黄国有__空间和粒子动力学基本原理

空间和粒子动力学基本原理 黄国有 广西北海剑桥研究中心 电子邮件：[e-mail] 摘要 本文通过总结现在流行的空间和粒子的流行模型的优缺点，介绍宇观系统论中的空间和粒子的质磁模 型，主张自旋是粒子和相互作用形成的关键。同时对历史上出现过的主要宇宙模型进行评述。 关键词：空间，粒子，波动， 关键词：空间，粒子，波动，宇宙模型 1 宇宙空间组成的流行模型 空间的本质历来是哲学和科学中争论的重要问题。古希腊德谟克利特的原子论认为，所有的物质都是 由原子组成的，原子之外则是虚空，这是牛顿绝对空间概念的始祖。中国古代王夫之的元气学说则认为世 上万物都是由阴阳两种元气形成的， 宇宙空间充满着这种元气， 除了这种元气之外宇宙再也没有其它成分。 这种朴素的宇宙一元论思想可认为是以太模型的始祖。现在流行于物理学中的空间模型主要是牛顿的绝对 空间（虚空）模型和以太模型。牛顿认为空间是独立于物质而存在的客观实体，这种绝对空间模型直到现 在也还没有足够的理由加以彻底否定。以太模型则是法国数学家和哲学家雷内-笛卡尔（Rene Descartes） 首先提出来的，他认为空间充满了一种叫做“以太”的特殊物质，普通的物质就是在这种特殊的以太中存 在和运动的。另一种流派是把空间与物质联系起来，认为没有物质存在的虚空是不存在的。首先提出这一 观念的是爱因斯坦，他设想空间是引力场的一种特殊状态。现代物理学则趋于认为空间是量子场的基态， 即能量最低的状态，量子场的激发态形成各种物质粒子和物体，量子场的退激导致物质的消失。 绝对空间模型认为物质独立于空间而存在和运动。以太模型的观点比较多，最早的模型认为宇宙中充 满巨大的以太旋涡， 是这种旋涡携带行星绕太阳运动， 无数旋涡聚合成各种大小的物质充满整个宇宙空间。 引力一般被认为是以太对物体的压力和作用。当时已知的磁力以及地球与物体之间的引力以实物则用物质 与以太的直接接触作用来解释。现在以太说仍然是宇宙空间和基本粒子学说的一个重要的流派。法拉第引 入电场和磁场的概念后，人们开始认为空间应该是由连续的场组成的。基于法拉第场的概念，麦克斯韦假 设以太是一种不可压缩流体，他用流体动力学模型写了一个方程组。汤姆森和其它一些人设想原子结构是 一种涡旋运动， 电子发现后， 拉莫尔也认为电子是一种以太结构。 以太流体中的原子或电子涡旋观念在 1905 年遇到了一些严峻的问题，其中之一是涡旋运动的消散问题，另一个困难是电磁场以极大的速度（光速） 在这种流体中传播，如果以太流体的属性与物质类似的话，以太对电磁波的弹力接近钢的弹力，所以这样 高的速度是不可能的。 在以太说的这些问题还没有克服的时候， 爱因斯坦在相对论中用速度矢量描述空间， 这样，作为空虚概念的空间在相对论中没有了地位，相对论的建立和流行使以太说逐渐沉寂。 纵观当今物理学流行的空间模型，我认为牛顿的绝对空间的地位并没有受到彻底的动摇，因为空间广 延性几乎是一种共识， “物质之外是什么”这一问题我们显然无法简单地回答说“什么也没有” ，如果这样 的话等于我们承认了虚空，也即是承认了牛顿的绝对空间的存在。量子理论认为空间是量子场的基态的观 点更不明确。首先，量子场本质是什么？真空激发产生粒子，粒子的质量从哪里来？要么质量守恒定律失 效了，要么它再假设一种具有负质量的虚粒子，使质量守恒定律在数学形式上成立。这样，空间本质的问 题不但没有解决，反而增加了许多主观臆想的如虚物质一样的新概念，使空间的本质问题的解决更加遥远 1 了，所以，我对量子场论对空间本质的解释感到不满意。相反，基于中国古代朴素元气理论的以太说却有 一定的合理性。这种学说自然承认空间是一种独立的客观实在体，有一种基本的元气充满整个空间，元气 的凝聚形成粒子，组成粒子的元气消散于宇宙空间时导致粒子的消失。尽管这是一种没有获得实质性发展 的朴素的思想，但它包含的物理意义是深刻的，譬如说，如果元气是有一种具有一定质量的物质形态，这 物质产生消失的解释不会违反质量守恒定律。可见，元气说绝不会是象有些人认为的那样只是古人的简单 猜想而已。元气说或者以太说也没有否定牛顿的绝对空间的存在，相反，元气或以太等是以绝对空间为载 体的。 我主张牛顿空间加元气或以太的基本模型。但空间中的元气或以太到底是什么？它们如何能够构成物 质？这就是需要我们解决的问题。在我的宇观系统论体系中，这种充满宇宙空间的元气或以太就是物质最 基本的衰变过程所辐射和吸收的组成物质的最基本的元素，我把这种物质的最基本的元素称为质磁波子。 宇宙空间的质磁波子的涡旋运动形成基本粒子，基本粒子通过自身的衰变和逆衰变反应产生各种相互作 用。 