倍,這個規律稱為電荷量子化。對電荷量子化的最精确實驗檢驗是測量質子與電子電荷的代數和，如果電荷量子化嚴格成立，則其值應嚴格為零。現有實驗給出質子與電子電荷的代數和的絕對值小于10-21e，這表明電荷量子化在相當高的精度下成立。

質子電荷的現有實驗值為：e=(4.803242±0.000014)×10-10esu=(1.6021892±0.0000046)×10-19C。

關于電荷，大家要知道庫倫定律。庫侖定律是電學發展史上的第一個定量規律，它使電學的研究從定性進入定量階段，是電學史中的一塊重要的裡程碑。它指出，在真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力與距離平方成反比，與電量乘積成正比，作用力的方向沿連線，同号電荷相斥，異号電荷相吸。

除此之外還要知道電荷守恒定律：

表述一：電荷既不能創造，也不能消滅，它隻能從一個物體轉移到另一個物體，或從物體的一部分轉移到另一部分，在轉移的過程中，系統的電荷總數保持不變。

表述二：一個與外界沒有電荷交換的系統，電荷的代數和總是保持不變。

而且電荷間存在相互作用。靜止電荷在周圍空間産生靜電場，運動電荷除産生電場外還産生磁場。因此靜止或運動的電荷都會受到電場力作用，隻有運動電荷才能受磁場力作用。

總結一下：構成物質的基本單元是原子，原子由電子和原子核構成，核又由質子和中子構成 ，電子帶負電 ，質子帶正電，是正、負電荷的基本單元，中子不帶電。所謂物體不帶電就是電子數與質子數相等，物體帶電則是這種平衡的破壞。在自然界中不存在脫離物質而單獨存在的電荷。 在一個孤立系統中，不管發生了什麼變化，電子、質子的總數不變，隻是組合方式或所在位置有所變化，因而電荷必定守恒。

為了說明電荷的特征，不妨與質量作一些類比。電荷有正、負之分，于是電力有排斥力和吸引力的區别，質量隻有一種，其間總是相互吸引，正是這種區别，使電力可以屏蔽，引力則無從屏蔽。愛因斯坦描述了質量有随運動變化的相對論效應；而電子、質子以及一切帶電體的電量都不因運動變化，電量是相對論性的不變量。

電荷具有量子性，任何電荷都是電子電荷e的整數倍，e的精确值(1986年推薦值)為： e=1.60217733×10^-19庫質子與電子電量（絕對值）之差小于 （10-20）e，通常認為兩者的絕對值完全相等。電子十分穩定 ，估計其壽命超過1010億年，比迄今推測的宇宙年齡還要長得多。

各位，我們讨論其實剛剛開始。比如還要同學會有這樣的困擾：電荷有是物質嗎？電荷有質量嗎？思考一分鐘，你試着回答一下這個問題。

首先一開始就說了，電荷是一種物體性質。性質這個詞就意味者普适性。就是一切物體都帶有電荷。就好比物體一定具有溫度，密度。凡是物體必定攜帶有電荷。有人會反駁說中子不帶電。根據誇克模型， 誇克是帶分數電荷的，每個誇克帶 2/3e或-1/3e電荷（e為質子電荷單位）。

一個中子由兩個下誇克和一個上誇克組成，由于上誇克帶 2/3e電荷，下誇克帶-1/3e電荷q=-1/3e*2 2/3e=0,中子不帶電。

這是一種物體性質，也可以認為是固有屬性。就像慣性，引力一樣。凡是有質量的物體就具有引力作用，和慣性作用。

如此就可以回答，電荷有質量嗎？電荷沒有質量。就像我們問慣性有質量嗎？引力有質量嗎？肯定是沒有的。至少目前的理論是這樣認為的。你不能說給我來二斤引力，或給我拿1千克庫倫電。

