電是哪些？電荷是哪些？
電究竟是哪些？這是初學(xué)這方面知識的人一定會問的問題。
假如問力究竟是哪些，稍有生活經(jīng)驗(yàn)的人恐怕都能給出自己的描述式理解，學(xué)過學(xué)校數(shù)學(xué)的人都會列舉彈力、浮力、萬有引力等力的具體實(shí)例來企圖更清晰地回答這個問題。他的觀眾常常也并不會認(rèn)為，通過這種司空見慣的現(xiàn)象來認(rèn)識力的概念，這樣的過程有哪些困難和問題。
然而，假如問電究竟是哪些，要解釋這個問題就相當(dāng)困難了。大多數(shù)人一般會利用雷電、摩擦起電等現(xiàn)象來企圖進(jìn)行解釋。好吧，我們暫且覺得這樣的解釋就能在大多數(shù)情況下蒙混過關(guān)（雖然從生活經(jīng)驗(yàn)上說，體驗(yàn)過觸電以后能夠在生理上有條件向他人描述體會的人終究只是極少數(shù)【作者誠懇警示：非專業(yè)人士切勿嘗試！在電磁互相作用面前，不具有任何充分有效的安全舉措的盲目地嘗試，都足以逼死人！】，但體驗(yàn)過被人使勁辱罵甚至推倒的人卻幾乎四處都有）。其實(shí)學(xué)過學(xué)校數(shù)學(xué)的人都會告訴你，雷電是電壓的一種方式，電壓是大量電荷的定向運(yùn)動，而磨擦起電是因?yàn)殡姾砂l(fā)生了轉(zhuǎn)移。于是，這個問題又轉(zhuǎn)化為另一個更深刻的問題：電荷究竟是哪些？
電磁學(xué)理論回答這個問題了么？可以說回答了，也可以說沒有回答。
雖然是在麥克斯韋的《電磁通論》中，也一直是通過磨擦以后的玻璃或則樹膠就能彼此形成吸引或推斥這樣的現(xiàn)象來引入“物體帶了‘電’，而且自然界有兩種‘電’”這一概念的（這樣的方法仍然被現(xiàn)在的學(xué)校甚至學(xué)院數(shù)學(xué)教材廣泛承襲）【參見：[英]麥克斯韋.電磁通論[M].戈革,譯.上海:上海學(xué)院出版社,2010:25.】。定性地認(rèn)識到存在著這樣的現(xiàn)象以后，怎么定量地描畫這個現(xiàn)象呢？其實(shí)須要利用一些已知的觀測手段，比如檢測兩個帶電物體之間存在的斥力的大小和方向（這正是庫侖等先輩們當(dāng)初做過的事情）進(jìn)而通過對斥力的描畫來間接地描畫這樣的現(xiàn)象（這樣的研究方式勸告著我們：不可能不依靠任何互相作用而孤立地去研究某種自然現(xiàn)象）。這樣的斥力其實(shí)必然跟這兩個帶電物體自身密切相關(guān)，并且有充分的證據(jù)證明它并不與這兩個帶電物體的質(zhì)量有哪些關(guān)聯(lián)。若果不然，不管從邏輯上還是從實(shí)驗(yàn)上，它一定可以而且早就以某種方式起碼部份地歸并到牛頓時代就已經(jīng)相當(dāng)確切地認(rèn)識到的萬有引力中去了。
最后這句話意味著，帶電物體間存在的這些斥力與它們之間同樣存在的、早已被認(rèn)識到的萬有引力，是兩種迥然不同的、各自獨(dú)立的互相作用，而導(dǎo)致這一區(qū)別的緣由，就是物體“帶電”了。接出來就須要通過某個概念來描述物體“帶了哪些樣的電？帶了多少電？”。與精典熱學(xué)使用引力質(zhì)量這一概念來描述物體間的萬有引力互相作用完全相像地，電磁學(xué)理論中使用了電荷這一概念來描述帶電物體間的這些因?yàn)椤皫щ姟倍鸬幕ハ嘧饔枚疫€定義了這一數(shù)學(xué)量的單位（歷史上這樣的單位有若干種不同的定義，旁邊會詳盡介紹），雖然起碼在操作層面解決了剛才提出的描述物體“帶了哪些樣的電？帶了多少電？”的問題。從這個意義上說，電磁學(xué)理論的確回答了“電荷究竟是哪些”的問題：“電荷”就是個拿來描述物體“帶了哪些樣的電？帶了多少電？”的特點(diǎn)的概念。
