關(guān)于宇宙大統(tǒng)一理論的猜想

龔國(guó)江

宜春學(xué)院土木系 江西 宜春336000

引言

真空中的電磁波的速度只取決于真空中的磁導(dǎo)率μ0 和介電常數(shù)ε0,這很讓人疑惑不解。如果從中發(fā)現(xiàn)電磁波也是介質(zhì)波,那么什么是電磁波的介質(zhì),它又具有怎樣的性質(zhì)?神秘的量子世界能從這里打開(kāi)嗎?

在物理理論上,引力始終無(wú)法統(tǒng)一到強(qiáng)力、弱力、電磁力中來(lái),原因可能是把引力當(dāng)成了另外的一種作用力。本文推測(cè)引力來(lái)源于電磁力,從而進(jìn)一步推測(cè)宇宙中只有一種電磁作用,別的作用都是電磁作用在不同條件下的表現(xiàn)形式,物質(zhì)形態(tài)和性質(zhì)的多樣性來(lái)自于電磁作用的組合方式的復(fù)雜多樣化。

通過(guò)電磁波介質(zhì)的引入和引力是電磁力的推測(cè),從原理和機(jī)制上,可以統(tǒng)一所有的作用力,解釋宇宙中物質(zhì)的起源、變化和轉(zhuǎn)化的過(guò)程,建立起從量子微觀到宇宙宏觀的緊密聯(lián)系

1 對(duì)電磁波速度的思考引發(fā)的推測(cè)

先來(lái)理解真空中的磁導(dǎo)率μ0 和介電常數(shù)ε0的本質(zhì)上的含義,因?yàn)樗鼈儧Q定了電磁波的速度。當(dāng)一個(gè)速度為v、帶電量為q的粒子在強(qiáng)度為H 的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),為了度量這粒子受到的電磁力大小,引入了磁導(dǎo)率μ0這個(gè)物理量。

式中,U 為波函數(shù)(下同),C0真空中光速,表明了真空中的電磁波速度只取決于真空中的磁導(dǎo)率μ0和介電常數(shù)ε0。

從表面上看,速度和兩個(gè)常數(shù)之間并沒(méi)有關(guān)系。如果我們把電磁場(chǎng)也看成是一種電磁作用對(duì)應(yīng)的一種物質(zhì)形態(tài),那么磁導(dǎo)率μ0 和介電常數(shù)ε0就決定了電磁場(chǎng)這種物質(zhì)中的相鄰點(diǎn)間的電磁相互作用力的大小。

類(lèi)比機(jī)械彈性波的波動(dòng)方程,見(jiàn)下面的公式(5)。決定機(jī)械波速度的是介質(zhì)內(nèi)部的相互作用力T 和介質(zhì)的密度ρ。機(jī)械波的一維自由振動(dòng)齊次方程:

式中,a2=T/ρ,其中T為介質(zhì)的張力,ρ為介質(zhì)的線密度。波動(dòng)方程中a就是波的傳播速度。電磁場(chǎng)(電磁場(chǎng)是一種物質(zhì))可以認(rèn)為其質(zhì)量密度是非常小的值,以至于電磁波的速度非常大。其實(shí),質(zhì)量也是物質(zhì)電磁作用力的表征物理量(參見(jiàn)下面的,對(duì)質(zhì)量和電荷的思考引發(fā)的推測(cè))。所以,決定電磁波傳播速度的只有電磁場(chǎng)內(nèi)部的相互作用力,并由磁導(dǎo)率μ0和介電常數(shù)ε0決定。

電磁波和機(jī)械波可以類(lèi)比,還需要解釋一個(gè)重要的問(wèn)題,兩者波動(dòng)方程的推導(dǎo)所用的原理是否相同或本質(zhì)相關(guān)。電磁波的波動(dòng)方程推導(dǎo)用的是麥克斯韋方程組,并且不考慮電流、電荷的存在的作用(物質(zhì)宏觀層面上),只考慮純電磁場(chǎng)作用(物質(zhì)微觀層面上)。麥克斯韋方程組描述的是電磁通量守恒、電磁相互作用和通量變化時(shí),電磁相互轉(zhuǎn)換。機(jī)械波的波動(dòng)方程推導(dǎo)用的是慣性力的概念(牛頓第二定律)建立的動(dòng)態(tài)平衡。那么,麥克斯韋方程組和慣性力有本質(zhì)關(guān)系嗎?答案是肯定的。從電磁作用的角度去分析,當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí),電、磁通量會(huì)發(fā)生變化,從而引起額外的電磁力來(lái)阻礙物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變,即表現(xiàn)為物質(zhì)的慣性力?；蛘哒f(shuō),牛頓第一、二定律就是麥克斯韋方程組在宏觀物質(zhì)上的一種體現(xiàn)形式。

