核子精細(xì)結(jié)構(gòu)探究及理論物理學(xué)重構(gòu)

重慶市長(zhǎng)壽第一中學(xué)校 重慶 401220

我在三篇文章中相繼探究了黑洞、類星體、穩(wěn)定宇宙等大尺度天體問題并建立了科學(xué)模型?，F(xiàn)在我將從微觀粒子角度來探究有關(guān)的科學(xué)問題。而這些問題的徹底解決,有助于我們從更高的層次來重建理論物理學(xué),初步形成科學(xué)的從夸克到穩(wěn)定宇宙23-36層級(jí)的物質(zhì)圈層分布結(jié)構(gòu),認(rèn)清宇宙的本質(zhì)規(guī)律,包括暗物質(zhì)、黑洞、類星體等若干重大宇宙問題,極大地促進(jìn)人類文明的飛躍!

1 質(zhì)子的精細(xì)結(jié)構(gòu)

1.1 質(zhì)子夸克質(zhì)量分析 對(duì)于質(zhì)子,傳統(tǒng)物理理論認(rèn)為質(zhì)子里兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克的質(zhì)量貢獻(xiàn)約1%,其它的質(zhì)量貢獻(xiàn)是膠子,它們主要借助強(qiáng)相互作用約束內(nèi)部的夸克,以能量形式表現(xiàn)出來。具體推算如下:

上夸克靜止質(zhì)量為2.01MeV/c2,對(duì)應(yīng)靜止質(zhì)量3.5832×10-30kg,下夸克靜止質(zhì)量為4.79MeV/c2,對(duì)應(yīng)靜止質(zhì)量8.5309×10-30kg,質(zhì)子的兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克的靜止質(zhì)量為1.56973×10-29kg,而質(zhì)子質(zhì)量為1.67262163783×10-27kg,夸克組團(tuán)靜止質(zhì)量約占質(zhì)子質(zhì)量的0.94%。

而實(shí)際科學(xué)測(cè)定質(zhì)子中夸克組的質(zhì)量占比為7%,相當(dāng)于夸克組動(dòng)質(zhì)量m=7.4468m0,m=m0/(1-v2/c2)0.5,可以進(jìn)一步推算出v=0.99094c。

1.2 氫原子核外電子速度 由牛頓第二定律知,對(duì)氫原子核外電子有ke2/r2=mev2/r,這里靜電力恒量k=8.98755178799791×109Nm2/C2,e=1.60217648740×10-19C,me=9.1093821545×10-31kg,r=0.52917×10-10m,解得v=2.1862410479×106m/s。取c=2.99792458×108m/s,則v=0.007292515c。

1.3 質(zhì)子的分層數(shù)估算 我們把穩(wěn)定宇宙模型反轉(zhuǎn)估算質(zhì)子的膠子圈層分層數(shù),v1=0.99094c≈c,而vn=2-(n-1)/2c=0.007292515c,兩邊取自然對(duì)數(shù)解得n=15.1987357?？紤]到去除r=0.52917×10-10m的電子軌道,取n=15。

早些年,科學(xué)家認(rèn)為質(zhì)子半徑為rp=1.128644848×10-15m,最近的科學(xué)測(cè)試結(jié)果為rp=0.831×10-15m。而夸克平均間距L=0.43×10-18m,我們忽略夸克的大小,取r=Lcos30°×2/3=0.2482606158×10-18m。認(rèn)為r～rp為質(zhì)子的15個(gè)膠子圈層。

1.4 質(zhì)子膠子圈層的精細(xì)軌道半徑估算 在這里我們認(rèn)為強(qiáng)相互作用力是庫侖力與磁場(chǎng)力(安培力)的合力,忽略弱相互作用,并把四種相互作用簡(jiǎn)單看成是與距離r成平方反比,與r軌道內(nèi)物質(zhì)動(dòng)質(zhì)量M成正比的關(guān)系。進(jìn)一步設(shè)定r1=0.2482606158×10-18m,約定r1～√2r1區(qū)域內(nèi)的膠子線速度為c,緊接著其外的較小區(qū)域?yàn)樘摽諈^(qū),以后按照等比數(shù)列依次向外遞推到rp。