有了這樣的基礎(chǔ)，如今嘗試回答一下“什么是電”的問題。“電”這個概念的實(shí)質(zhì)是在描述“通過磨擦以后的玻璃或則樹膠才能彼此形成吸引或推斥這樣的現(xiàn)象，但是沒有被磨擦過的玻璃或則樹膠是不會有這樣的現(xiàn)象的，這就表明磨擦之后的玻璃或則樹膠一定具有了某種不一樣的特點(diǎn)”。這樣的特點(diǎn)，就是“電”，用更現(xiàn)代的語言來描述電子守恒定律的應(yīng)用，就是“摩擦以后的玻璃或則樹膠”帶了“電”，或則說具有了“電性”。
其實(shí)哲學(xué)家們都會企圖進(jìn)一步求索這種概念在哲學(xué)意義上的本質(zhì)，并且電荷的（哲學(xué)意義上的）本質(zhì)其實(shí)不是電磁理論，也不是數(shù)學(xué)學(xué)所關(guān)注的，正如精典熱學(xué)并不關(guān)注質(zhì)量的（哲學(xué)意義上的）本質(zhì)一樣。數(shù)學(xué)學(xué)關(guān)注的，是怎樣描述這樣的現(xiàn)象，以及為什么會形成這樣的現(xiàn)象（現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)一直在企圖從更基本的觀點(diǎn)出發(fā)來理解物體為何會有質(zhì)量、電荷等等這種特點(diǎn)）。在這個意義上，電磁理論并沒有回答為何一個物感受有“電性”的問題。
電荷是描述物體參與電磁互相作用能力的量度
現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)的主流觀點(diǎn)覺得，一切運(yùn)動和變化都是物質(zhì)之間各類互相作用的彰顯。物體與物體之間的引力互相作用彰顯出物體具有引力質(zhì)量，物體與電磁場的互相作用彰顯出物體具有電荷量，換言之電荷量是物體參與電磁互相作用的能力的量度。一個物體既才能參與引力互相作用，也才能參與電磁互相作用。對于這個物體來說，描述它參與引力互相作用的能力的數(shù)學(xué)量是引力質(zhì)量，描述它參與電磁互相作用的能力的數(shù)學(xué)量則是電荷量，一般也簡稱為電荷。既然電磁互相作用獨(dú)立于引力互相作用，物體的電荷量其實(shí)獨(dú)立于其引力質(zhì)量。
利用軟件工程學(xué)中主流的面向?qū)ο蠓绞秸摚梢园焉鲜霰硎龈膶憺椋喝魏挝矬w都是一個對象，引力互相作用表明了這個對象有一個內(nèi)在屬性稱作（引力）質(zhì)量，電磁互相作用同樣表明這個對象有另一個內(nèi)在屬性稱作電荷量。
眾所周知,電荷量的取值規(guī)定為：正電荷取正值，負(fù)電荷取負(fù)值。在國際單位制（SI制）中，電荷量的單位為庫[侖]，記為。
既然“電荷”這個概念僅僅是物體參與電磁互相作用能力的量度，它就不是某種可以脫離具體的物體而孤立存在的東西。一般我們說研究某電荷，實(shí)際上是在說研究某質(zhì)量為，具有電荷量的物體，只不過質(zhì)量（以及物體的顏色、形狀、電荷在物體上的具體分布等等你所能想到的全部其它特征）對于要研究的問題來說完全毋須要或則不值得考慮（其實(shí)這取決于所研究的問題的具體內(nèi)容和要求），因而才有了點(diǎn)電荷（當(dāng)須要明晰強(qiáng)調(diào)質(zhì)量時，亦稱為帶電質(zhì)點(diǎn)）這一理想模型。
本書的作者傾向于在描述物體具有的電性時，盡可能避開使用“攜帶”這類詞。由于這類詞大幾率地會讓初學(xué)者以為電荷是獨(dú)立于物體而存在的某種東西，因而錯誤地將物體“帶了電”理解為這個物體攜帶了這些叫電荷的東西，物體“不帶電”理解為這個物體不攜帶這些叫電荷的東西。