由此可見(jiàn),電磁波和機(jī)械彈性介質(zhì)波本質(zhì)上并沒(méi)有多大不同。如果電磁波是交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)本身交替的向前傳播的,那么它的傳播速度為什么只取決于磁導(dǎo)率μ0 和介電常數(shù)ε0(這兩個(gè)常數(shù)是決定電磁場(chǎng)這種物質(zhì)內(nèi)部相互作用力的物理量)?這顯然說(shuō)不通!一種更合理的解釋是電磁波也是一種介質(zhì)波,這個(gè)介質(zhì)就是整個(gè)宇宙空間。只需要把宇宙空間也看成是一種物質(zhì)形態(tài),或者說(shuō)整個(gè)宇宙空間就是一種最微弱的電磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的物質(zhì)形態(tài),這是不是就是要尋找的暗物質(zhì)、暗能量?

所以電磁波會(huì)具有介質(zhì)波的所有特性,也就不需要用相對(duì)論去解釋光速問(wèn)題。相對(duì)論中把光速看成是光子的運(yùn)動(dòng)速度,并且讓光子的運(yùn)動(dòng)速度滿足光速不變(光速不變的原因是介質(zhì)波),這本身就是矛盾、荒謬的,導(dǎo)致了時(shí)空是交織、相對(duì)的錯(cuò)誤結(jié)論。

進(jìn)一步推測(cè),宇宙空間這種介質(zhì)本身可以運(yùn)動(dòng)變化(如旋轉(zhuǎn),自身壓縮、膨脹)和具有很多特殊的性質(zhì),并且可能也是在不斷振動(dòng),只是頻率趨向于無(wú)窮小,波長(zhǎng)趨向于無(wú)窮大。當(dāng)輸入能量激發(fā)它振動(dòng)在電磁波的頻率范圍時(shí),就是我們探測(cè)到的電磁波。當(dāng)它頻率繼續(xù)增大,或疊加上它自身的運(yùn)動(dòng)變化(如旋轉(zhuǎn)、直線運(yùn)動(dòng)、壓縮),它就可以變化成對(duì)應(yīng)的物質(zhì)基本粒子(如電子)。宇宙的整個(gè)秘密就藏在宇宙空間的這種介質(zhì)中。

所有的物質(zhì)都處在構(gòu)成自身的宇宙空間這種介質(zhì)中,并且相互聯(lián)系在一起。物質(zhì)能量會(huì)不斷損失的本質(zhì)原因,因?yàn)樗恼駝?dòng)頻率大于宇宙空間介質(zhì)的頻率,從而帶動(dòng)介質(zhì)的振動(dòng)加速,表現(xiàn)為電磁波輻射的形式。

根據(jù)電磁波的能量只與頻率有關(guān),推測(cè)宇宙空間介質(zhì)的性質(zhì)。振動(dòng)越快,對(duì)應(yīng)作用力越大,物質(zhì)聚集性明顯,表現(xiàn)出粒子性越明顯(攪拌的越快越濃稠)。振動(dòng)很慢時(shí),對(duì)應(yīng)作用力小,介質(zhì)是彌散的狀態(tài),波動(dòng)性明顯。這好像可以解釋光的波粒二象性和量子的不確定性原理。

再來(lái)理解原子結(jié)構(gòu)。物質(zhì)粒子的質(zhì)量越大,其內(nèi)部的介質(zhì)運(yùn)動(dòng)越快,作用力也越大。在小區(qū)域內(nèi),為了平衡粒子內(nèi)部的作用力,周?chē)獠拷橘|(zhì)也需要加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)的作用力,這就是原子核內(nèi)部的強(qiáng)相互作用的情況。隨著原子核外區(qū)域的增大,介質(zhì)的作用力大小只需分別平衡分散的電子作用力。這個(gè)區(qū)域的介質(zhì)振動(dòng)變慢,對(duì)應(yīng)的作用力變小,這就是原子的核外電子云區(qū)間的電磁力。再推測(cè)黑洞的情況,當(dāng)組成物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)的平衡系統(tǒng)破壞時(shí),周?chē)慕橘|(zhì)就會(huì)形成一個(gè)巨大的渦旋,來(lái)尋求新的平衡(相當(dāng)于一個(gè)巨大的原子核,周?chē)鷽](méi)有分散的電子來(lái)平衡),吸收和吞噬一切物質(zhì),即表現(xiàn)為黑洞。

