统一万有引力与库伦电磁荷力的新思路

统一万有引力与库伦电磁荷力的新思路

司 今 （[e-mail]）

现代物理学认为，自然界中存在四种基本力，那就是万有引力、电磁力、强相互作用力 、弱相互作用力。

万有引力是由物体质量引起的力，电磁力是有物体所带的电、磁荷产生的力，强相互作用力是由构成粒子的夸克之间所产生的相互作用力，弱相互作用力是指中子衰变成质子、电子与中微子或反电子中微子过程中所表现的力，其本质是一种弱电磁相互作用力。

目前的物理学已将电磁力、强相互作用力、弱相互作用力完成了统一，但始终无法完成万有引力与电磁力的统一工作。

从本质上讲，电磁力、强相互作用力、弱相互作用力其实质还是电磁力，这种所谓的“大统一”只不过是对麦克斯韦“粗糙”的电磁统一工作的“精细化”延续，这种统一方案还没有触及万有引力与电磁力统一问题，而万有引力与电磁力的统一才是“统一之王”。

可见，从十八世纪开始，人们就梦想着将万有引力与电磁力统一的工作还没有实质性进展，那么，为什么万有引力与电磁力的统一这么难呢？

我们认为，这是物理学没有真正认清万有引力与电磁力起源问题所致，如果想将万有引力与电磁力统一，就必须像“电磁力、强相互作用力、弱相互作用力“的统一思路一样，要将这二种力的起源与物理属性纳入”同类“才行。

一个真正合乎物体运动规律的“大统一”理论就应含对物质自旋与自旋磁场的论述，任何一个真正有物理意义的统一场公式也应包含自旋参量与磁参量......

鉴于此，我们做了一点尝试性思考与探索，希望对有志于大统一研究的老师与朋友们提供一点有益的启迪！

在欧几里得几何中，将空间物体的运动看作是一个点的运动，这个点是没有空间大小的抽象点；牛顿力学是建立在欧几里得几何空间下的运动，因此牛顿研究物体运动时也不考虑物体空间大小，将物体运动抽象为一个点的运动，那就是质点。有了质点概念后，他进一步建立了质心、刚体等概念，从而完成了他的力学概念体系。

1 质点

质点是一种理想化模型。在研究机械运动时，若物体形状和大小对运动影响可以忽略，我们就可以把它看作是一个具有一定质量的几何点，称质点。实际上，牛顿运动定律就是针对质点而言的，牛顿方程中加速度就是欧几里得几何中点的加速度。

能否将物体看作质点处理需要满足以下条件的其中之一：

（1）物体各个部分的运动情况相同，它的任何一点运动都可以代表整个物体运动，即物体具有刚体性。

（2）物体大小和形状对研究问题影响很小，可以把它看作一个质点。

（3）转动物体，只要不研究其转动且符合第2条，也可看成质点。

可见，质点是只具有质量没有空间大小或空间大小不考虑的几何点。但不能把它和微观粒子如电子等实体概念混同起来。若研究的问题不涉及转动或物体大小跟问题中所涉及到的距离相比较微小时，即可将这个物体抽象为质点，如研究地球公转时，地球半径比日、地间距离小得多，就可把地球看作质点，但研究地球自转时就不能把它当成质点。又如物体平动时，内部各处的运动情况都相同，就可把它看成质点。所以物体是否能被视为质点，完全决定于所研究问题的性质。

2 质心

空间物体所具有的质量被看作是集中在物体内某一点上，这个点就称作是该物体的质心，这是一个假想点，用它就可以和欧几里得的空间几何点运动联系起来，从而和牛顿力学的质点运动统一起来。质心也仅是一个点，与物体形状无关，能够作质心处理的运动物体必须具有刚体性，即要求质心点的运动可以代表整个物体的运动。可见质心和质点概念是相通的，在研究空间物体运动时，质心本身就转化为质点涵义了。