“電荷”是否真實(shí)存在？正如前面的討論，“電荷”僅僅是物體具有的眾多特點(diǎn)或?qū)傩灾唬皇俏矬w本身。只要電磁互相作用一直在自然界中存在，數(shù)學(xué)學(xué)就必然須要一個概念來描述物體參與電磁互相作用的能力。換言之，只要這個概念被拿來描述物體所具有的這一能力，不管概念本身用哪些樣的詞匯來標(biāo)記，它在數(shù)學(xué)上的意義就會與現(xiàn)有的“電荷”概念完全等效。
只有兩種電荷：正電荷和負(fù)電荷
自然界只存在兩種電荷。一般在數(shù)學(xué)學(xué)書籍中常常采用以下描述：“用絲綢磨擦過的玻璃棒所帶的電荷稱為正電荷，用毛皮磨擦過的橡膠棒所帶的電荷稱為負(fù)電荷”來引入兩種電荷的定義。這一方法似乎描述得很清晰但卻很不具有可操作性。
大量數(shù)學(xué)學(xué)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論都表明，任何物體在微觀層次上都是由大量的帶電粒子組成的電子守恒定律的應(yīng)用，宏觀上“帶正電”、“帶負(fù)電”還是“不帶電”通常取決于這個物體內(nèi)是帶正電的質(zhì)子多一些還是帶負(fù)電的電子多一些還是恰好一樣多。對于宏觀物體，絕大多數(shù)情況下根本不須要考慮電中性的中子（以及可能存在的其它這些壽命極短的粒子）的影響。這就把描述物體“帶了哪些樣的電？帶了多少電？”的問題轉(zhuǎn)化為數(shù)一數(shù)物體內(nèi)部的質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)的問題，理論上完全可以把某個物體的帶電情況用類似這樣的句子來描述：“物體A所帶的電子數(shù)比質(zhì)子數(shù)多1個”。這兒只須要關(guān)注數(shù)目的根本緣由是1個質(zhì)子所帶的正電荷量和1個電子所帶的負(fù)電荷量嚴(yán)格相等，這其實(shí)不是“巧合”而是有堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的，現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)也對此給出了更深刻的理論解釋。
至于質(zhì)子和電子誰帶正電、誰帶負(fù)電，純粹是一種沿襲至今的約定【最先提出這一約定的正是富蘭克林，只不過他的原始觀點(diǎn)是規(guī)定正電荷運(yùn)動方向?yàn)殡妷悍较颍@才導(dǎo)致了后來發(fā)覺的電子帶上了“負(fù)電”。】（完全可以規(guī)定質(zhì)子帶1個單位負(fù)電荷，電子帶1個單位正電荷，數(shù)學(xué)學(xué)理論中所有與正電和負(fù)電相關(guān)的地方相應(yīng)地進(jìn)行更改就可以了）。按現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論給出的解釋，絲綢磨擦過的玻璃棒會帶正電的緣由是磨擦過程導(dǎo)致了玻璃棒內(nèi)的一部份電子轉(zhuǎn)移到了絲綢上，造成玻璃棒所含質(zhì)子數(shù)小于電子數(shù)，從而宏觀上帶了正電。毛皮磨擦過的橡膠棒帶負(fù)電的誘因也是完全類似的。
另一個很有意思的問題：描述引力互相作用的質(zhì)量是一個非負(fù)實(shí)數(shù)，意味著“質(zhì)量荷”只有一種。描述電磁互相作用的電荷，卻有正電荷、負(fù)電荷兩種。現(xiàn)代原子核化學(xué)中描述強(qiáng)互相作用的色荷則有三種。這是為何呢？有沒有可能存在某種未知的互相作用，描述它的“荷”有四種？
電荷守恒定理與基本電荷
