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对称场论(下)

 未来决定现在 2014-11-25
     不仅如此,由于统一场公式将负光压,也就是负的辐射能流与时空度规联系到一起,特别是由于电子的自旋可形成量子有挠时空,并可想见,这种量子有挠时空,由于具有自旋,就会形成一个定态的量子螺旋时空(不开放),即莫比尤斯(Moebius)时空环。此时,能量量子会沿着一个其固有的、处于基态的,因而是最小的角动量轨道运动,就会形成一种稳定的基本粒子。与此同时,这种量子螺旋时空,完全具备物质化基本粒子的两大特征:其一,具有一个稳定的空间点,其二,具有质量的特性。因为它是负电磁辐射光压与正电磁辐射光压相互作用的产物,从而具有相互作用的内能。而根据质能相当公式,这种内能正是质量的来源。因此说,万有引力的负光压性质,不但使我们建立了量子化的统一场(负光压万有引力常数有因子,电子自旋形成量子化有挠时空),而且更揭示出了质量、物质和基本粒子的来源与本性。这就更加重了这一理论的极为重要物理意义。

下面来具体推导构成基本粒子的“量子有挠螺旋时空”与其能量及电荷之间的相互关系,以证实“量子有挠螺旋时空”就是构成基本粒子的本质基础。

由于费米子会沿着基态的角动量轨道运动,这也正是基本粒子自旋的本质,因此可称它为“旋子”。而旋子的自旋能,以及它所包含的最小振动能量,正是构成一切基本粒子所具有的电荷的基础,而根据相对论的质能相当定律,它也是构成一切基本粒子的质量的基础。因为根据狄拉克(Dirac)的相对论量子波动方程可知:电子所带电荷的正负,是与电子所具有的能量的正负相关的,而承认能量具有正负性,也正是相对论波动方程的基础。推导过程如下:

假设旋子的自旋能为Es,自振能为Es,它所具有的总静止能量为E,总质量为M则:

E=Es+Es

由于根据力的对称法则,有正力就必有负力,因此,有正的自旋,设为S+,也就必然应有负的自旋,设为S。同样,旋子的固有自振能也分正负两种,可分别用+S和-S表示。如果每一种旋子都有一种激发态,可用一个“”来表示。这样,就可以得到8种旋子的能量状态,简称“八重态”:,以及。这也正是基本粒子的“八重态”的基础。由于在族介子中的中微子,总是在放射性衰变中,作平行于它前进方向的“左旋”或“右旋”的螺旋线运动,因此,虽然这些介子的内禀角动量为零,但它们却具有“轨道角动量”,分别为(左旋的正能量的轨道角动量)(左旋的负能量轨道角动量),(右旋)。这正是中微子在放射性衰变中所带走的轨道角动量,但根据角动量守衡原理,必然会使剩余的介子具有内禀自旋角动量。由于基本粒子的自旋与轨道角动量不可区分,因此,可以认为:基本粒子的自旋是处于基态的轨道角动量,而介子的轨道角动量则是处于激发态的自旋。由于介子具有“轨道角动量”,这样,再结合这些介子所固有的自振能,就又可以得到第二组“八重态”介子族,它们所携带的能态与第一组基本粒子组相同,相应的电荷也就相同了。

与此同时,无论是旋子的自旋,或是它的轨道角动量,都有“上旋”或“下旋”之分,或是“左旋”与“右旋”之分。它们分别用S↑与S↓或是S↑与SJ↓表示。

首先,推导旋子固有的最低自旋自振能+Es的大小。此时,设旋子的固有最低自振能所等效的质量为ms,最低振动频率为

由动量与能量的关系,可得:

式中,S为自旋角动量的数值,它等于

因为旋子的最小自振能为一个量子的单位能量于是得到:

也就是:   于是得到:

                                                       (10)

为了得到旋子的最小固有自振能量,可将旋子的最小自振位移,也就是它的最小自振的振幅,代入到量子力学的“测不准公式”中。设:旋子的最小振幅。这也是旋子的真空涨落的最小振幅[注4]。代入可得:

