一、大自然偏好平方反比定律，引力和库伦力是什么？

引力与距离呈平方反比定律，或许正说明我们的宇宙空间是三维的

物理学中有四种基本力，其中强力和弱力只在微观尺度有效，电磁力和万有引力的作用范围是无限的，而且电磁力和万有引力都满足平方反比定律，实现生活中还有很多物理现象满足这一规律，比如灯泡的光照强度也是和距离平方成反比。

平方反比定律指的是物体或者粒子的强度，与距离的平方呈线性衰减，为了证明库伦力和万有引力严格遵循平方反比定律，实验科学家花了不少心血；万有引力非常微弱，使得万有引力的测量非常困难，但是库伦力很容易测量，目前科学家对库仑力指数的测量精度，已经达到了2±10^-10。

假如电磁相互作用不严格遵循平方反比定律，那么光子的静止质量将不严格为零，真空中的光速也将不固定，电荷也将不守恒，这会使得现有的整个物理学大厦坍塌，所以平方反比定律对于物理学来说非常重要。

电磁力和万有引力在形式上的这种相似性，是否存在更本质的原因，目前还有待人们去探寻，我们不妨从空间维度出发，来简单探讨下平方反比定律。

首先，电磁力和万有引力都可以用“场”来描述，分别叫做电磁场和引力场，场是物质的一种，它真实存在，而且有能量有动量，这是物理学中一个非常重要的概念，一旦离开了场，我们会发现很多物理问题变得棘手。

比如做加速运动的电荷会辐射电磁波，从而使自身受到一个阻尼力，这个力就没有反作用力；还有假如太阳发生超新星爆炸，地球要8分钟后才受影响，那么在这8分钟之内，地球受到的引力也没有反作用力，而且动量守恒定律也将被破坏。如果其中引入电磁场施加了反作用力，以及引力场带走了动量，那么这两个问题就能轻松得到解决。

有了场的概念，我们再来看平方反比定律就容易很多，一个点质量激发的引力场是向四周扩散的，无论扩散多远，场的矢量加起来都应该和初始时一致，因为场是物质，在电磁场中就对应高斯定律（磁场∮BdA=0，电场∮EdA=q/ε）。

我们把场想象成一个点光源，并且向三维空间中发射光子，距离发散点的半径为r时，发散面的面积为A=4πr^2，于是光子的扩散密度和距离平方呈反比，这或许就是平方反比的物理意义。

这一切都得益于我们宇宙空间是三维的，或者说电磁相互作用和万有引力在三维空间中传播，这个定律其实也可以利用数学推广到任意维度N，在N维度扩展的场强强度，与r^（N-1）呈反比。

所以大自然偏好平方反比定律是有着深刻原因的，至于强力和弱力，由于只在微观尺度有效，而且形式更为复杂，在超弦理论中描述还有七个维度蜷缩在微观世界，这之间是否存在联系谁也说不清楚。

二、什么是平方反比定律?

这个定律是高斯公式的必然结果。比如点电荷场强公式就是平方反比定律的体现。这是球面面积公式造成的，网上多个网友多处有提到。我为此曾写了个教研小文，2011年4月投稿大学物理但被拒稿。告诉高中生面积公式能让高中生更容易地理解平方反比定律，是很有意义的。这个平方反比定律也可以从高斯公式推出。

三、为什么万有引力定律，库伦定律都是平方反比？

库仑定律和万有引力定律的公式形式很接近主要是指它们都是平方反比律，这是由于传递电磁力的虚光子与传递引力的虚引力子都是静止质量为0的媒介玻色子，这是两者的共同之处，正是这一点导致了两者都是平方反比律。 但从本质上来讲，两者是有重大区别的，首先就是引发的“荷”不同，引力是质量引起的，电磁力是电量引起的；其次，两者的辐射方式不同，电磁力的最低极辐射（往往也是其所有辐射中最强的辐射）是偶极辐射，相应的，光子的自旋为1；引力的最低极辐射是4极辐射，相应的，引力子的自旋为2。再次，电磁场是线性场——光子不会产生次级光子；而引力场是非线性场——引力子也有质量（这是指其动质量，不是静质量），它会产生次级引力子，因此，强引力的情况下，引力的规律将远远偏离平方反比律，此时只能用现代最好的引力理论——广义相对论来处理相关问题，牛顿的理论此时不能再用了。当然，在极靠近的情况下，电磁力也将偏离平方反比律，那是量子力学要处理的问题。