類似于穩(wěn)定宇宙模型的分層分布半徑公式調(diào)整為rn=xn-1r1,令rn=0.831×10-15m,n=15。代入r1方程兩邊取自然對(duì)數(shù)解得x=1.78551625。換句話說膠子圈層間的各級(jí)虛空區(qū)厚度為(x-√2)rn=0.37138063rn。

2 中子精細(xì)結(jié)構(gòu)

2.1 中子夸克質(zhì)量分析 中子由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克組成,上夸克靜止質(zhì)量為2.01MeV/c2,對(duì)應(yīng)靜止質(zhì)量3.5832×10-30kg,下夸克靜止質(zhì)量為4.79MeV/c2,對(duì)應(yīng)靜止質(zhì)量8.5309×10-30kg,中子的一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克的靜止質(zhì)量為2.0645×10-29kg,而中子質(zhì)量為1.674921184×10-27kg,夸克組團(tuán)靜止質(zhì)量約占中子質(zhì)量的1.23%。

而實(shí)際科學(xué)測(cè)定中子中夸克組的質(zhì)量占比為7%,相當(dāng)于夸克組動(dòng)質(zhì)量m=5.691m0,m=m0/(1-v2/c2)0.5,可以進(jìn)一步推算出v=0.98444c。

2.2 中子分層膠子圈層數(shù) 類比于質(zhì)子,我們認(rèn)為中子的分層數(shù)為n=15層。早些年,科學(xué)家認(rèn)為中子半徑為rn=1.1133755748×10-15m,最近的科學(xué)測(cè)試結(jié)果為rn=0.833×10-15m。而夸克平均間距L=0.43×10-18m,我們忽略夸克的大小,取r=Lcos30°×2/3=0.2482606158×10-18m。認(rèn)為r～rn為質(zhì)子的15個(gè)膠子圈層。近似取v1=0.99844c≈c,由于rn與rp相當(dāng)接近,可以直接引用質(zhì)子的膠子分層半徑數(shù)據(jù)。

3 四種基本相互作用力的量化

3.1 在核子膠子圈層的四種基本相互作用力的量化 為便于問題研討,我們僅僅基于質(zhì)子進(jìn)行相關(guān)研究。

基于上面的與穩(wěn)定宇宙模型的類比假設(shè),我們?cè)O(shè)在核子膠子圈層區(qū)域的四種基本相互作用力F=k Mm/r2。我們?cè)O(shè)定r1=0.2482606158×10-18m,m是膠子的質(zhì)量,Mn是第n膠子圈層內(nèi)部的所有物質(zhì)的動(dòng)質(zhì)量,rn是第n膠子圈層的軌道半徑,為便于計(jì)算,取v1=c,n=15,則對(duì)第n膠子圈層外側(cè)膠子有F=k Mnm/r2n=mv2n/rn,Mn=rnv2n/k,rn=xn-1r1,取rn=rp=0.831×10-15m,而vn=2-(n-1)/2c=0.007292515c=2.1862410479×106m/s,Mn=mp=1.67262163783×10-27kg。

經(jīng)過公式變形得k=rnv2n/Mn,即k=rpv2n/mp=0.831×10-15m×(2.1862410479×106m/s)2/

(1.67262163783×10-27kg)=2.37464887×1024Nm2/kg2。

3.2 核子膠子圈層的四種基本相互作用力的精準(zhǔn)量化 考慮到弱相互作用力主要作用于10-18m量級(jí),強(qiáng)相互作用力主要作用于10-15m量級(jí),而在10-10m量級(jí)主要取決于庫倫力,該處萬有引力極小完全可以忽略。我們?cè)O(shè)在r=0.52917×10-10m處的氫原子的核外電子所受到得四種基本相互作用的合力F=kmpme/r2=kee2/r2,得到

k=kee2/(mpme)=8.975517879979×109×(1.60217648740×10-19)2/(1.67262163783×10-27×9.1093821545×10-31)Nm2/kg2=1.51214554×1029Nm2/kg2。

3.3 核子精細(xì)結(jié)構(gòu)建模重構(gòu)