最后說(shuō)一下弦理論,它的弦模型和我預(yù)言的宇宙空間這種物質(zhì)有許多契合的地方,相當(dāng)于是對(duì)宇宙空間這種介質(zhì)進(jìn)行精確的定量描述。但是,弦理論的問(wèn)題在于用了一個(gè)不準(zhǔn)確的弦模型來(lái)計(jì)算描述粒子和作用力,造成了過(guò)程的復(fù)雜化和結(jié)果的不理想。

2 對(duì)質(zhì)量和電荷的思考引發(fā)的推測(cè)

光子沒(méi)有質(zhì)量、電荷,電子有質(zhì)量、電荷。光子和電子之間可以相互轉(zhuǎn)換,一對(duì)正、負(fù)電子湮滅釋放出高能光子,反之也可以。這不意味著質(zhì)量和電是聯(lián)系在一起的么?原子有質(zhì)量也帶有正、負(fù)電荷,只是整體不對(duì)外表現(xiàn)出電性。

質(zhì)量引力公式F=G(M1×M2)/R2和電荷庫(kù)侖公式F=K(Q1×Q2)/R2,是如此的相似,像是在暗示他們之間的關(guān)系。引力的大小在數(shù)量級(jí)上只是電磁力的1/1038,推測(cè)由于某些原因(比如:引力使物體距離變小、斥力使距離變大的趨勢(shì);或者原子核外電子的運(yùn)動(dòng)位置的變化),使電磁力中的引力占了點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。斥力和引力最后的合力就表現(xiàn)為引力,也就是說(shuō)萬(wàn)有引力源于電磁力。原子結(jié)構(gòu)和星系結(jié)構(gòu)也是如此的相似,好像又在告訴我們,引力就是電磁力。

萬(wàn)有引力是電磁力的引力和斥力的合成的猜想,可以很好的解釋萬(wàn)有引力做功問(wèn)題。當(dāng)物體落向地面的過(guò)程中,萬(wàn)有引力做功,值卻在增大。這是因?yàn)楫?dāng)距離在減小時(shí),電磁力中的引力的優(yōu)勢(shì)在增大,所以萬(wàn)有引力做功了,值卻可以增大。當(dāng)物體遠(yuǎn)離地球時(shí),克服萬(wàn)有引力做功,值卻在減小。這是因?yàn)楫?dāng)距離在增大時(shí),電磁力中的引力的優(yōu)勢(shì)在減小。本質(zhì)原因是物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電磁作用在變化調(diào)整。

通過(guò)引力公式,我們反過(guò)來(lái)理解質(zhì)量,則質(zhì)量的大小表現(xiàn)為受到引力大小的程度。既然引力源于電磁力的某種轉(zhuǎn)換,則物質(zhì)的質(zhì)量會(huì)受電磁作用力的影響而改變。帶有電荷的物質(zhì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流、磁場(chǎng),磁場(chǎng)的作用總是阻礙物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變,使質(zhì)量表現(xiàn)出慣性(注意:所有的物質(zhì)都處在構(gòu)成自身的宇宙空間這種介質(zhì)中,相互聯(lián)系在一起,且介質(zhì)本身也是電磁場(chǎng))。

物質(zhì)的質(zhì)量會(huì)隨速度改變的解釋。實(shí)質(zhì)的原因是物質(zhì)的速度改變會(huì)引起電磁力的變化,引力也要隨之改變,導(dǎo)致質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化。速度越大,電磁作用就越大,則物質(zhì)表現(xiàn)出加速越難。質(zhì)量會(huì)隨速度改變,這本身就說(shuō)明了質(zhì)量并不是物質(zhì)最本質(zhì)的屬性。