3 刚体

刚体运动是建立在牛顿力学基础之上但又不同于牛顿力学，因牛顿力学研究的是物体作直线或曲线运动的现象，但没有涉及到物体自旋与运动的关系；刚体力学不仅研究直线或曲线运动且还研究自旋运动。牛顿力学和刚体力学研究的物体对象都是被作刚体这一属性来处理的。

刚体：就是一种特殊的质点组，组成刚体的每个质点都受到完整的束，使得刚体上任意二点间的距离在运动中保持不变。

刚体定义很抽象，但我们可以这样理解：一个物体不论其受力大小、方向如何，它产生运动变化时的形状和大小始终保持完全不变性，这个物体就可称作刚体。在实际运用中，刚体又有相对性和绝对性之分。

刚体相对性：是指由不同材料组成的二个物体，在受同样大小冲击力作用时所表现出的不同变形程度，将它们的变形程度相比较，变形小的相对于变形大的就可以称为相对性刚体，例如，我们用木锤敲打一块橡皮，则橡皮会表现出较大变形，而木锤就看不出有多大变形，这时我们可以说木锤相对于橡皮为刚体；如果用木锤敲打一块铁块，则木锤就会表现出较大变形而铁块就看不出有多大变形，我们说铁块相对于木锤为刚体；其实二个物体向撞时都会发生变形，只不过铁块变形程度较木锤小而已。

刚体有绝对性：它包含二个方面含义：

(1)、牛顿力学所定义的质心概念，它的体积不受外力和运动变化影响，始终保持不变，因此它可以看做是绝对刚体，但它只是一个理想化的虚拟点。

(2)、最基本粒子概念，我们在处理微观粒子运动时就表现出绝对刚体概念，如我们用电子撞击质子、中子、原子核等试验中，质子、中子、原子核等都会因电子撞击而分裂出其他粒子来，电子则不会，因此可以说电子相对于它们有绝对刚体性，由此我们给出关于粒子分类的概念，即电子相对于质子、中子、原子核等就是基本粒子，而质子、中子、原子核等就表现出非基本粒子性，它们都可看作是由电子组成的复合粒子；由此推理，假如光子是电子的组成部分，那么电子相对于光子而言就是复合粒子，光子就是绝对刚体。现代粒子物理学试验证明，正负电子对泯灭可放出1、2或3个自由光子，因此将电子看作是光子复合体是合理的。这样看来，绝对刚体概念就和物质组成中的最基本粒子概念相一致了，因此说，牛顿力学的质点、质心概念、刚体力学的绝对刚体概念、粒子物理学中最基本粒子概念都表示同一种含义，只不过它们对物质属性的表达方式不同罢了。

就目前物理学来看，光子有质点性、质心性、绝对刚体性，另外还有自旋和自旋磁场，将它作为最基本粒子是可以的，除非以后能找到比光子更小的粒子才能改变光子这一最基本性。爱因斯坦在相对论中就规定，光子不变且任何物体运动都不可能超过光速，其本意也就是想定义出一个绝对的基本粒子概念，只不过他是用绝对速度概念代替罢了，因此他在讨论物体运动时认为空间是可变的，却从没有涉及光子自旋和曲线运动论述。

物理学中，牛顿微积分思想承认物质有无限可分性，因此，微积分的物质体系内应不存在最基本粒子概念，即牛顿微积分思想不适用于处理最基本粒子问题，如刚体力学中将质点的自旋惯量定义为I=mr2，即将质点转动惯量看做是半径为r的超薄圆环的转动惯量，这是在微积分思想下的无奈之举。牛顿力学是建立在质点概念之上的运动力学，质点概念就是最基本粒子概念，因此说牛顿质点概念和他的微积分思想又是矛盾的。

4 旋转惯量与质点自旋惯量

在刚体力学中，研究物体旋转或平面平行运动时，引入一个转动惯量概念；这个量是对刚体转动时惯性的量度，其量值取决于物体的形状、质量分布及转轴的位置；刚体绕轴转动惯性的定量为J=∑ mi*ri^2，式中mi表示刚体的某个质点的质量，ri表示该质点到转轴的垂直距离，可见转动惯量是与空间大小有关的量。