3.3.1 前面的建模中存在幾個(gè)重大問題

(1)在建模中我直接把氫原子核外電子的線速度當(dāng)成質(zhì)子半徑處最外膠子圈層的線速度;

(2)我分層計(jì)算了在膠子圈層中四大基本相互作用力對(duì)應(yīng)的k值是明顯變化的;

(3)如果把核子膠子圈層以及夸克組團(tuán)的作用力視為是有心力,基于氫原子核外電子的線速度用角動(dòng)量守恒界定質(zhì)子半徑處的膠子的線速度將達(dá)到400倍真空光速(視為運(yùn)動(dòng)粒子質(zhì)量不變,未考慮粒子的相對(duì)論效應(yīng))。這充分說明前面的建模是徹底失敗的。

3.3.2 質(zhì)子精細(xì)結(jié)構(gòu)的科學(xué)建模

(1)建模假設(shè)。質(zhì)子由高速自轉(zhuǎn)夸克組團(tuán)附加膠子球核和外部的膠子光障區(qū)組成。并且限定飛米級(jí)及以下尺度內(nèi)的四大基本相互作用力F=k Mm/r2=mc2/r,認(rèn)為這個(gè)區(qū)域的k值恒定。

(2)參數(shù)計(jì)算。對(duì)質(zhì)子半徑rp處的膠子kmpm/r2p=mc2/rp得k=rpc2/mp=0.831×10-15×(2.99792458×108)2/

(1.67262163783×10-27)Nm2/kg2=4.4652391×1028Nm2/kg2。

由F=k Mm/r2=mc2/r得r軌道半徑內(nèi)的球體物質(zhì)動(dòng)質(zhì)量M=rc2/k∝r。我們知道,科學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定質(zhì)子中夸克膠子組團(tuán)形成的夸克膠球的動(dòng)質(zhì)量為7%mp。由此確定質(zhì)子中的夸克膠球的半徑為rk=0.07rp,對(duì)應(yīng)的周期近似為T=2πrk/c=2×3.14159265×0.07×0.831×10-15/(2.99792458×108)s=1.219153×10-23s,轉(zhuǎn)速n=1/T=8.2024159×1022r/s。

3.3.3 核力公式的改進(jìn)

(1)1935年日本著名核物理學(xué)家湯川秀樹提出介子理論界定了核力,基于核力存在于所有核子之間通過交換介子發(fā)生相互作用,給出了核力公式。我把這個(gè)公式變形為F=km1m2(L-r)/[r3e(L/r)],L為飛米級(jí)的核力作用范圍的常數(shù)。

(2)基于精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)表明,把核力視為質(zhì)子+e電子的庫侖力與+e電子環(huán)流的安培力的合力,在飛米級(jí)距離范圍內(nèi)吻合度相當(dāng)?shù)母?在0.72rp和3.2rp處F=0,rp=0.831×10-15m。

核力F=km1m2(3.2rp-r)(0.72rp-r)/[r4e(3.2rp/r)],F>0為斥力,F<0為引力。k為比例系數(shù)。我們把rp簡(jiǎn)化為單位1,把r簡(jiǎn)化為x,得出簡(jiǎn)化核力y=(3.2-x)(0.72-x)/[x4e(3.2/x)],得出以下函數(shù)圖像。

在上述公式中,我們基本統(tǒng)一了強(qiáng)弱相互作用力。我們認(rèn)為在r＜0.497934rp的時(shí)候,力作用表現(xiàn)為弱相互作用;在0.72rp-3.2rp的時(shí)候,力作用表現(xiàn)為強(qiáng)相互作用;在r＞25.6rp的時(shí)候核力消失;在更大的區(qū)域則帶電物體表現(xiàn)為庫侖力或安培力,中性宏觀物體則表現(xiàn)為萬有引力。

4 推論

基于r=5.67825rp處有較大的核斥力,考慮到在較小距離區(qū)間有強(qiáng)相互作用力,由球體積公式V=4πr3/3,5.678253=183,考慮到球狀核內(nèi)部的質(zhì)子填充和中子填充時(shí)的夸克膠子團(tuán)的存在,根據(jù)化學(xué)核外電子殼層分布規(guī)律,可以大膽推斷元素周期表的封頂號(hào)為9層電子殼層對(duì)應(yīng)的170號(hào)元素。