式中,,即旋子的角动量数值。由于基本粒子的能量与动量的关系又为E=PC,C为光速。因此,方程两边同时乘以C,即可得到旋子的最小固有自振能量:

,于是可得:

                                                 (11)

将(10)代入(11),得到:

这就是旋子的最小固有自振能,它具有正、负两种能量。另一方面,由公式E=PC,也可得到旋子的最小自旋能:

这样,就得到旋子所固有的总静止能量(不算旋子的自旋方向):

由上述公式可知,旋子的固有的静止能量单位为,以“Bt”为代表:,于是可得旋子的8种能态:2个+1Bt,2个和4个零Bt,例如

 

式中是以基本粒子自旋S或轨道角动量为自变量的能量函数。

以上这四个能量函数,是基本粒子的基态能量函数。它与它们的能量激发态所形成的新的基本粒子,共同构成了基本粒子的“八重态”。介子族的“八重态”也是如此。

以上是关于自旋值为的旋子的自振能的计算。如果旋子的自旋值为,那么,它的自振能公式就应为:

S2/2ms=w0  也就是2/2ms=w0           (12)

这里,ms为自旋值的粒子的质量。再将(12)式代入(11)式中,可得:

(Es2 =2c2

Es=c

因此,自旋值为的粒子的自振能为c。由此可见,旋子的自振能与它的自旋值的大小成正比。这样自旋值为的旋子的总能量(自旋能与自振能之和)就为与0,它们分别对应+2、-2、0电荷。因为自旋为1的基本粒子为波色子,没有电荷,因此它们的Bt值为纯能量值,而不是电荷值。由此可得:自旋为的基本粒子是费米子,具有电荷。它们的电荷值分别是自旋为与自旋为的基本粒子能量Bt值的组合:0,±1,±2,±3,0。它们分别是基本粒子质子或中子的激发态。

由上可知,所谓的“旋子”,其实就是正负电子,其中,负电子携带正能量,而正电子携带负能量。将电子称为“旋子”,是因为电子的本质就是一种具有自旋能与自振能的量子能量体,其中,波色子是由正负电子耦合而成,费米子则是由携带一种能量(正能或负能)的能量子构成。电子由于携带正能量,具有发散的马鞍型的时空曲率,与中性能量子或波色子的联系力相比较弱(可见后面说明),而正电子携带负能量,它所具有的负时空曲率又是负的,内敛型的、螺旋型时空曲率,相对来说,与波色子的相互作用力较强,因此,自旋为1的波色子被激发后,,就会失去电子,而成为携带正电子的稳定的质子,以后会激发为各种激发态基本粒子。这也正是为什么宇宙是由正物质构成的根本原因。

由公式可见,电磁力与核力从本质上来说,都属同一种力:它们都是由基本粒子所固有的正负自振能与自旋能之和所构成,只不过不属于同一个数量级而已,两者相差一百倍。这就将电磁力与核力统一起来了。它们也正是不涉及时空度规变化的、最简化的电磁力、万有引力与核力的统一场公式。由此可知,只有了解了物质构成的本质,是由正负能量量子所构成的“量子有挠螺旋时空”之后,才能建立一个真正的统一场理论。

这些基本粒子可以相互组合、转化。只不过必须遵循超荷数守恒定律。这一定律的实质,就是基本粒子以它的基本的固有自能为单位:固有自振能与自旋能之和来进行转化的量子化规则,即它们只能为整数和0,并且在核反应后(强相互作用),保持守恒。

不仅如此,由于基本粒子的“量子自旋轨道角动量”的静止能量,是由旋子的正负自旋能及其所固有的正负自振能所共同构成的,而根据质能相关公式,它们又分别对应着基本粒子的正负静止质量,因此,在基本粒子中,正反物质是统一在一起的。这就是人们之所以找不到单独存在反物质的根本原因。

由以上论述,可以得到一个最根本的、有关物质本质的结论来。这就是,所谓的基本粒子,其中包括重子和介子,都有是旋子在不同能态下,发生真空对称极化状态时,所产生的某些方向确定的包括各种激发态的角分布量子态的产物。它们反映了角分布量子态的某种特殊的对称性,区别在于,只不过重子的基态的稳定了,而介子基态是不稳定的。