質(zhì)量和能量關(guān)系的解釋。能量是描述物質(zhì)的內(nèi)部、外部的作用力發(fā)生變化、轉(zhuǎn)換時(shí),對(duì)應(yīng)的效應(yīng)(做功)的物理量。具體說(shuō),化學(xué)反應(yīng)的能量是原子結(jié)構(gòu)間的新、舊化學(xué)鍵的變換,引起原子結(jié)構(gòu)的外層電子變化,發(fā)生了作用力的改變時(shí)對(duì)應(yīng)的能量。核反應(yīng)(裂變和聚變)是原子中的原子核結(jié)構(gòu)的改變,引起原子結(jié)構(gòu)大的變化,發(fā)生了作用力的大改變而釋放的能量。只是后者的作用力改變大,能量釋放量大,以至能觀測(cè)到質(zhì)量的變化。既然認(rèn)為質(zhì)量的大小受電磁作用力的影響,那么質(zhì)量當(dāng)然也可以通過(guò)變化轉(zhuǎn)換作用力的形式并釋放出對(duì)應(yīng)的能量。

能量守恒的解釋。系統(tǒng)不管處于何種狀態(tài)下,理論上都可以歸回到一個(gè)最本質(zhì)的狀態(tài),只有一個(gè)本質(zhì)的作用力,對(duì)應(yīng)著一個(gè)確定的效應(yīng)功W(能量)。這個(gè)本質(zhì)的作用力中間不管怎么變身為不同表現(xiàn)形式的作用力,最終回到本質(zhì)狀態(tài)時(shí),其作用力和效應(yīng)功W仍然一樣(見(jiàn)后面宇宙系統(tǒng)的分析)。這樣,能量守恒是必然的。

時(shí)間隨速度增大變慢的解釋,當(dāng)物質(zhì)的速度增大時(shí),電磁力會(huì)隨之增大,增大的電磁力會(huì)使原子共振頻率變慢,則表現(xiàn)為時(shí)間變慢。

電、磁的相互變換及耦合作用,無(wú)窮疊加的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、分布的復(fù)雜性及它們之間的復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。物質(zhì)都處在構(gòu)成自身的宇宙空間這種介質(zhì)中,并且相互聯(lián)系在一起。這些因素的共同影響作用,就是上述分析的現(xiàn)象關(guān)系的本質(zhì)原因。

進(jìn)一步推測(cè),強(qiáng)相互作用是電荷或電流的電磁作用限制在核子尺度范圍上的表現(xiàn)形式;當(dāng)尺度范圍大于原子半徑時(shí),就是我們熟知的電磁作用;當(dāng)電磁作用的尺度范圍大到某個(gè)值后(比如無(wú)窮大時(shí)),則表現(xiàn)為電磁波的形式。弱作用只是強(qiáng)作用下的一種作用的變化轉(zhuǎn)換。宇宙中只有一種作用,即電磁作用。

電磁作用有各種不同形式的組合方式,體現(xiàn)出不同物質(zhì)的形態(tài)和性質(zhì)。宇宙空間是最小的電磁作用和對(duì)應(yīng)的物質(zhì)形態(tài),電磁波是它的介質(zhì)波,具有光速和光速不變性。元素周期表是在原子結(jié)構(gòu)形式和尺度下,電磁作用的組合規(guī)律。電子對(duì)撞機(jī)撞出的各種粒子是比原子尺度更小的不同情況的電磁作用對(duì)應(yīng)的物質(zhì)形態(tài)。這些粒子里面有少數(shù)是基本粒子(如電子),基本粒子是由宇宙空間介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)變化直接產(chǎn)生的。像元素周期表那樣,也想尋找出規(guī)律,便是還在努力中的大統(tǒng)一的粒子標(biāo)準(zhǔn)模型。從理論上說(shuō),電磁作用的組合方式是無(wú)窮多的,粒子的種類(lèi)也無(wú)窮多的,但基本粒子的數(shù)量可能是確定的。

電磁作用可以在不同的作用組合之間(物質(zhì)和物質(zhì)之間)變化轉(zhuǎn)換,這涵蓋了經(jīng)典牛頓力學(xué)上的功能原理。電磁作用組合方式的改變會(huì)產(chǎn)生出不同的物質(zhì)形態(tài)和對(duì)應(yīng)的能量,比如前面說(shuō)到的化學(xué)反應(yīng)和核反應(yīng)。物質(zhì)與物質(zhì)都可以相互轉(zhuǎn)化,包括粒子物質(zhì)和宇宙空間這種物質(zhì)可以相互轉(zhuǎn)化。對(duì)于有限的空間來(lái)說(shuō)(比如太陽(yáng)系),能量主要存貯在物質(zhì)的粒子結(jié)構(gòu)中;對(duì)于廣袤的整個(gè)宇宙來(lái)說(shuō),宇宙空間這種物質(zhì)存貯的能量會(huì)占據(jù)更大的份額。