5 核力公式

核力F=km1m2(0.72rp-r)(3.2rp-r)/[r4e(3.2rp/r)],F＞0為斥力,F＜0為引力。

假設(shè)我們把兩個(gè)質(zhì)子從間距是2rp處移動(dòng)到無窮遠(yuǎn)處,把核力做功視為庫倫斥力做功。即r2)dr(k0是靜電力恒量)。而

故k0e2/(2rp)=0.0980102,這里k0=8.98755178799791×109Nm2/C2,e=1.60217648740×10-19C,mp=1.67262163783×10-27kg,代入數(shù)據(jù)解得k=4.2069008×1026Nm2/kg2。

6 四種基本相互作用的關(guān)聯(lián)關(guān)系

弱相互作用力和強(qiáng)相互作用力都是短程力,嚴(yán)格說來合稱核力。弱相互作用力作用范圍為0～0.5rp(rp=0.831×10-5m),為弱斥力。強(qiáng)相互作用力作用范圍主要是0.72rp～3.2rp,,為引力。在0.5rp～0.72rp以及3.2rp-25.6rp核力為斥力。廣義的核力被認(rèn)為作用到10-10m,其實(shí)已經(jīng)十分微小,早已可以被忽略掉。電磁相互作用力和萬有引力都是長(zhǎng)程力,一般認(rèn)為電磁力作用范圍是0.5×10-10m～∞,萬有引力作用范圍是10-6m～∞。電磁力表現(xiàn)為帶電物體、帶電粒子及電流與磁場(chǎng)之間,萬有引力表現(xiàn)為中性物體之間,從本質(zhì)上看萬有引力是極弱磁化后中性物體之間的電磁力的合力。

7 理論驗(yàn)證及應(yīng)用

7.1 理論驗(yàn)證

7.1.1 核聚變等離子態(tài)的高溫條件 假設(shè)我們把兩個(gè)質(zhì)子從間距是2rp處移動(dòng)到無窮遠(yuǎn)處,把核力做功視為庫倫斥力做功。即-r)(3.2rp-r)/[r4e(3.2rp/r)]dr=(e2/r2)dr(k0是靜電力恒量)。令該式子為△E=2×3/2KT(K是玻爾茲曼常數(shù),K=1.380650524×10-23J/K),即△E=k0e2/(2rp)=3KT,而k0=8.98755178799791×109Nm2/kg2,e=1.60217648740×109C,rp=0.831×10-15m,代入數(shù)據(jù)解得T=2.785×109K?？紤]到核力作用的有效范圍可以把上述溫度下降2-3個(gè)數(shù)量級(jí),輕核聚變?nèi)匀荒軌蛴行У匕l(fā)生。

7.1.2 輕核聚變的能量驗(yàn)證 氫彈核反應(yīng)的一般性方程式為+17.6MeV。17.6MeV=2.816×10-12J。我們用球體積公式V=4πr3/3,估算原子核半徑r的長(zhǎng)度系數(shù)21/3=1.26,31/3=1.44,41/3=1.59,11/3=1。

取積分限1.5～∞,簡(jiǎn)化核力y=f(x)的積分約為0.085,5個(gè)核子參與約為0.435,則△E=0.435=0.435×4.2069008×1026×(1.67262163783×10-27)2/(0.831×10-15)J=6.16×10-13J約等于前者的22%。如此看來核反應(yīng)中除核力做功以外,膠子介子參與,直接導(dǎo)致靜止質(zhì)量虧損是主要因素。

7.2 應(yīng)用

7.2.1 常溫超導(dǎo)材料原理研究 考慮核力為零的中間穩(wěn)定點(diǎn)r=3.2rp,用球體積公式V=4πr3/3估算原子核對(duì)應(yīng)的原子序數(shù)3.23=32.77,一般地我們認(rèn)為32號(hào)元素的鍺的核力為零,因此常溫超導(dǎo)材料的主體是鍺,可以適度摻雜銅鋅硒等微量元素。