以上就是基本粒子的自能、电荷、核荷与“量子自旋角动量”的基本关系。它表明构成其本粒子的最小单位不是所谓的“夸克”,也不是某种亚粒子,而是“量子自旋轨道”的固有自振能和自旋能,以及“中性真空能实粒子”和“中性真空能虚粒子”(后面将说明),所共有的6种能态,与6种所谓的“夸克”相对应。这也就是人们为什么找不到“自由夸克”以及发生“夸克禁闭”的根本原因。因此,也就无须假设“夸克”的存在了。

需要说明的是,“真空极化力”与力的“对偶”作用的概念是完全不同的。“真空极化”是真空发生分裂,从而得以产生两个能量或力的性质相反的基本粒子的现象,而力的“对偶”作用却是由同一种类的“场量子”:光子、介子、引力子、中间粒子,等等,因力的“作用力与反作用力相等的原理”,而产生的它们的“影子”场量子。电力的“影子力”——磁力。由此可见,用“弦论”来讨论基本粒子的性质是片面的。因为它没能提出因“真空极化”作用而产生出正负能量相反的基本粒子的原理。当然旋子也有对偶力(磁矩)。

但是,由于正能量旋子,例如,负电子,联系着正曲率的马鞍型时空曲面,而负能量的旋子,例如,正电子,联系着负曲率的螺旋型时空,以及正负旋子的自旋具有左右之分,因此,根据“时空对称原理”,左旋与右旋的正空间曲率旋子——质子,就必然会根据“泡里不相容原理”,构成一个封闭的负曲率的“层壳”空间结构,即原子核。它说明在真空中,空间曲率的自发的联接力量远远大于旋子的正能量的相互排斥的力量。这也正是“核力”的来源。这是因为,真空的平直空间曲率,会对有挠弯曲的空间曲率形成某种压力。与此同时,也正是这种真空平直曲率及核子外围电子的正空间曲率,会继续对原子核的层壳结构的负曲率空间形成新的压力。因为,当原子核形成负曲率空间的封闭结构以后,其中心就会出现一个无任何空间曲率的“真空空心结构”,即绝对的“真空”,就好像沉在海底中的空心铁球一样,会受到海水四面八方的压力。而根据“时空对称原理”,在真空平直空间曲率的压力下,这个“真空空心结构”就必然会产生一个“空间负压中心”。为了消除这个“真空空间负压中心”就必须由具有平直空间曲率的“中子”来进行填补,以达到真空空间曲率的对称平衡。这就是原子核内为什么会有“中子”的原因。这也就是中子和质子的“同位旋”的来源。所谓“同位旋”就是基本粒子的空间量子化曲率的“旋度”的代称。它表示的是空间量子化曲率的张力的量的大小。

上面是对于万有引力及基本粒子的本质的性质所作的说明。人们可能看到,这其中还隐含着一个重大的问题,有待做出应有的解释。这就是,在发生真空极化时,在能量的不同形态与不同的时空形式之间,存在着怎样的对应关系?

一般说来,所有的真空极化现象的发生,都与物体的动能运动有关。例如,由正光压的直线运动而引发的真空极化所产生的负光压,即万有引力现象,或者是由光子运动所引发的真空极化,而发生的光子转化为两个正负电子的现象,等等。问题是,就目前所知,不同的物体动能的运动形态与时空形式之间,存在有三种对应关系。第一,由直线运动所引发的真空极化,与时空曲率的弯曲及时空的迟缓与膨胀效应之间,存在着对应关系,例如,正负光压的直线运动,对应时空的正负弯曲,以及一般物体作直线匀速运动所引发的时空迟缓及收缩效应。更确切地说,正光压运动对应着正曲率的时空弯曲,它呈开放的马鞍型,而负光压所对应的是负曲率的时空弯曲,它呈封闭的弓形。

第二,物体的自旋型或螺旋型的曲线运动,对应的是有挠曲率的时空弯曲形式,一般是定态的螺旋型。确切地说,量子化的基本粒子的正自旋运动,对应的是螺旋型曲率时空,而负自旋运动则对应的是开放的的马鞍型曲率时空。第三,就是物体的自振或谐振式的动能运动。它对应的是“多普勒型”时空时态效应的变化。