2 基本粒子的标准模型 在标准模型建立以前，人们认为基本粒子是一种质点状的实物结构，并且认为粒子所带的电荷和表现 的磁距都是一个整数 1，中子曾经被认为没有磁性的，但实验测得的质子磁矩为 5.6 个单位核磁子，中子 磁矩为-3.82 个单位核磁子。近代实验探测表明，质子、中子内部存在点状结构部分，它们独立地拥有一 定的动量和角动量，所谓的基本粒子并不是人们相象的一样是质点状的不可再分的基本结构。 1964 年盖尔曼提出夸克模型，他认为基本粒子由夸克组成，如：一个质子由两个上夸克和一个下夸克 组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成（图 2.1） 。 质子 中子 图 2.1 质子和中子的夸克模型 近代高能实验证实夸克共有 6 味，分别称为上、下、底、顶、奇、粲夸克。每味夸克有三种颜色（这 里的“味道”和“颜色”都是夸克表现出的两种属性的通俗命名，就象电性称为电荷一样） 种夸克，6 。6 种轻子（电子、μ子、τ子及其相应的中微子）和 4 种规范粒子（光子、中间玻色子和胶子）一起组成物 质世界（图 2.2） 。光子是电磁场的量子，胶子是色场的量子。胶子和光子都是质量为 0、自旋为 1 的粒子， 它们被称为规范粒子。轻子属于费米子，遵循费米统计规律和泡尔不相容原理，即不可能有 2 个电子处于 同一量子状态下。光子、胶子、Z 子和 W 子是内禀自旋为 1 波色子，它们遵循波色-爱因斯坦统计规律，即 在低能态或基态下大量粒子可以处于同一量子态。 2 图 2.2 构成宇宙物质大厦的砖石 在标准模型中，两个电子(同种电荷)通过碰撞(散射)和交换光子产生斥力作用。正负电子对(异种电 荷)则可以通过碰撞和堙灭形成一个 Z 粒子(所以表现为库仑引力)，然后衰变为一对正反夸克对。即电磁 力通过交换光子产生，弱力通过交换 W 子和 Z 子产生，强力通过交换胶子产生。电磁相互作用对每个人来 说都已经非常熟悉,因为它们与可见光和电波有关，电磁学是电子产业和通讯产业的支柱物理学理论。电 子和轻子都可以通过电磁力发生作用。强力在原子核内部把电磁排斥的质子和中子聚合在一起。只有夸克 通过强力发生作用。弱力被认为是与核放射有关的相互作用，它表现出一些其它三种力所没有的特殊的对 称性。与电磁力和强力明显不同的是，一种粒子和它的反粒子的弱力规律是不同的(电荷共轭 C 不守恒)， 一个散射过程和它的空间影像的弱力规律是不同的(宇称 P 不守恒)，一个散射过程和它的时间反演的弱力 规律也是不同的(时间反演 T 不守恒) 。所有的夸克和轻子也可以通过弱力产生作用。 标准模型与其说是一种理论体系不如说是一种高能实验数据的总结，能元素周期表体现原子的组成和 结构一样，标准模型体现的是基本粒子的组成和结构。把光子，胶子 Z 子和 W 子认为是力的携带者并没有 充足的理由，所以，实际上并没有解释各种力产生的原因，也没有解释基本粒子产生的原因，它只是对已 知粒子进行了归纳和分类成基本粒子的“周期表” 。所以，标准模型还不是统一场理论模型，真正的统一 场论理论应该自然而合理地解释自然界所有的力和基本粒子的特征，而不应该只是用现成的实验测定数 据。它必须能计算所有粒子的质量、轨道半径以及所有相互作用规律。 3 宇宙空间的质磁自旋模型 质磁自旋结构模型是宇宙空间和基本粒子的基本模型，这是一个统一所有物质规律的模型。在这一模 型中，宇宙空间充满着物质基本衰变反应辐射的质磁波子，质磁波子是宇宙中唯一的传递力的粒子，它不 受引力的作用，但它占据着宇宙的绝大部分的质量（90%以上） ，使宇宙成为一个高速流动性的非牛顿流体 系统。虽然质磁波子不受引力作用，但宇宙系统存在压强，所以它将受到宇宙系统压力的作用，宇宙系统 的压强等于系统边缘处的压强并处处相等。另外，因为磁力是由系统自旋运动产生的与自旋角动量和科里 奥利力有关的相互作用，作为组成物质的最基本元素的质磁波子虽然不受引力的作用但却受磁力的作用。 在宇宙系统压力场和系统自旋产生的磁场（磁旋等效原理）的共同作用下，质磁波子产生涡旋运动而形成 基本粒子。基本粒子之间通过质磁衰变可逆反应对质磁波子的辐射和吸收产生各种类型的相互作用，基中 的万有引力是基本粒子吸收质磁波子引起的动量变化而产生的切向加速度的反映，电磁力则是自旋粒子辐 射和吸收自旋的质磁波子引起的角动量变化而产生的径向加速度的反映。 这样，充满宇宙空间的质磁波子与实物粒子之间以及实物粒子之间建立了整体上的联系和统一。这种 联系和统一是通过粒子的最基本的衰变反应来实现的。宇宙系统的总质量是恒定的，前面的章节已经精确 53 地计算出为 1.6 × 10 kg 。质磁波子在受激发的情况下产生涡旋运动就形成了正反粒子，表现出正负电荷 属性。