四、库仑定律及表达式与那个定律相似，这两个定律有哪些相同和不同处

库仑定律和万有引力定律。

1、牛顿万有引力定律：

任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。公式为： F=G･m･M/r2。其中F是两个质点之间的万有引力，m和M分别是两个质点的质量，r是两个质点之间的距离，G是引力常数。G=6.67×10-11牛･米2/公斤2。

2、库仑定律：

真空中两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷所带电量的乘积成正比，和它们距离的平方成反比，作用力的方向沿着这两个点电荷的连线,同性电荷相斥，异性电荷相吸。其计算公式为：F=ke･q･Q/r2。其中F是两个点电荷之间的静电力，q和Q分别是两个点电荷的电量，r是两个点电荷之间的距离，ke是库伦常数。ke=9×109牛･米2/库2。

比较这两个定律，我们会发现它们之间有着惊人地相似之处。尤其是它们的计算公式，在形式上几乎是完全一样。就连它们常数的单位，在形式上也几乎完全一样。这种相似性引起人们极大的兴趣。

其实，二者相似的根本原因是它们都遵循“平方反比定律”。这是关键所在。平方反比定律反映的是球形场特性。所有的球形场都遵循平方反比定律。例如光的传播方式也是一个球形场，因此光的强度也遵循平方反比定律。引力定律与库仑定律都遵循平方反比定律，就说明引力和静电力都与球形场有关。在我之前关于引力定律与库仑定律的文章中对这方面有所解释，并指出：“引力与静电力是物质以相同的方式对各自不同物理特性的不同表现。虽然表达出来的内容不同，但表达方式完全一样。”球形场就是造成万有引力定律与库仑定律如此相似的根本原因。它们都是“点”与“场”之间的直接相互作用，而不是“点”与“点”之间的直接相互作用。实际上，“万有引力”并不是“质点之间的相互吸引力”。因此把牛顿的“引力”改称为没有吸引概念的“重力”更为准确。

万有引力定律与库仑定律在表面上非常相似，但是在本质上却完全不同。首先，万有引力的一个关键性质是它的“万有性”。只要是有质量的东西就具有这种性质。因此，万有引力（重力）来自物质的基本属性，而不是物体的构成成分所表现出来的物理特性。但是，库仑力（静电力）却不具备万有性。一些具有质量的东西却并不一定有静电力。例如中子就不带电。我们在周围环境中见到的很多物体也不表现出静电的引力或斥力。“电”不是物质基本属性的产物，而是一种物理特性的产物。因此，静电力的产生是有特定条件的。也正是如此，静电力是可以产生和消除的。而重力却是不可产生和消除的。另外的一个不同就是，重力只有一个方向，而电力有正负两个方向。还有一个更重要的也是本质上的不同之处：重力不是“物体之间的相互吸引作用”，而静电异性电荷之间的静电力却是“电荷之间的相互吸引作用”。也就是说，重力不是维持物质的任何基本结构所需要的力，而静电力则是一种维持物质基本结构所必须的力。从这些不同我们可以得到的结论是：重力是比静电力更加原始的力。重力不可能在“电”的基础上产生出来。而且，从力的本质上来说，重力与静电力是本质上完全不同的力。重力是物质的物理现象导致的结果，而静电力是一个导致物理现象的原因。在因果关系上它们完全相反。因此，万有引力定律与库仑定律之间虽然具有表面形式上的相似性，但是，重力和库仑力之间没有任何本质上的直接联系。