讨论动能运动形态与时空形式的对应关系的根本目地,就在于说明时空形式与现存四种力之间的对应关系。总的说来,凡是正能或阳性能的动能的运动所对应的时空形式,都是发散型的正曲率时空,因而具外向的排斥力;而凡是负能或阴性能的运动所对应的时空形式,都是内缩型或是收敛型的负曲率时空,因而具有内向的收缩力。前者如正光压或真空涨落场或负电子自旋所具有的宇宙常数型的排斥力或真空膨胀力,后者如万有引力或正电子自旋所具有的收缩力等等。需要指出,这种发散型的外向力与内敛型的内向力,及其动能运动类型的差别是绝对的,而不是相对的。这就是为什么内向的内敛型运动及所对应的内敛型时空曲率会形成宇宙黑洞或奇点,而外向的发散型运动所对应的时空曲率会引发真空膨胀效应的根本原因。与此同时,具有自旋型或螺旋曲线型的物体运动,由于具有左右不同的手性方向特征,因而还具有所谓的极化力。这就是正负电子之所以会分别产生了不同的电磁力的根本原因所在。

因此,可以说,凡是波色子都进行直线型运动,不分手性,而凡是费米子都具有螺旋线式的运动,而具有手性特征。这是由于,在光子发生真空极化,产生正负电子之后,由于正电子的手性是向左的,同时它所对应的负时空曲率又是负的内敛型的、螺旋型时空曲率,因而会产生一种内缩力,而负电子的手性是向右的,同时它所对应的正时空曲率又是正的开放型的、马鞍型的时空曲率,因而会产生了一种排斥力。这两种力所对应的能量及时空曲率和手性质完全相反,因此,就产生了两种不同的电磁力。与此相应,正是由于正电子对应的是内敛的负能的环形曲率时空,它具有向内的压缩力。这就必然会压迫其所包含的真空光量子的“测不准”的涨落运动,从而压缩这一涨落运动的空间半径。因此,要形成携带有正电子的质子,就必须消耗额外的“结合能”,就象小原子聚合成大原子而需要额外的“结合能”一样。这就是质子的质量远远超过电子的质量的根本原因。这一“结合能”可计算如下[注5]。在线度为a的体积V(V=a3)内,真空的场涨落强度为ε,频率为v的谐振子,对应能量为v/2的振动,对在体积α3内场涨落的主要贡献来自波长λ=的波,振幅相当于半个光量子能量v/2。现在α3体积内包含的场能量(结合能)是(<>表示平均=,它应和相等,因而得到,因此,但a应是量子空间的长度,它是一个波动量子空间,它的上限是中子的康普顿波长,为2×10-16m属于实量子空间,它的下限是中间波色子的康普顿波长,属于虚量子空间,它的数量级为10-18m,量子波动空间就是由实量子空间和虚量子空间复合而成的[注3],代入:

但是mc2=v,于是得到E=v/2,这就是基本粒子的“零点能”。这也正是中子内所含有的结合能的数值。

由实验可知,质子除了会有自身所固有的自旋、自振、同位旋等能量外,还含有大约相等数量的“中性能”,这就是形成质子所必须的“结合能”。这种能量“中性能”对应着平直时空曲率。不仅如此正是由于质子对应的是负能态的,内敛散的、螺旋型时空曲率,因此它必然会与位于原子的中央的核子的位置上。与此相反,负电子由于与正能的,具有发散的、马鞍型的时空曲率相关联,因此它必然会位于原子核的外围,而围绕核子旋转。这就是原子核为什么形成太阳系型态的根本原因。特别应在此指明的是,所有有关中性能,正能与负能的标准是什么?这也是有关它们的概念的定义。所谓中性能,就是真空的零点能,它等于v/2,属于量子基态能。它对应着平直时空曲率。当发生真空极化时,如果产生了高于零点能的激发能,那就是正能,如光能,γ射线能,与此同时,还必然会同时产生了低于零点能的激发能,那就是负能,例如万有引力势能与真空超引力势能,以上两种正能与负能分别对应着发散型的、开放的、时空弯曲时空曲率,以及内敛型的开放的弯曲的时空曲率,它们都属直线型运动。而正能或负能的自旋,则分别对应着开放的、马鞍型、时空曲率和封闭的、螺旋型时空曲率。由此可知,无论是正能或负能,都可划分为“纯正能”与“正性极能”,或是“纯负能”与“负极性能”两大类能量,而负极性能则属于“复合能”。所谓的“纯正能”或是“纯负能”,它们都与真线运动相对应,而极性能都与螺旋式运动相对应。不仅如此,“纯正能”或“纯负能”也称为“纯运动能”。它与极性能的区别在于,后者比前者多了一个自旋能量,这也就解释了为什么电子在吸收光子后而并不会处于激发态的根本原因。这是因为光子只赋予了电子“纯运动能”,而并没额外赋予它“极化能”的缘故。由于光子对应发散型正曲率时空,并且可以视为正负电子的耦合体,因此,它可以当作“中性能”与正能结合体。特别是质子内所包含的真空振荡能应称为“中性真空能实粒子”,它对应的是“中性真空能虚粒子”。它们共同构成了前述6种夸克种类之一。

这样,我们就得到了有关中性能,正能、负能及其所对应的时空曲率的关系的相关理论,而这正是有关万有引力、基本粒子与统一场的问题根本基础。这一基础原理就是自然力与运动形态的“超广义的场等效原理”。这一原理是说,自然界存在的四种基本运动形态:绝对静止、直线及一般的曲线运动(低曲率曲线运动)、自旋式的螺旋运动和简谐振动的惯性与非惯性运动场,由于分别具有四种能量:正能、负能、中性能和极性能,并会因此产生四种基本的空间曲率变化:两种开放型的正空间曲率(马鞍型与弯曲型),半封闭型负空间曲率(螺旋型与负曲率型),又由于时空具有量子化的属性,就使得这几种量子化的惯性与非惯性的运动场所形成的各种惯性与非惯性力的力场,就具有了等效于四种基本粒子:正负电子和质子,中子及其所属的量子场和场压力所产生的四种自然力:电磁力、万有引力、弱力和核力的性质。这一基础原理从本质上说明了力与时空及运动的本质关系:即不同的自然力与具有不同的几何拓朴形态路径的运动场的力场相对应(通过不同的时空几何拓朴结构为中介)。这就是“超对称场统一理论” 这就也正是本文称为《对称场论》的根本原因。

显然,广义相对论的“广义协变原理”,不具备这一特征,因为它甚至不能处理基本粒子的自旋运动!

总而言之,以上结果也表明了,无需再引入什么第n维时空,而只需应用“力的对称性法则”,就可以解决有关引力本质和基本粒子的构成的问题了.这就是东方版的“弦论”——“旋子的弦论”。旋子的“弦”是由于正负能量子所造成的时空有挠卷曲而形成的。它不同于西方版的,由毫无物理内容的、抽象时空的“弦”所构成的“弦论”。这是因为,由哥德尔的数学不完备原理可知,那种由纯粹的拓朴数学推导出来的数学集合理论:“弦论”,是不可能完备的。因此,由此而得出的物理公式也必然是不可能达到逻辑自洽的。由此可知,“弦论”肯定是一个荒谬的物理理论。而只有本文的“完整等效原理”和“超广义的场等效原理”,才是彻底解决了所有自然力的统一的统一场理论。这就是“超对称场统一理论”。

事实上,根据最新的天文学资料发现已证实,对所有类星射电源的闪光与金属原子云的电子对光的吸收观察表明,所谓的精细结构常数或耦合常数α=2πe2/是不守恒的,而是变化的[注4]。这就使至今为止所有的物理学理论都必须重新改写。