而且转动惯量I的大小随物体形状和旋转轴位置不同而不同，如球体绕中心轴旋转时I=2mr2/5，绕切线轴旋转时ID=7mr2/5，这是运用牛顿微积分数学得出的结果。

对于超薄圆环和质点自旋，刚体力学中则给出这样的定义：现在物理学将质点的自旋惯量定义为IZD=mr2的思想就是将质点质量看做是均匀分布在半径为r的无空间大小的圆环上（图-1）。这种定义是没有抛开牛顿微积分思想的做法，它即不形象又背离了质点不可分性的本义，因此它是不优越的。

在研究物体运动时，将物体运动的动量描述为质点动量P=mv，这是一个和物体存在空间大小无关的量，即将运动物体看作是质点。我们在研究物体作闭合曲线运动时，将绕体运动动量用角动量J=mvr=mωr2来代替，角动量表达的涵义是绕体被看作是质点，其质量m就像是集中在r端点上在运动（图-2），如果令I公= mr2，则有J=mv公r公=m r2公ω公=I公ω公，可见，角动量涵义与薄圆环、质点转动惯量涵义有密切关系。

牛顿微积分思想的精髓就在于它可以将任意大小的物体分割成无限小、无限多个体，即承认物质是无限可分割的，因此不存在最基本粒子概念，但他在建立物理学大厦时却给出了一个质心概念，质心是没有空间大小或空间大小忽略不计的理想点，以此来试图取代最基本粒子概念。

对于最基本粒子或质点概念而言，由于它们不存在可任意分割的量，因此利用牛顿微积分思想是无法定义或确定它自旋惯量大小的，所以说牛顿微积分思想不适合于定义最基本粒子或质点的转动惯量，为此我们必须找出一个适合描述最基本粒子或质点转动特性的表达式，这个表达式要求既能描述自旋又能描述公旋，即自旋和公旋的共同表达式：Pm=mω，这是一个和物体存在空间无关的旋转表达式，它与P=mv一样，都体现了物质运动的质点特性。

运动物体自旋或公旋角量是不受物体本身空间和公旋空间大小限制的量，用Pm=mω描述物体自旋或转动有以下优越性：

（1）、突出、明了地表达了物体、粒子或质点自旋或转动的变化共性。

（2）、抛弃了牛顿微积分思想，建立了最基本粒子或质点存在的概念；

（3）、能与万有引力F=GM1M2/ R2和电磁学中F= B0Pm相融洽，使万有引力和磁力统一起来，从而看清了力产生的本质；

（4）、能充分体现自旋物体作闭合曲线运动时总动能守恒和转化的本质。

用牛顿微积分求得转动惯量来描述物质自旋或旋转是不优越的，因微积分求得的自旋或转动惯量都与物体存在空间大小有关，这会使自旋或转动动量、动能问题变得复杂化，就不会像P=mv、EK=mv2/ 2那样简单明。

在刚体平面运动中，计算刚体自旋动能时只能将自旋体看作是一个质点在运动，而不能用牛顿微积分求出它的转动惯量再来计算自旋动能，因为物体的平动被看作是质心点在运动、对于它的自旋也只能看作是一个质点在自旋。

目前物理学的缺陷是一方面把物体的平动看作是质心运动，另一方面却把物体的自旋看作是一个与其存在空间大小有关的非质心运动，盲目引入牛顿微积分来确定物体的转动惯量，其结果不但背离了牛顿原有的质心运动思想，还使对物体运动描述变得更复杂。

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经典物理学对自旋物体描述和定量是用转动惯量概念来进行的，但转动惯量概念是一个与空间大小有关的“非质点”概念；当我们研究微观自旋粒子时，转动惯量概念就不能与质点概念很好地衔接起来，因为我们对自旋粒子的讨论是建立在“点粒子”概念之上的，这是一个与粒子空间大小无关的概念。