大量的實(shí)驗(yàn)都表明，在一般的互相作用過程中，參與互相作用的體系的總電荷量保持不變，這稱為電荷守恒定理。
按現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論，這一定理有一個最直接的解釋：只要互相作用中完全不存在質(zhì)子和電子等基本粒子的形成和消失【嚴(yán)格的術(shù)語應(yīng)該為“湮滅”，此處為簡單起見改用為容易被更多人理解的“消失”一詞】過程，無論互相作用本身是何種表現(xiàn)方式，參與互相作用的整個體系的各種粒子總量以及總電荷量必然是不變的。換句話說，假如互相作用過程中出現(xiàn)了質(zhì)子或電子（以及中子等其他粒子）的形成和消失過程，那就必然不再滿足這一守恒定理，同時也不再屬于電磁學(xué)理論能描述的范圍。
基于上一節(jié)的闡述可知，對物體帶電情況的描述，基本與數(shù)一數(shù)物體內(nèi)部的質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)孰多孰少是同一個問題。在電磁互相作用中，既然質(zhì)子和電子沒有發(fā)生形成和消失的過程（其實(shí)更沒有粒子內(nèi)部發(fā)生變化的過程），那就必然只是一定數(shù)目的質(zhì)子（簡略地，也可以說是原子核或原子實(shí)）與一定數(shù)目的電子在發(fā)生互相作用。因而，在定量地描述這一互相作用時，就可以很自然地以單個質(zhì)子或電子所具有的電荷量數(shù)值作為電荷量這一數(shù)學(xué)量的基本單位，稱為基本電荷或元電荷，記為。單個質(zhì)子所帶的電荷量規(guī)定為，單個電子所帶的電荷量規(guī)定為。
自2019年5月20日起開始實(shí)施的國際單位制【也稱SI制，詳見：第26屆國際計(jì)量會議（CGPM）決議。可在中國計(jì)量科學(xué)研究院官網(wǎng)（）免費(fèi)獲取該文件的英文版本。】規(guī)定，基本電荷（俗稱電子電荷量）是一個基本數(shù)學(xué)常量，其定義值為，這個數(shù)值是精確值（并按照它以及其它6個基本數(shù)學(xué)常數(shù)來進(jìn)一步導(dǎo)入一系列數(shù)學(xué)量的單位）。
因?yàn)榛倦姾蓛H僅是1個質(zhì)子或1個電子所具有的電荷量數(shù)值，而現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)已然強(qiáng)調(diào)夸克是組成質(zhì)子的更基本的粒子，因而夸克帶有分?jǐn)?shù)電荷量并不是一件無法理解的事情（雖然更難理解的問題是：為何夸克帶的分?jǐn)?shù)電荷其數(shù)值正好是基本電荷的1/3和2/3而不是別的哪些數(shù)？【這個問題早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了精典電磁理論所能解釋的范圍，對此感興趣的讀者可參閱粒子化學(xué)學(xué)有關(guān)教材或文獻(xiàn)，比如：[美]DavidJ..粒子化學(xué)概論：翻譯版：原書第2版[M].王青,譯.上海:機(jī)械工業(yè)出版社,2016.10.】。并且，因?yàn)閺?qiáng)互相作用固有的特點(diǎn)（即“夸克禁閉”或“色禁閉”），沒有辦法從質(zhì)子上將夸克單獨(dú)分離下來（至于把電子“打碎”，在沒有觀察到電子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)之前，是更不可能的），因而實(shí)際上任何帶電體具有的電荷量，都是基本電荷的整數(shù)倍。從這個意義上說，電荷這一物理量其實(shí)是量子化的。