而且大家要深刻認識到一個問題，那就是電荷無法脫離粒子或物體單獨存在。有這個問題存在，你如何測量它的質量？所以即使假設有質量，也無法獲得，還是等于沒有。

我這樣說大家肯定覺得不嚴謹，民科言論。就像愛因斯坦關于光子有沒有質量的論斷是一樣的。光子沒有靜止質量。這也是很狡猾的一個回答，因為沒有人可以得到靜止的光子。你怎麼測量？所以說你仔細想想這個問題，有時候能把人笑的肚疼。太矛盾了。

假如光子是有靜止質量的，然後你測量一個光子，也确實得到了一個數字。你怎麼保證這是光子靜止時候測量的數字。所以說沒有靜止質量和靜止質量為零的表述的結果是等價的。

但是各位，問題的嚴重性，還不在于此，這也是為什麼要介紹電荷的原因。電荷是一切電磁學理論的基礎，電場，磁場，電磁場，電磁波都是的。

那麼我們的問題是：電場，磁場，電磁場是物質場嗎？我覺得所有的教科書，應該在第一時間告訴學生這些問題。不然後期學了好多知識後，他們還有迷糊。

各位，場是一種能量狀态的存在方式。磁場的存在是依靠磁能，電場則依靠電能。看看上面的定義，就知道了，電場是具有通常物質所具有的力和能量等客觀屬性。所以電場，磁場，電磁場都是物質場。隻是說這種物質場比較特殊，不是我們常見的分子，原子所構成的。因為沒有一個教課書中，這樣教我們的。說場是由什麼粒子構成的。

但電場和磁場是一種客觀存在，是一種物質場，能量場。處于電場和磁場中的帶電物體，就是通過場來互相作用的。

而且電場和磁場就好像一個硬币兩個面，即有電場必有磁場，有磁場必有電場。運動電荷産生磁場，這一點已毫無疑問。再跟據相對性原裡，即使是靜止的電荷，隻要另選一個相對運動的座标系為參考系，該電荷也是運動的，就也會産生磁場，會得出：無論電荷是否運動，都會産生磁場。即——有電場一定有磁場。

　　綜上所述，有電場必然有磁場，有磁場必然有電場，二者相互依存，不可分割。

兩者的相同點：電場和磁場均為矢量場，即都具有大小和方向。

兩者的不同點：電場為有源場，即散度不為零，磁場為無源場，散度為零。電場有源性的推理：存在點電荷，即單極電場（正電場和負電場）。磁場無源性的推論：不存在磁荷，即沒有單極磁子。

各位，看到這裡我再問一個問題：“電場，磁場，電磁場，電磁波都是物質場，顯然這些都是以電荷為基礎産生的，那麼電荷為什麼不是物質？難倒電荷可以無中生有？”

可以這樣回答，倒不是說電荷無中生有。電荷是一種物質或粒子性質。而且電荷無法單獨存在。即電荷借力“物質或粒子”形成各種場，這樣就不算是無中生有。

這種電荷的性質，也是和輻射理論相吻合。因為我們知道，任何物體都以電磁波的形式向外輻射能量。這與任何物體或粒子都攜帶有電荷一緻的。

當然電荷理論，還有值得深入研究的地方。比如在誇克領域，存在分數電荷量。一旦誇克禁閉被打破，就意味着電荷理論必須做出修改。從電荷量子化，就可以看出電磁學理論，本身符合量子力學。所以說電磁學理論承上啟下，是沒有錯的。即連接經典電動力學體系，又連接量子力學體系。

而相對論中，物理是廣義，還是狹義，都包含了電磁學中的電磁波因素，即光速，從一定意義上來說，本身這就是有連接了。所以也是說明，大統一理論的思想思路，是沒有問題的。

本章的科普，到此就可以結尾了。但我一直強調我們的問題，沒有最後一個。如果我問一個問題：電荷的本質是什麼？

那麼這個問題就非常大了，我自己好奇，就找了一篇文章，我是贊同的。所以如果你也好奇，可以接着讀讀下文關于電荷本質的論述。

從開頭讀到這，相信很多讀者可能已經對電荷有了一些似是而非的理解了。是的，同能量、動量和角動量一樣，電荷的本質是來自于一種連續的對稱性，叫做全局的U(1)規範對稱性。該對稱性與能量、動量及角動量所對應的時間平移、空間平移和空間旋轉對稱性是有很大區别的，後者的對稱性都是和時空相關的，都被稱為時空對稱性，而前者的對稱性則與時空無關，被稱為内禀對稱性。因此，我們也稱粒子的電荷是一種内禀的屬性與時空無關。