对此，我们是不是可以从牛顿质点动量公式P=mv中得到启示：撇开自旋物体空间大小，专注它的质量m与自旋角速度ω，这样，我们就可以找到一个能够反映质点自旋量大小的公式p=mω，且用现有物理理论可以证明，p=mω就是物体自旋所产生的自旋磁荷量大小，它与惯性质量起源、动质量变化等紧密相连。

以此为基点，我们结合刚体运动，得出：自旋物体在运动变化中遵守总动量、动能守恒，即E=mv²+mv自²，P=mv+mv自守恒；并推理：如果E、P守恒同时成立，则有v.v自=k常数存在；我们将这一推论运用到 “地球椭圆运动及自旋季节性变化成因”的探讨中发现：地球在远、近日点的v、v自变化符合v v自=k常数规律，即地球在远日点公转速度较慢、自旋速度较快，在近日点公转速度较快、自旋速度较慢，这实际上正是地球自旋与公转运动遵守总动量、动能守恒规律的体现。

根据质点含义和自旋量p=mω定义，结合总动量、动能守恒，我们可以提炼出另一组类似于总动量、动能守恒的新守恒，即Γ=mΩ²+mω² Λ=mΩ+mω守恒；并由此得出：对于有自旋、公转的物体运动而言，如果Γ、Λ守恒均成立，则Ωω=k也是常数；我们将这一推论运用到陀螺进动问题研究上去，发现，目前教科书给出的陀螺进动方程Ω=gl/ωr²与Ωω=k常数的思路是一致的，这说明陀螺进动也遵守总动量、动能守恒。

我们将p=mω与高斯定理、万有引力定理结合，可以得出：

这说明，万有引力与自旋物体间的自旋磁荷力相对应，万有引力本质应是自旋磁荷力；为此，我们可以用教科书给出的地球、太阳自旋值计算得出：

（注：关于G常数物理量纲不能够与现代物理学量纲体系相衔接的问题，由于篇幅所限，我们会在另一篇文章中作专门论述，这里就不在熬述了）.

此外，我们还得出另一个推论：ω太ω行=k也是常量，说明每个行星绕太阳作椭圆运动时，它们的自旋角速度变化遵守Γ′=mω太²+mω行²、 Λ′= mω太+mω行守恒；但这种守恒与陀螺进动中Ωω=k守恒物理含义不同：这种守恒反映的是自旋体的自旋周期会因选择的自旋比较基不同而不同，但它们相对的自旋周期之积不变，这说明周期有二面性，即相对性和守恒性。

同理，因时间的本质是周期的延伸，因此，时间也应有相对性和守恒性；但爱因斯坦在他的相对论中，只考虑了时间相对性，没有考虑时间守恒性，结果，用他的理论常会推理出动量、动能守恒不自洽的结论。可见，任何相对性都必须建立在守恒性基础之上，否则由这个相对性建立的理论体系将是不自洽、严谨的。

同时，我们注意到，如果“物体自旋会产生自旋磁场”命题成立，那么，对任何自旋物体而言都可以将它们看作是一个自旋磁陀螺来对待；这样，我们就可以通过深入研究磁陀螺在磁场中运动的一些规律来指导、模拟、解释、揭示宏观自旋星体、微观自旋粒子在宇宙、自然空间中运动所产生的一些物理现象的本质。

按照这一思路，我们通过对自旋磁陀螺运动的实验和研究发现：运动的自旋磁陀螺通过磁场空间时会产生曲线运动，这说明磁陀螺在磁场中运动与自旋电子的洛伦兹运动及其衍射等现象有可比拟性，它们从物理机制上讲应与自旋磁陀螺在磁场中运动的规律相类似；再作更深入思考还发现，光的干涉、衍射现象的物理本质是一种“光子洛伦兹运动”行为，也遵守磁陀螺运动规律。