正反粒子相遇时涡旋运动消散导致粒子湮灭，涡旋中的能量密度在堙灭时向空间中的质磁波子气体 中的波动传播就是光波。可见，空间中的质磁波子在一定的条件下受激发产生涡旋运动形成粒子，粒子的 组成成分和质量都来源于空间中的质磁波子。粒子涡旋消散导致粒子堙灭时质量并不是消失了，而是变成 3 了空间中的质磁波子的质量。所以，量子理论系统中的虚物质是不存在的，它仅是漫长的物理学发展过程 中出现的虚构的数学论场模型中的又一个自圆其说的虚构而已。 宇宙空间中的质磁波子涡旋为什么能成为稳定的基本粒子？这一问题不难解决。首先，自旋粒子内部 的强大的万有磁力的作用使任何向外运动的成分发生偏转而始终保持自旋状态，所以，质磁涡旋在独立存 在时不会消散。其此，角动量守恒这一严格不变的规律使得质磁涡旋粒子具有一定的大小值、质量值和电 荷值，这是由质磁波子作为唯一的力传递粒子的特殊性确定的，因为质磁波子不受引力作用，磁力和系统 的压力都垂直于它的运动方向，这使得它的切向速度永远保持为光速值，也就是说，在质磁涡旋中各部分 的自旋线速度相等，都等于质磁波子的传播速度 C，受角动量守恒定律的严格支配，涡旋半径不能随意扩 大或缩小，它仅随系统光速速度 C 的变化而变化。 在结构上，基本粒子的结构和宇观星系的结构是相似的，区别仅在于维持这种结构的动力学来源上。 由于质磁波子在粒子旋涡外空间的无限渗透性，宇宙系统的压强产生的压力在宏观物质和宇观星系的层次 上都没有表现。在宇观星系中，是万有引力、万有库仑力和万有磁力与星系旋涡的离心力构成平衡的动力 学系统（具体内容参考第 12 章 星系动力学基本原理） 。在基本粒子的内部结构上，万有引力和库仑力都 没有表现，是自旋粒子系统内部的万有磁力与质磁旋涡的离心力构成平衡的动力学系统。在基本粒子以上 至宏观物体以下的微观范围内，特别是在原子系统中，是电磁力（库仑力和磁力）与原子旋涡系统构成平 衡的动力学系统。在宏观物体以上，包括卫星到恒星这一宏观尺度范围内，主要是由万有引力与天体运动 的离心力构成平衡的动力学系统。 从构成物质的最基本的元素到整个宇宙尺度上，物质遵循完全相同的动力学规律，但在每一个特定的 层次上，动力学的特征是不同的，根据这种动力学特征的不同，我们把物质世界分为微宇观、微观、宏观 和宇观四个物质层次，微宇观是基本粒子以内的物质层次，这所以称为“微宇观”是因为在这一最小的物 质层次上，万有引力和库仑力不起作用，它们的结构完全由整个宇宙系统最基本的状态决定，所以研究微 宇观的物质现象和规律时要结合宇宙的整个系统状态进行才有可能。微宇观的物质现象和规律是宇宙大统 一的所在，大统一理论要在这一层次上才能建立起来。微观则是电磁相互作用起主导作用的物质层次，宏 观是牛顿动力学规律完全适用的物质层次，宇观是牛顿引力理论不适用的物质层次。 4 粒子和光的质磁自旋模型 粒子是宇宙空间中的动力学稳定的质磁波子旋涡系统，维持这种系统的是万有磁力与旋涡运动的离心 力。宇宙空间大范围上的质磁涡旋运动形成星系，恒星和行星等各种层次上的天体。宇宙空间微小范围内 的质磁涡旋形成各种基本粒子。光是正反旋粒子系统的胁动传播。 两个自旋的正反粒子在远处表现出库仑力的作用，但当它们相遇组成一个共同体系统时，它们之间的 库仑力变成了同一方向的库仑力（它们相当于组成了一个库仑力飞行系统）在这一方向一至的库仑力作用 下，它们很快被加速到光速，变成了光子（如图 4.1 和 4.2 所示） 。光波产生的条件是存在一对自旋相反 的旋涡，如正反粒子对,它们之间的磁力保持系统的稳定性，它们之间的库仑力变成方向一致的推动力， 使粒子对组成的系统迅速加速至光速，形成光波。 图 4.1 独立存在的两个正反粒子 4 C 图 4.2 正反粒子对互感形成光的传播 运动的自旋粒子的轨迹是一种波动的轨迹，这样，粒子的波粒二象性得到了阐明。 光子实际上是一种以光速传播的粒子，它是由粒子内部的库仑力瞬间将它加速到光速运动而形成的。 由于旋场是电场， 与旋场垂直的感应环流是磁场， 但在光子的情形下， 相互垂直的电场和磁场并没有区别。 光波与声波显然是不相同的，光波是横波，声波则是纵波。但光波的传播规律与声音在空气中的波动传播 规律是相同的，唯一的区别在于，声波的振源所做的是机械运动，产生的是机械波，光波的振源是基本粒 子即涡旋， 产生的是能量动量的涡旋脉动传播。 由于光波自旋粒子运动特征， 它对洛仑兹变换是协变的 （下 一节讨论自旋与洛仑兹变换的关系） ，而一般认为声波完全没有这一特性。 德布罗意首先提出过物质波的概念，揭示物质的波粒二象性，但他的物质波是描述电子等粒子整体的 线性运动的，如核外电子的运动，或粒子群的运动的宏观效果，他的物质波是一种几率波。