7.2.2 宇宙大爆炸理論的否定 考慮核力公式F=km1m2(0.72rp-r)(3.2rp-r)/[r4e(3.2rp/r)]對(duì)應(yīng)的圖像,我們可以確定r→0,弱斥力F→0。所以距今約138億年前的從一個(gè)極小極高溫超高密度的奇點(diǎn)開始的宇宙大爆炸根本不存在,而宇宙觀察中的紅移實(shí)際上在于傳播過程中的能量的衰減,頻率減小,波長(zhǎng)變大出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。

8 核子精細(xì)結(jié)構(gòu)的確定

我們考慮到前面的若干假設(shè)中在不同力的公式中的k值有明顯的變化,且差距甚大。這充分說明我們的建模是不成功的。為了讓我們的建模更加貼近實(shí)際的情形,我提出以下的核子精細(xì)結(jié)構(gòu)模型。

我們假定在0～0.72rp區(qū)域是一個(gè)由膠子與核子內(nèi)三個(gè)夸克組成的一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的膠團(tuán),三個(gè)夸克在其中心區(qū)域在間距為0.43×10-18m的正三角形分布,它們與彌漫的膠子組成的膠團(tuán)在r=0.72rp的赤道處的自轉(zhuǎn)線速度為v,在0.72rp～rp區(qū)域存在單純的膠子層,且以恒定速率c球?qū)ΨQ分布環(huán)繞。

基于上述假設(shè)大幅度簡(jiǎn)化核子精細(xì)結(jié)構(gòu),極大地消除了大量不同力的公式的k值的巨大差距,也同時(shí)彌補(bǔ)了輕核聚變驗(yàn)證中存在的巨大能量相對(duì)誤差,這個(gè)相對(duì)誤差的消除可以解釋為在0.72rp～rp區(qū)域存在的膠子層參與了核反應(yīng)并出現(xiàn)質(zhì)量虧損現(xiàn)象。

對(duì)質(zhì)子半徑rp處的膠子F=kmpm(0.72rp-r)(3.2rp-r)/[r4e(3.2rp/r)]=mv2/r,而k=4.2069008×1026Nm2/kg2,r=rp=0.831×10-15m,mp=1.67262163783×10-27。代入數(shù)據(jù)解得v=9.40030684×107m/s。略為c/3。膠團(tuán)對(duì)應(yīng)的周期 T=2πrp/v=5.5544219×10-23s,轉(zhuǎn)速n=1/T=1.80036738×1022r/s。這個(gè)區(qū)域?qū)儆诮]場(chǎng)區(qū)域。在0.72rp～rp區(qū)域存在單純的膠子層,且以恒定速率c球?qū)ΨQ分布環(huán)繞,但是這個(gè)區(qū)域的膠子層的動(dòng)質(zhì)量較小,我們前面的計(jì)算中沒有考慮這部分的質(zhì)量貢獻(xiàn)。

9 展望

考慮到在研究過程的艱辛過程以及獲得我國(guó)幾個(gè)科學(xué)家的相繼幫助,我還是保留了科研過程的絕大部分全景內(nèi)容,即便少數(shù)部分內(nèi)容是錯(cuò)誤的我也保留下來了。我想這對(duì)于全球核科學(xué)家繼續(xù)深入精準(zhǔn)探究科學(xué)理論是有極大地幫助的。

我深信在全球理論物理學(xué)家的共同努力下,我們?cè)谕晟坪肆碚?推進(jìn)新物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)構(gòu)建中,必將迎來一輪新的理論革命,比如暗物質(zhì)就是膠子和黑洞光障區(qū)物質(zhì),因?yàn)樵诤俗永锩婺z子的質(zhì)量占比與宇宙中暗物質(zhì)暗能量的質(zhì)量占比相同。我們只有徹底破解了電子、夸克、介子和光子的定量轉(zhuǎn)化關(guān)系,才能更進(jìn)一步向暗物質(zhì)暗能量研究領(lǐng)域挺近。我為重構(gòu)基礎(chǔ)物理理論做出重大的推進(jìn)作用,繼而掀起新一輪的偉大的科技革命的浪潮。

在這里我感謝民科吧里的陳彼方、達(dá)瓦里希、木葉蝶等學(xué)者的大力幫助,謝謝您們!