超距力

超距力 (force at a distance)
國立臺灣大學物理系林司牧

早期將兩物體相隔一空間而不需要接觸就產生的作用力歸納為超距力。因此電磁力、萬有引力為超距力，而壓力、浮力、摩擦力則稱為接觸力（即非超距力）。

即便是提出萬有引力概念的牛頓自己都深深被超距力的概念所困惑，因為他「實在難以想像沒有生命的物質能夠作用與影響其它物質，不需要非物質傳遞機制，不倚靠彼此接觸……對於物質，引力應該是內在的、固有的、基礎的，使得一個物體能夠作用於以真空相隔有限距離的另一個物體，不需要通過任何媒介傳遞作用力從一個物體到另一個物體，這對我來說是一個特大荒謬，我相信不會有任何在哲學方面具有足夠思考能力的人士會墜入其中。」（詳見後附參考資料）

超距力這種令人費解的特性，要等將近兩百年之後，才在馬克士威手上獲得更進一步的理解。

電磁學中的超距力

若將一堆鐵粉鋪灑在一塊磁鐵的四周，這些鐵粉會依著磁力的方向排列，形成一條條的磁力線，假若鐵粉感受到的是直接由磁鐵施加的作用力，則這是一種超距作用。

但馬克士威認為，雖然超距作用能夠滿意地計算出很多電磁現象，但是，超距力不能解釋整個圖像。馬克士威主張用場論解釋：早在鋪灑鐵粉之前，磁鐵就已經在四周產生磁場；不論鋪灑鐵粉了沒有，磁場都存在；磁鐵並不是直接施加力量於鐵粉，而是經過磁場施加力量於鐵粉；也就是說，鐵粉感受到的是磁場的作用力。

於是在電磁學裏，為了要說明超距力，而導致發展出場論，場能夠媒介電流與電荷之間不互相接處而彼此施加於對方的作用力。根據場論，電荷在四週生成電場，其它電荷會感受到電場的作用力，這就是兩個帶電粒子彼此之間庫侖相互作用的機制。馬克士威方程組用電磁場來計算所有電磁相互作用。在馬克士威理論裏，場的概念被提升至基礎角色，場具有自己的實體，在空間擁有動量與能量，超距作用只是電荷與電磁場彼此之間局域相互作用所產生的表觀效應。

事實上，場概念的引入使得超距力以及接觸力的區別變得意義不大。例如，我們或許認為以手推物體是一種接觸力，但放大了以後去看，手與物體都是原子組成，這些原子彼此間都有一個距離，並且受其他原子的電磁場所影響，此時接觸力的概念變得極為模糊。

重新檢視牛頓力學中的超距力

根據萬有引力定律，若空間中存在粒子$$1$$與粒子$$2$$兩粒子，它們間會相互施加於對方引力且不需要介質，其引力大小 $$F$$ 必定與距離 $$r$$ 的平方成反比：

$$\displaystyle F=G\frac{m_1m_2}{r^2}$$

其中，$$G$$ 是牛頓重力常數，$$m_1$$、$$m_2$$ 分別是粒子$$1$$和粒子$$2$$的質量。
在寫出這道式子時，人們已經無意中假設萬有引力是一種超距作用，而引力傳遞過程則完全未與討論，換言之，這意味著引力可以瞬時、直接地超距作用。

這個缺陷後來在愛因斯坦的廣義相對論中獲得解決。在此理論中，萬有引力是時空幾何的彎曲所造成的表象。物質(以及能量)促成了時空幾何彎曲，並且這效應如同電磁場一樣，是以光速傳遞。一個測試粒子在彎曲的時空中運動時，走的是時空中的最短路徑(稱為測地線)，此粒子隨時間改變的軌跡投影到三度空間中，就表現得好似被另一物質所吸引。

綜言之，超距力以及接觸力的概念在初等物理學中雖然可能幫助初學者獲得一些直觀，但似乎可以視為一種歷史遺跡，因為它們在現代物理理論中並不扮演任何角色。

Reference

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B6%85%E8%B7%9D%E4%BD%9C%E7%94%A8