我这里提出的 粒子波的概念不同于德布罗意的物质波，粒子波是一种单个粒子运动时表现出的一种的波动结构，它是由 粒子的自旋运动产生的。 在粒子的自旋运动中，粒子的角动量满足玻尔的量子化关系式，即 mrV = V = rω h 2π (4.1) 其中粒子的自旋角速度为 （4.2） 粒子的自旋频率为 v= ω 2π （4.3） 由此我们得出下列粒子能量关系式 E = hv = mV 2 (4.4) (4.4)式显示了自旋粒子运动的波动特征，它与光波在本质上是一样的，不同的是，光子的自旋速度 和平动速度都是光速。但当正反粒子互感变成光子后，它的能量将变为 E = hv = mc 2 联合（4.1）和（4.4）式得粒子波的波长为 （4.5） λ= V = 2πr v (4.6) （4.6）式显示粒子波的波长恰好等于粒子自旋运动轨道的周长，表明粒子是一种非常稳定的自旋驻 波，不管粒子整体如何运动，自旋粒子波都能保持不消散。 5 我们在第 8 章已经讨论过，能量是相对的，在库仑力系统中能量并不守恒。在正反粒子自激加速变成 光子的过程中，磁场相当电动机，电场则相当于发电机，由磁场推进电场产生电能，电场产生的电能供给 磁场继续推动电场前进，形成波动传播的光波。所以，正反粒子互感形成了一对效率为 100%微观电动机发电机推进系统，它们不需要外力和外加能量就可以将自己加速到光速。静止的本来是相互吸引的正反粒 子在没有外力作用的情况下堙灭变成了光速运动的粒子，这一实验事实证明不用能量加速物体的方法在物 理上是成立的。 根据玻尔量子化规则，自旋粒子在加速过程中半径会逐渐变小，当它们变成光子时半径最小。电子最 小的半径是互感变成光子时的半径， 这时， 电子的平动速度和自旋速度都是 C。 粒子的最小半径可以从 （4.5） 或（4.6）式计算得到(量子数为 1)。 re = 对应的能量为 n? = 3.8 × 10 ?13 m mc (4.7) Ee = ω n 2? 2 1 c =? =h = hv 2 m r r 2π (4.8) 对应的频率为： v= me c 2 = 1.2 × 10 20 Hz h n? = 2.0 × 10 ?16 m mc (4.9) 用同样方法计算质子的最小半径为： rp = 对应的频率为 (4.10) v= mpc2 h = 2.2 × 10 23 Hz (4.11) 从本质上看，粒子是单个的质磁旋涡，光波是成对的正反旋质磁旋涡的协同传播。光和粒子是同一种 物质的两种不同的运动方式。 从库仑力基本公式看，粒子速度提高导致半径变小时，它所要求的外电场加速力就提高(这与齿轮减 小时要求外力加大道理一样)，粒子的速度越高越难以对它加速，这种规律被相对论认为是质量增大造成 的，但它反映的是量子化的力速关系。 5 质磁子的质量 我们把组成物质的最基本的粒子称为质磁子，它应该是量子规律允许的最小质量单元。下面通过量子 化条件计算出质磁子的质量。 玻尔量子化规律为 L = mvr = n h 2π (5.1) 宇宙系统的速度极限为光速 C，宇宙物质允许的最大半径是宇宙系统的半径 R，利用第二章的关系式， 宇宙最小物质基元的质量为 m= h h = = 1.32 × 10 ?69 kg 2πRC 4πZM 6 (5.2) (5.2)表明物质最小元素的质量与宇宙时间没有关系，也就是说它在宇宙的任何时期的值都是一样的， 相应地，宇宙系统最小元素的数量也是固定不变的，它体现了宇宙系统的质量守恒规律。宇宙最基本的粒 子的数量为 n= M = 1.36 × 10122 m 40 (5.3) 当前宇宙空间每立方米包含的质磁子的数量高达 10 个，这是形成各种粒子和光波的物质基础。 6 质磁波子向实物粒子的转变 传统的物理学理论认为，场和实物粒子是客观存在的两种不同的物质形态，在此我们要再一次强调的 是，作为物质意义的场是不存在的，场只是物质运动状态改变即加速度在空间上的反映。宇宙物质都是由 单一的质磁子组成的，自旋粒子与宇宙背景质磁子辐射场之间保持着一种动态的衰变平衡体系，在外界条 件发生改变的情况下，衰变动态平衡体系会产生相应的移动。衰变平衡移动的结果是使辐射场中的质磁波 子转变为自旋粒子中的质磁子，或实物粒子中的质磁子转变为辐射场中的质磁波子，这种转变只是质磁波 子存在形态的改变。辐射背景空间中的质磁子流体产生涡旋运动驻波时能形成新的粒子，这就是人们常说 的所谓“真空极化”现象。粒子涡旋驻波的消散则可以导致粒子的消失，结果是构成它的质磁波子融合到 空间背景辐射场的质磁波子流体中。但在这种转变过程中，质磁波子的总量不会改变，宇宙系统的总质量 始终保持恒定。 高能物理中某些特征反应可以帮助我们理解所谓的质能转变过程中物质存在状态的改变以及物质转 移的具体细节。