五、什么是平方反比定律？

实际上，原子就是依存于这种和谐的。使电子束缚于原子核的电引力满足一个叫作平方反比定律的有名的物理学定律。这个定律说的是，假如质子和电子之间的距离加倍，二者之间的电引力就降低为原先的四分之一；假如二者的距离是原先的3倍，二者之间电引力就降低到原先的九分之一，依此类推。这种井然有序的数学规律性也可以在引力中见到，例如，行星和太阳之间的引力就是这样。平方反比定律导致了太阳系的引人注目的规律性，这些规律性可用算式表示。运用这些算式，就可以预测日食月食以及其他的天文现象。在原子中，这些规律是量子性质的，表现为能级的排列和发射的光的频谱。但太阳系的规律性和原子的规律性都来自平方反比定律的质朴性。

明白了原子核的结构之后，物理学家们接着就开始探寻原子核内部使原子核结为一体的力。这种力不可能是引力，因为引力太弱，也不可能是电磁力，因为同性的电荷是相斥的，所以，带有正电荷的质子如何竟能在一起相安无事就成了一个谜。显然，必定有一种很强的吸引力来克服质子之间的斥力。实验表明，使原子核成为一体的力要比电磁力强得多，这种力在质子的一定距离或范围之外就突然消失了。这种距离很短，比原子核还要小，所以，只有最近的粒子才处于核作用力的范围之内。中子和质子都处于核力的影响之下。因为这种力很强，所以大多数原子核要用很大的力量才能破开。重原子核不那么稳定，可以很容易地裂变，放出能量。

核粒子也是按不连续的量子能级排列的，只是没有原子和谐的那种质朴性。原子核是一种复杂的结构，这不仅是因为组成原子核的粒子数目多，而且也是因为核作用力并不遵守质朴的平方反比定律。

20世纪30年代，物理学家们在量子论的框架中研究核作用力，终于明白了这种力的性质是与粒子的结构分不开的。在日常生活中，我们把物质和力看成是两个独立的概念。力可以通过引力或电磁效应作用于两个物体之间，或直接通过接触作用于物体。但物质只是被看作是力的来源，而不是力的传播媒介。因此，太阳引力跨越一无所有的空间作用于地球，用场的语言来描述就是：太阳的引力场（若是没有引力表现出来，引力场是看不见也摸不着的）与地球相互作用，对地球施加了一种力。

在亚核的领域里，量子效应起着重要的作用，量子论的一个中心论点是，能量是以不连续的量的方式传导的。这也是量子论的由来。因此，光子就是电磁场的量子。当两个带电粒子互相靠近时，就受到了它们都有的电磁场的影响，电磁力就在它们中间起作用。电磁场使它们的运动轨迹发生偏转。但一个粒子通过场对另一个粒子所施加的扰动必须以光子的形式传导。因而，带电粒子之间的相互作用不是一个连续的过程，而应被看作是由一个或多个光子转移造成的脉冲。

有人把这种相互作用的机制比作两个打网球的人，这两人的行为通过球的往来而有了联系。因此，光子的行为颇像个信使，在两个带电粒子之间来回跳荡，告诉这个带电粒子那里还有一个带电粒子，从而引起一种反应。物理学家们借助于这样的概念，就可以计算出原子层面上的很多电磁过程的效应。在所有的场合中，实验的结果与利用计算得来的预测惊人地相符。

电磁场的量子论的成功应用令20世纪30年代的物理学家们倍感欣喜，他们很自然地又把它应用于核力场。日本物理学家汤川秀树应用量子论，发现质子和中子之间的力实际上可以用二者之间信使般往来的量子为模型，但这里的量子与我们所熟悉的光子大不相同。汤川的量子必须有质量，才能再现出核力的那种作用距离极短的效果。