最后推想一下,宇宙這個(gè)大系統(tǒng)的兩種極端情況。當(dāng)所有的作用都表現(xiàn)為宇宙空間的澎湃振動(dòng)時(shí)(電磁波),很像神話傳說(shuō)中的盤(pán)古開(kāi)天地的情形。當(dāng)所有的作用都表現(xiàn)為強(qiáng)相互作用時(shí),像是宇宙大爆炸理論中的起始點(diǎn)。

原子核外電子的運(yùn)動(dòng)位置變化對(duì)庫(kù)侖合力的影響分析:

圖1 氫原子的核外電子不同位置時(shí)的庫(kù)侖力Fig.1 The Coulomb force at different positions of the exonuclear electrons of the hydrogen atom

在(4)式中,當(dāng)n取值大于2.5 時(shí),庫(kù)倫力合力大于零,表現(xiàn)為引力。隨著n的增大,引力F減小,并最終趨向于0。

由前面4個(gè)式子可知,單個(gè)原子時(shí),電子在不同位置時(shí),兩個(gè)氫原子之間表現(xiàn)出引力或斥力。由但當(dāng)物質(zhì)多原子疊加作用時(shí),則表現(xiàn)為引力。

雖然這里只分析了氫原子的電子在特殊情況位置的情況,如果假定電子繞原子核運(yùn)動(dòng)時(shí),不能承受切向的作用力,只能承擔(dān)徑向的作用力。即電子在切向運(yùn)動(dòng)是自由的,則上述分析包含了氫原子的電子在所有位置的情況。也推廣應(yīng)用到各種元素構(gòu)成的物質(zhì),因?yàn)樵拥碾娮釉贫际菍?duì)稱(chēng)的。電子繞核運(yùn)動(dòng)時(shí),即使考慮切向可以受很小的力。當(dāng)兩個(gè)電荷表現(xiàn)為引力的時(shí)候,電子有靠近的趨勢(shì),距離會(huì)有縮小;表現(xiàn)為斥力時(shí),電子有遠(yuǎn)離的趨勢(shì),距離會(huì)有增大。這樣會(huì)使電子保持在對(duì)引力有利的位置上,或者說(shuō)在這些位置上的概率更大。

當(dāng)兩個(gè)原子有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生電流、磁場(chǎng),以及多原子相互作用的情況。更復(fù)雜的電磁相互影響作用的計(jì)算分析,有待進(jìn)一步探討。

3 結(jié)論

3.1 宇宙空間這種物質(zhì)是最微弱的電磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的物質(zhì)形態(tài),電磁波是宇宙空間的介質(zhì)波。

3.2 所有的物質(zhì)都處在構(gòu)成自身的宇宙空間這種介質(zhì)中,并且相互聯(lián)系在一起。量子效應(yīng)和宇宙黑洞現(xiàn)象跟這種介質(zhì)有關(guān)系。

3.3 強(qiáng)相互作用、弱相互作用都是電磁作用在不情況下的表現(xiàn)形式。

3.4 萬(wàn)有引力源于電磁作用力,質(zhì)量是電磁作用的一個(gè)表征物理量。質(zhì)量慣性、質(zhì)速關(guān)系和質(zhì)能關(guān)系的本質(zhì)都是物質(zhì)的內(nèi)部和外部電磁作用的變化改變及轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

3.5 物質(zhì)的基本粒子是由宇宙空間介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)變化直接產(chǎn)生的,宇宙萬(wàn)物都是不同的電磁作用及組合的表現(xiàn)形態(tài),也可以看成是無(wú)窮的基本粒子的疊加組合。

3.6 物質(zhì)和物質(zhì)之間都可以相互轉(zhuǎn)化,包括粒子物質(zhì)和宇宙空間物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化。宇宙全部能量存貯在粒子物質(zhì)和宇宙空間這種物質(zhì)中,在有限的粒子組成的物質(zhì)空間中,能量主要存貯在物質(zhì)的粒子結(jié)構(gòu)中;在廣袤的宇宙中,宇宙空間這種物質(zhì)存貯的能量占據(jù)更大的份額。