典型的高能反应是 1955 年人工产生反质子的反应，这是典型的辐射场中的质磁波子向实 物粒子转变的例子： p+ p→ p+ p+ p+ p （6.1） 这一反应是用能量为 6.2Gev 的高能质子轰击氢靶中的质子而发生的。在这一反应中氢靶中的质子可 以近似地认为是静止的，它包含有一个静止质子的质量 m p = 0.938Gev 。在反应产物中共有三个质子和 一个反质子，并且，它们都是以一定的速度在运动着，每个质子和反质子都包含有比 m p 大的质量。根据 质量守恒定律，入射的高能质子至少包含有比三个静止质子的质量还要大得多的质量。 高能质子的质量从何而来呢？爱因斯坦相对论认为，高能质子仅仅是由于它的高速运动而表现出“质 量增大”的相对效应。在上述反应中，高能质子运动速度已经高达 0.986c 。根据相对论的这一观点，高 能质子的“静质量”仍然是 m p ，也就是说，在与高能质子相连结的参照系上进行测定，高能质子的质量 仍然是 m p ，在氢靶中的相对我们静止的质子反而变成了“高能质子” ，它的质量已经是 6.2Gev 。总之， 质量增大只有相对的意义，它们并不是真实存在的事实。当高能质子被碰撞停止后，质子的“动质量”消 失了，质子的静质量仍然是 mp ，这种动质量则变成了消失的能量。反应中生成的一对正反质子被认为是 由高能质子包含的“能量”转变而来的，这就是典型的“能量变成物质，物质变成能量”的观点。 我认为爱因斯坦相对论的这种观点是错误的。在上述反应中，不管从哪个参照系上没定，氢靶中的质 子的质量也是近似地等于 m p ，而“高能质子”的质量则是 6.2Gev 。高能质子的质量在接受加速器加速的 过程中实际上是真的增加了，电磁作用使质子的衰变-逆衰变动态平衡向逆衰变吸收方向移动，质子在加 速器的电磁场中吸收了辐射场中的质磁波子而导致高能质子的质量增加。实际上这种衰变动态平衡的移动 不仅导致了质子质量的增大，也延长了质子的寿命。质子的质量增大相当于质子内部“细胞”的生长分裂， 复制出正反粒子和正负电荷。与氢靶中的质子碰撞时，高能质子裂解成两个质子和一个反质子。其中一个 质子是原来的母体，一对正反质子是由这一母体分裂出来的一对孪生兄妹。如果我们能在与高能质子一起 运动的对于高能质子“静止”参照系上进行测定，我们将发现这一高能质子并不是质量 7 mp 为的质子，而 是质量为 6.2Gev 的不稳定的“原子” ，它由两个质子和一个反质子组成激发态的氚核，或者，反质子衰变 成中子和电子，组成氦原子核。高能质子的质量增加是一种由衰变-逆衰变平衡移动而引起的客观事实而 不是一种相对论效应。前面已经证实洛仑兹变换可以准确地描述高能粒子的质量增加等物理量过程。 在（6.1）式所示反应中，能量为 6.2Gev 的高能质子从加速器的电磁场中吸收了相当于 5.6 个静止质 子质量的质磁波子。质子吸收的质磁波子包含正反质磁波子的成分，它们按相互作用规则以正反旋的形式 存在于组成质子的最基本的衰变基元之中，这就相当于组成质子的“细胞”吸收了“养分” ，进行生长分 裂，形成了新的有机体。在高能质子与氢靶质子碰撞的过程中，这些正反质磁波子按一定的规则结合成一 个新的质子-反质子对，其余部分则按动量守恒的原则分配在生成的正反质子对和氢靶质子中，还有一部 分保留在原来的高能质子母体内部，它们还会在以后的一系列变化中继续移的变化。 （6.1）式所示的高能反应是场向实物粒子转变的典型反应,在这一反应中，最具有意义的物理事件是 电中性的质磁波子转变成了正反粒子和正负电荷。这一物理事件显示物质衰变辐射的质磁波子是具有一定 质量和能量的客观物质形态，电荷是质磁波子通过相互作用分化组合而形成的自旋粒子所表现出的一种相 互作用属性。概括起来（6.1）式表示了两个重要的物理过程：一是质磁波子向实物粒子转变的过程，一 是电荷形成的过程。 （6.1）式所示的质磁波子向实物粒子的转变过程具有普遍性,质磁波子向实物粒子转变的结果都是生 成正反粒子和正负电荷，即使是不带电的中子吸收的质磁波子也是转变成正反质子和正负电荷的。下列是 我们熟悉的一个高能粒子反应： n+n→n+n+ p+ p （6.2） 这是两个高能中子碰撞时发生的反应。在这一反应中，母体中子吸收的质磁波子也是分化组合成正反 粒子和正负电荷的。形成正反粒子和正负电荷是质磁波子分化组合的必然结果。在（6.1）式所示的反应 中，带电的质子能从加速器的电磁场中吸收质磁波子，在（6.2）式所示的反应中，不带电的中子则只能 从其它场吸收质磁波子，但反应的结果都是一样的，都生成了正反粒子和正负电荷，这暗示了各种场的统 一性和某种同源性，这正是系统论论将所有场相互作用统一于单一的质磁衰变反应框架的依据。 