这样,我们就将电磁场、引力场与时空度规联系在一起,从而建立了一个量子时空与引力、电子和弱力及强力的统一场,(现已证实弱力与电磁力是统一的,强力是超引力)。

根据上述 “超对称场统一理论”可建立一个有关基本粒子与时空度规关系的超对称场统一方程。由本文作者撰写的《时空整合论》已经证实,时空具有量子性和虚实二相性,其中,量子时间为电子康普顿波长与光速之比,而量子空间则为电子康普顿波长[注6]。由 “整合论”可知,对立的二元,经由某种结构的整合,可重新获得一个更高的新质或存在,是不同于二元之中任一元的、更为高级的第三者。那么,由实时空与虚时空的振荡转换形成的 “复合时空”,会生成什么样的新时空呢?这就是“量子随机时空”,或是“量子几率时空”。这是一种"实时空".这就意味着,时空不再有稳恒性和持续性,而是呈现为随机性或几率性,因此可简称为“几率时空”。这就是第三元的新时空。时空不再是一个确定的物理量了。这就是“时空整合论”的新的时空观。正是由于新时空具有随机性或几率性的不确定性,因此,才会有相对论的“同时性”的相对性。这就是相对论的“同时性”的相对性原理产生的基础。同时,它也是量子力学的“测不准”原理的基础。这就充分证实了,宇宙存在或是“物理实在”的本质是符合“测不准原理”的。它同时也说明了广义相对论的时空观是不正确的。因为量子力学与广义相对论的本质区别,就在于量子力学的“物理实在”具有“不确定性”,而广义相对论的“物理实在”却是一个“确定性”的存在。爱因斯坦所说的“上帝不喜欢投骰子”这句话,就很形象地证明了这一点。但是,既然现已证实测不准原理正是宇宙存在或物理实在的基础,那么,为了将量子力学与广义相对论统一在一起,就必须使广义相对论重力场的时空度规,必须符合测不准原理。为此,可将广义相对论的时空度规,带入到量子力学的薛定锷方程里去,从而得到一个新的量子度规方程或是量子重力场方程。推导过程如下:

下面,引入《时空整合论》所建立的量子时空度规方程,即超对称场统一方程:

已知,一个孤立质点或是星球的爱因斯坦弱引力方程为统一方程:

g00=1-(2/c2)φ ,其中,φ为引力势                    (13)

由(13)可得:

φ=c2(g00-1)/2                                            (14)

又已知(含时间的)薛定锷方程为:

                         (15)

现设(15)式势能为(13)式的引力能V(r)为(12)式中的引力势,将(12)式代入(13)式中可得:

2                    (16)

将(14)式两边同时乘以1/c2,并对(14)式等式右边第1项应用质能转换公式E=mc2即得:

                           (17)

(17)式就是新的量子度规方程或量子重力场方程。它实现了量子力学与广义相对论的统一。特别需要指出的是,量子度规方程是一个新的表示基本粒子与时空关系的量子力学方程。由此方程可以得到与零点能相对应的零点时空曲率,因此,就不可能出现时空曲率为“奇点”的情况。这就避免了广义相对论的“奇点”困难。同时,与“零点时空曲率”对应的 “零点时空曲率”时空波,正是加速宇宙膨胀的作用力。它就是宇宙的暗能量。

由综上所述,可知,引力的本质是负光压,并由此得到了万有引力的量子化常数公式,又得到了电磁力与引力的时空度规大统一公式,以及广义能量守恒定律和热力学第Ⅳ定律,还得了新的“完整的等效原理”及其对应的宇宙场方程和“超广义的场等效原理”。更重要的是得到了基本粒子与介子族的夸克的本质以及电磁力与核力的实质,就是量子有挠时空环所固有的静止的自能值,这一有关宇宙原始本体的本质的结论。而所有这一切都来源于对称场的作用,并且最后都可归结于力的对称性原理。这正是宇宙的绝对的力学法则。

注释:
  [注1] 《电动力学》  郭硕鸿  著   人民教育出版社  1979年  P202、
  [注2] 《万有引力和引力场》 祝 瑞琪、马见慈 编  高等教育出版社  1985年P26
  [注3]“来自宇宙边缘的闪光”    刘增义  《飞碟探索》2003年第3期P43
  [注4]《二十世纪物理学》[美]V·F·Weisskopf  科学出版社  1979年  P79  
  [注5]《二十世纪物理学》[美]V·F·韦斯科夫,科学出版社1979.9.17
  [注6]《时空整合论》,本文作者著,2004年1月版。

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