至此，我们对电子、光子的干涉、衍射现象形成的物理机制“豁然开朗”：物体都是由带有自旋磁场的粒子组成，在它们“身上”开出的小孔或窄缝空间也应有磁场存在，且在一定空间范围内表现明显；当带有自旋磁场的光子或电子通过小孔或窄缝磁场空间时，就必然会产生类似于磁陀螺在磁场中作曲线运动的现象，这就是它们产生干涉、衍射现象的物理本质所在。

为此，我们用不同材料制成相同小孔或窄缝，当用同束光通过这些小孔或窄缝时，会得到不同的衍射、干涉图案，这说明不同材料制成的小孔或窄缝，其空间内形成的磁场有强弱不同的差异，因此，光子在此空间作“洛伦兹运动”时会产生曲率不同的运动轨迹曲线，故此会得出不同的衍射、干涉图案。

可是，目前物理学在研究电子、光衍射、干涉等问题时，到是忘记了电子、光子等具有自旋和自旋磁矩性，同时也忘记了小孔或窄缝空间的磁场性，只一味地去强调粒子具有所谓的“波动性”，这不能不说是一种“唯现象论”的本末倒置做法。

再将宏观天体运动与磁陀螺运动相比拟，我们还发现，“地—太”系运动符合一个叫“杨燕实验”的磁陀螺运动现象，即地球公转规道平面与太阳自旋赤道平面之所以存在夹角，那是因为带有自旋磁场的地球自旋轴上下端会受太阳自旋轴向磁场影响，产生力矩不相等作用，正是这种作用才能促使地球保持绕太阳公转不停，同时也才能保障地球公转时的自旋轴指向不变，等等，这些现象的形成都与磁陀螺在磁场中的运动规律相一致；同时，地球绕太阳作椭圆运动是银河中心体自旋磁场影响的结果，也就是说，行星绕太阳作椭圆运动是一种“三体运动”，是三个自旋星体的自旋磁场相互影响的结果。

另外，我们通过洛伦兹力公式F=Bpm=qvB，得出pm=qv；将它与p=mω结合，可以得出库伦电荷力与磁荷力具有等价性的一面。

（注：关于洛伦兹力与磁场磁荷力是否相等问题，即F=Bpm=qvB是否成立？我们在另一篇文章中有论述，结论是相等的，因本文篇幅所限，这里不再熬述）.

至此，我们可以将万有引力、库伦电荷力、库伦磁荷力用一个统一公式来描述，那就是：

F=Bpm= p1p2/S=p1p2/πr².

1、令1/π=km可得：F=kmp1p2/r²，其中km=1/π.

2、由p=mω可得：F=Gm1m2/r²，其中G=ω1ω2/π.

3、由pm=qv可得： F=keq1q2/r²，其中ke=v1v2/π.

这说明，万有引力、库伦电荷力本质都是自旋磁荷力，质量、电荷、磁荷概念在牛顿力体系下通过自旋磁荷Pm=mω可以统一；同时也表明，这些概念差异是由于力描述中对“荷”的定义与测定方式、方法不同所致。......

【附录】：

为了让朋友们更直观了解《自旋场理论》内容，我们这里选录了几幅相关文章里的插图，以供大家参考：

1、太阳自旋有分层性，从而产生分层磁场，这些分层磁场是自旋行星绕太阳产生量子化轨道分布运动的根本原因，这正体现了“内因决定外因，外因体现内因”的哲学原理：

2、自旋磁陀螺绕中心磁体公转与“地—太”系、“质—电”系中地球、电子公转原理相同：

3、电子的洛伦兹运动同磁陀螺在磁场中进动原理一致，且电子的双层洛伦兹运动与原子、原子核的形成及核外电子量子化轨道分布与运动有密切关系：

4、地球绕太阳椭圆运动及其自旋季节性变化是银河中心体自旋磁场影响的结果：