可以实现质磁波子向实物粒子转变的除了高能实粒子的碰撞之外，还有其它相互作用过程。譬如，高 能光子在与重原子核作用时也可以变成正负电子对： γ → e+ + e? 定的粒子驻波。 （6.3） 高能光子中的质磁波子通过电磁相互作用破坏了原来的波动结构组合成正反粒子和正负电荷这种稳 在甚早期宇宙超级相互作用的极端条件下，质磁波子向实物粒子的转变与实物粒子向质磁波子的转变 都可以很容易地进行，质磁波子与实物粒子之间可以自由地转化。显然，质磁波子向实物粒子的转变是通 过物质的衰变-逆衰变动态平衡及其相互作用来实现的，是物质在逆衰变过程中吸收的质磁波子分化组合 的结果。质磁波子向实物粒子的转变发生在组成粒子的最基本的衰变基元之上。这一过程有点象生物界的 DNA 基因复制过程，因而具有一定的“遗传”特征，体现出各种各样的对称性。令我们惊奇的是物质现象 的高度相似性和统一性。 质磁波子向普通实粒子转变的结果是使以光速自旋和运动的粒子变成低速运动的普通粒子，在这一过 程中，粒子系统的动能减少了，这种情况只有通过粒子系统内部的库仑力作用才能实现。 7 实物粒子向质磁波子的转变 正负电子的湮灭反应和电中性的 π 介子的衰变反应是典型的实物粒子向质磁波子转变的反应。 0 8 e+ + e? → γ + γ （7.1） (7.2) π 0 → γ +γ 在正负电子的湮灭反应中，实物粒子消失了，正负电荷彻底消失了，这表明电荷并不是一种独立的客 观实在体，而只是自旋粒子在相互作用中表现的一种属性。在正负电子的堙灭反应中，以光速自旋的正负 电子变成了以光速传播质磁波子，稳定的粒子驻波变成了向外消散的光波传播。这一过程类似于气体爆炸 产生的空气波动传播过程，气体爆炸后的气体扩散在周围空间，但波动传播到很远的地方。(7.2)式所示 的电中性的 π 介子衰变也变成了以光速传播的质磁波子波动(光子)。 0 实物粒子向质磁波子的转变也是通过粒子的衰变-逆衰变动态平衡移动来实现的，当实物粒子逆衰变 吸收过程受到限制时，粒子的衰变平衡便会被打破，衰变平衡向衰变辐射方向移动，粒子会很快衰变掉， 变成各种质磁波子辐射。当然，实物粒子发生湮灭或衰变时不一定变成光子，它们可能是直接扩散到宇宙 空间的质磁波子海洋中而没有形成波动传播。 实际上，任何高能反应都包含着实物粒子向质磁波子转变和质磁波子向实物粒子转变或转移这两种基 本过程。在高能反应中，部分粒子或粒子中的部分物质转变成质磁波子，它们或才扩散到宇宙空间中的质 磁波子气体中，或者以其它粒子的形式辐射出去，或者转移到别的粒子内部。它们或者转变成新的正反粒 子对，或者被其它粒子吸收存在于这些粒子内部成为粒子的一种组成部分。任何能量的转移归根到底都是 通过质磁波子的转移和变化这一具体的物质变化来实现的。 在（7.1）和（7.2）式所示的反应中，正负电子和介子都消失了,但是，宇宙物质的质量既没有增加， 也没有减少，只是物质的存在形态发生了改变，它们变成了同样具有一定质量和能量的以其它形式存在的 质磁波子。普通实粒子向质磁波子转变的结果是使低速运动的普通粒子变成以光速自旋和运动的粒子，在 这一过程中，粒子系统的动能增大了，这种情况也只有通过粒子系统内部的库仑力作用才能实现。 8 宇宙空间的质磁波动方程 宇观系统属于非牛顿流体力学系统，空气和水等流体属于牛顿流体，所以，我们依然可以用理想流体 介质波动方程来描述光的运动。理想流体的传播速度可以从一个静止参考系导出，连续介质的波动方程为 ? ? ( ρv ) + ( ρ ) = 0 ?x ?t 质在这一区域的积累率。 全动量方程为 （8.1） 方程左边表示物质流的变化，右边表示密度的变化。方程表示物质流进出某一微小区域的比率等于物 ?p ?v ? ? ?v = ?ρ? + v ? ?x ?x ? ? ?t V（x,t） ，速度总微分方程为 （8.2） 左边表示某一片段在某时刻的受力，右边表示单位质量ρ的加速度。其中速度 V 是时间和位置的函数 dv = ?v ?v dt + dx ?t ?x (8.3) 对 dt 微分（注意 dx/dt=v）发现总加速度正是动量方程括号中的项。 另外，压力 P 是密度的函数 p(ρ)，惯性力的项可写成： 9 ?p dp ?ρ ?ρ = = c2 ?x ?x dρ ?x 其中 c = dp / dρ 是波的传播速度。 2 (8.4) 这样，连续流体元方程和动量方程可以方便地表示为： ρ ?v ?ρ ?ρ +v + =0 ?x ?x ?t (8.5) c 2 ?ρ ?v ?v + +v =0 ?x ρ ?x ?t 动过程。所以，有 V 的项可以忽略。上述方程组取得简化形式： (8.6) 这是非线性方程，但介质相对参考系的静止的，即 V 接近于 0。