那麼，何為全局的U(1)規範對稱性？我們知道，在量子場論中，粒子的行為是由該粒子的場算符所描寫的，而對于很多粒子來說，它的場算符是由一對互為厄米共轭的複的場算符

來表示，比如電子。全局的U(1)規範變換，即是對場算符做

的變化，即在場算符前加一個全局的相位因子（這裡的α是一個任意的與坐标無關的實參數，若其與空間坐标有關則被稱為局域的U(1)規範變換，這裡不予讨論）。若在這種變化下，即α 取任何實數，系統的運動方程都保持不變，那麼稱該體系具有全局的U(1)規範對稱性。

這樣，我們可以根據相關的數學計算，将全局的U(1)規範對稱性所對應的守恒荷的相關算符形式給求出來。例如，對于自由的電子場，根據諾特定理，通過計算我們可以得到如下的守恒荷的算符形式：

其中，

分别是電子與正電子（電子的反粒子）的産生、湮滅算符，s表示電子的自旋。顯然将Q算符作用在電子的單粒子态上，我們得到單電子的該荷量是 1，作用在正電子的單粒子态上，得到正電子的單粒子荷量為-1，也就是說電子與正電子所帶的這種荷大小相等，符号相反，而這一結論可以推廣的所有粒子中。

這裡，大家可能發現了，我們僅僅給出了該荷的形式上的量子化關系，并不能計算出電子實際所帶的該荷量的大小和其物理意義。這是由于我們上面所讨論的是自由電子場，并沒有引入相互作用。

當我們将電子場與電磁場進行耦合，即引入電磁相互作用時，我們發現電子所帶的該種荷與我們先前定義的電荷的行為是完全一樣的，因此，我們認為電子的該守恒荷就是我們所說得電荷。實際上，從電磁相互作用的拉格朗日量中我們可以看出，單粒子的電荷量大小影響着該粒子與電磁場的耦合強度（及QED的耦合系數），二者是成正比的。推廣到經典極限下，粒子的電荷就表征着庫倫力的大小和方向。總之，我們認為，電荷的本質是來源于粒子的全局U(1)規範對稱性（其實反過來并不一定成立，也就是說并不是所有粒子的全局的U(1)規範對稱性的守恒荷都是電荷，隻有在是與電磁場耦合的意義下的全局的U(1)規範對稱性的守恒荷才是電荷），是個内禀屬性，其大小僅依賴于粒子種類，而不依賴于該粒子的時空坐标系選擇，即對于一個确定的粒子來說，其電荷量是常量，且互為正反粒子所帶的電荷量大小相等符号相反。

至此，或許有些讀者表示很不滿，認為這種意義下的電荷的本質不過隻是一些數學上的小把戲。我們依舊看不清，摸不着，我們甚至懷疑其是否真正存在。然而，正如筆者前面所說的，同聲子的概念一樣，當我們有了電荷的概念以後，似乎一切物理圖像都變得清晰了，并且整個體系是顯得如此自洽、直觀和完美，在這種意義下，我們為何不認為電荷就是真實存在的呢？或者說，如果不能獲得其他什麼價值，我們又有什麼必要去認為電荷不是真實存在的呢？最後，筆者想引用一下狄拉克先生的一句名言：“這麼漂亮的東西不可能是錯的。”

好了，這就是本章的科普内容。祝大家學習愉快，生活愉快。

摘自獨立學者靈遁者物理宇宙科普書籍《變化》

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