它们只是轻微振动以便完成干扰的传 ?v 1 ?ρ + =0 ?x ρ ?t c2 1 ?ρ ?v + =0 ρ ?x ?t (8.7) (8.8) 我们可以定义凝聚 σ = ln( ρ ) ，进一步简化方程组为： ?v ?σ + =0 ?x ?t (8.9) c2 ?σ ?v + =0 ?x ?t (8.10) 求方程(8.9)求对 t 的偏导数和方程(8.10)对 x 的偏导数可得： ? 2 v ? 2σ + =0 ?t?x ?t 2 ? 2σ ? 2 v c + =0 ?x 2 ?x?t 2 (8.11) (8.12) 上面两个偏微分方程交换给出 ? 2σ 1 ? 2σ = ?x 2 c 2 ?t 2 这是理想气体中以速度 C 传播的一维波动方程。 2 (8.13) 如果由方程(8.9)对 x 求篇导数乘 c 而方程(8.10)对 t 求偏导数，交换后得： ? 2v 1 ? 2v = ?x 2 c 2 ?t 2 波动的传播速度为： (8.14) 10 c2 = dP dρ (8.15) 2 这样， 不管是凝聚σ （密度的自然对数 σ = ln( ρ ) ） 还是介质速度ｖ都满足特征速度为 c = dp / dρ 的 波动方程。 宇宙是一个主要由质磁波子组成的理想气体系统，上述方程适用于宇宙系统的光波速度的计算。计算 光速度时使用宇宙系统的压强和密度。在以 c=1 的宇宙单位制中，后面将证明 p = ρ 。则 dp / dρ = 1 ，宇 宙系统光速为 C. 现在用宇宙系统和压强和密度关系推导宇宙系统光速公式。宇宙系统处于真空中，系统压强除了与系 统总的引力有关之外，还与系统的表面张力有关，我们可以假设宇宙系统所受到的包括引力和张力的总合 力如下： F = kFg = k GMM R2 (8.16) 宇宙系统的压强为： p= F GM 2 =k S 4πR 4 (8.17) 宇宙系统的密度为： 3M (8.18) 4πR 3 引力常数 G = ZC ，P 与ρ分别对 R 求导数后可得光速公式如下： 4kZM c= (8.19) 9R ρ= 这与第二章推导所得的光速公式的形式完全相同，对比得出宇宙系统的张力系统为 k = 4 .5 (8.20) 可见，宇宙真空中的波动将以 C 的速度传播。这不仅仅限于光的传播。 9 质磁旋涡的磁场和电场 下面从磁旋等效的观点出发推导旋涡磁场、电场和电荷的表达式。 我们用三维的 Helmholz 场势方程 ?2 p ρ ?p ? 2 2 = ? ε0 c ?t 现在定义涡旋场脉动的矢量势 A 为 （9.1） 描述自旋粒子涡旋的压强和密度势 p，此时 ρ 是旋涡的密度。 A= p.v c2 2 （9.2） 在 Helmholz 方程两边乘以 v / c 得涡旋场脉动矢量势的波动方程为 ?A ? ρ .v ?2 A =? 2 = ?? 0 J 2 2 c ?t c .ε 0 （9.3） J = ρv 11 我们从涡旋场定义磁场感应强度为 B = ? × A = rot ( A) 由 A 的定义可以计算磁场感应强度为 （9.4） B = ?× A = p.ω 2c 2 （9.5） B 的波动方程可由 A 的波动方程(9.3)两边求旋度得到 ?B ? ?2B = ? ? 0 rot ( J ) c 2 ?t 2 ?A ?t （9.6） 定义电场强度 E 为 E = ??p ? （9.7） 可见，电场强度 E 由涡旋压强密度函数 ?p 和加速场函数 ?A / ?t 确定 现在用旋场中的兰姆矢量（科里奥利加速度）和洛仑兹力定义涡旋的电荷 q。对自旋场有 a= ?v =ω ×v ?t （9.8） 在自旋场中运动的自旋粒子，它受到的磁力为 2mc 2 pω F = mω × v = v × 2 = qv × B p 2c q= 2mc 2 p （9.9） （9.10） 这里，电荷是粒子的能量和涡旋场的压强密度势之比，而在宇宙系统的质磁波子组成的理想流体中， 旋涡的压强密度势与涡旋的质量成正比，所以自旋粒子的电荷与粒子的质量无关而表现出量子的特征。 （9.9）式表明电磁场与旋场完全等效。电磁场实际上是旋场中的科里奥利力的表现，电荷则是旋场中 自旋粒子之间表现出的一种与质量无关的科里奥利力的相互作用关系。所以，电磁场实际上是万有引力的 涡旋场，电磁力等价于涡旋场中的科里奥利力。这是万有磁学理论的基础。 从 Helmholz 方程也可以导出麦克斯韦方程组，但这已经超出本书的基本原理的定位，不作讨论。 10 宇宙模型 1917 年，爱因斯坦利用广义相对论考查宇宙，建立了一个有物质无运动的静态宇宙模型，这是现代宇 宙学中第一个宇宙模型。但是，运动是物质存在的最基本的方式之一，静态宇宙模型显然是错误的。同年， 荷兰的德西特（W.A.Desitter）也用广义相对论考查宇宙，建立了一个无物质（或物质密度为零）有运动 的宇宙模型，这种虚宇宙模型也是无法成立的。1922 年，前苏联 A .A 费里德曼通过求解爱因斯坦场方程 建立了一个膨胀的宇宙模型。这一模型指出，宇宙是单调的膨胀还是震荡，关键在于宇宙物质的平均密度 与临界密度的关系，如果宇宙的平均密度大于临界密度，宇宙的收缩才有可能出现，否则，宇宙将一直膨 胀下去。1927 年比利时勒梅特（G.Lemaitre）提出了宇宙大尺度时空随时间推移而膨胀的观念，通过广义 相对论建立了一个膨胀的宇宙模型。 这时， 河外星系红移的普遍发现为膨胀宇宙模型提供了证据。 1948 年， 前苏联伽莫夫根据宇宙早期非平衡态过程的元素起源理论提出了大爆炸宇宙学假说。同年，英国邦迪等人 提出了一个稳态宇宙模型，认为宇宙性质在大尺度时空范围内稳恒不变，不仅在时空上是均匀的和各向同 性的，而且，在宇宙的任何时刻也完全相同。为了与宇宙膨胀这一观测事实相符，他们认为，虽然宇宙在 12 不断地膨胀，但物质可以不断地从虚空中创生出来，形成新的天体和天体系统，从而使宇宙物质的密度保 持不变。这是一个典型的主观唯心主义宇宙模型，它认为物质可以从“虚空”中创生，这种观念违背了自 然辩证法的基本要求， 违背了质量守衡定律， 因而是不能成立的。 为了企图说明宇宙物质可以从虚空产生， 早期我构想过微观黑洞模型，认为宇宙空间充满着微观的黑洞。由于黑洞对引力场的禁闭作用，我们没有 感觉到这种微观黑洞的存在，当这种黑洞爆发的时候，我们才感受到这种物质的作用。霍金也提出了一种 微观黑洞的模型。但我最终抛弃了微观黑洞的模型，原因是我觉得这毫无意义。如果我们呼吸的时候也呼 进和呼出大量的微观黑洞，这种黑洞只能是子虚乌有。 现有宇宙学理论都承认了宇宙膨胀这一观测事实，特别是大爆炸宇宙模型，为解释宇宙氦丰度问题和 微波背景辐射问题找到了基本方法，但是，它们都存在无法克服的自相矛盾，它们无法获得自然而合理的 结果，这就暴露了这些理论本身的缺陷。宇观系统论的宇宙是一个具有一定的质量的宇观系统，宇宙的时 空关系、能量质量关系、相互作用关系和热力学关系则按一定的规律演化。首先，宇宙的运动和演化遵循 “局部不能突破整体” 的完整性原理， 所有宇宙物质的运动和变化都只能无条件地被局限在宇宙系统之内。 宇宙中的一切物质，包括光和场辐射都不可能超出宇宙的系统空间。至于宇宙之外还有没有别的即便通过 间接的途径也无法与宇宙物质产生相互作用的物质，这仅仅是一个思辨上的哲学问题，至少，它对宇宙内 部的物质来说已经毫无意义。宇宙物质微观上的衰变-逆衰变作用于导致了宇宙整体膨胀-收缩的宏观运 动。从总体上看，占宇宙系统绝大部分质量的质磁子辐射以光速向外膨胀或向内收缩。宇宙的膨胀-收缩 过程是绝热的等熵过程，因而“热寂”的宇宙不可能出现。其次，宇宙的时空演化遵循典型的动力学规则。 用宇观系统论可以精确地计算出宇宙各个演化阶段的物质状态参数，包括宇宙介质的温度和密度等。计算 得出的物质状态参数与演化的具体物理事件所要求的物质条件完全相符。宇观系统论定量地解决了氦丰度 问题、背景辐射问题等宇宙演化的各种问题。第三，宇宙系统是具有自旋运动的。宇宙物质的起源和演化 遵循万有磁学规律，宇宙物质的运动形成了宇宙超级背景磁场。宇宙背景磁场在宇宙物质起源，正反粒子 和正负电荷的形成以及天体系统的形成、运动和结构中起着决定性的作用。宇宙物质在宇宙质磁通道上按 严格的质磁规律做质磁循环运动。宇宙演化的万有磁学规律解决了现有宇宙学和天体物理学中所谓的暗物 质问题、环星系问题等。 从衰变自旋模型出发可以很合理地解释物质相互作用产生的内部原因。场相互作用的内因性既符合哲 学上的规律，也符合自然科学特别是物理学规律。场相互作用是统一的，它来源于物质的运动和变化，来 源于物质的衰变和自旋。宇宙系统是由高度统一的物质及其相互作用组成的、变化的、保持动态平衡的整 体物质系统。宇宙系统主要由物质衰变辐射的质磁波子组成，宇宙系统内部的压力场是各向同性的。质磁 波子在宇宙自旋系统的万有磁力的作用下产生涡旋运动形成基本粒子。电子和质子的结构分别与电子型星 系和质子型星系的结构相同。中子是质子和电子的涡旋运动的结合，其结构与中子型星系相同。电荷只是 基本粒子涡旋(自旋)运动表现出的属性。组成质子和中子的夸克只是涡旋中的旋臂表现的属性，不可能独 立存在，粒子磁学的各种可能取向确定了自旋粒子和夸克的种类。其基本取向为上下，左右，前后 6 种， 基本粒子的种类以 6 为基数。维持粒子衰变动态平衡而吸收质磁波子导致粒子动量对称性破缺产生万有引 力，引起粒子角动量变化产生电磁力。