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第5章 自然系统的相互作用中国 广西 北海 广西274地质队勘查院 黄国有1 场论的发展为了解释物质之间的相互作用现象，牛顿首先引入万有引力的概念，认为宇宙万物之间普遍存在一种引力。他用引力描述天体的运动规律，建立了经典动力学理论体系。同样的概念被引入粒子之间的相互作用。为了解释电荷之间的引力或斥力现象，法拉第首先引入场的概念，认为电荷通过电场对别的电荷产生库仑力作用。后来人们认为，物质之间的相互作用都是由相应的场产生的。如磁铁周围存在磁场，磁铁通过磁场对其它磁性物质产生磁力作用。物理学家们用“场”描述粒子运动规律，建立了电动力学、量子力学和量子场论的物理学体系。按经典的场理论，物质之间的相互作用有四种类型：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和万有引力相互作用。四种相互作用的差别很大，核力很强，万有引力很弱，两者之间相差几十个数量级。强作用和弱作用距离很短，约10-17m左右，几乎是一种直接作用。万有引力作用距离很远，几乎达到宇宙的每一个角落。场的本质及其统一问题一直是物理学家关心的最重要的问题，也是物理学的基本问题。二十世纪初期，爱因斯坦研究过电磁力和万有引力的统一，但没有成功。海森堡也曾致力于各种场的统一性研究，也没有结果。六十年代，格拉肖、温伯格等人在杨振宁-密尔斯规范场论的基础上建立了弱电统一理论，试图把弱作用和电磁作用统一在一个理论的框架里。1974年，格拉肖和乔奇提出“大统一场”的概念，试图把强作用与弱电作用统一起来。一些物理学家正在偿试将万有引力统一到这种规范场理论的框架中，企图建立“超大统一场”理论，但没有成功。获得大量实验支持的是一种被称为“标准模型”的理论，它将电磁、强、弱三种作用统一在一个框架下。在该模型中，电子、介子、中微子和夸克构成物质，它们通过上述力产生相互作用，但传递力的是其它粒子，如光子和最近发现的W和Z波色子以及胶子。标准模型计算给出的结果与实验结果吻合得非常令人满意。从1979年至今，在这一领域获诺贝尔奖的人达十几人之多，如提出弱电统一理论的格拉肖、萨拉姆和温伯格，在实验中发现 W和Z粒子的卢比亚（Carlo Rubbia） 和万米尔（Simon van der Meer）。在数学上阐明这一理论的霍夫特（Gerardus tHooft）和魏尔特玛（Martinus Veltma）也在1999年荣获这种特殊的荣誉。然而，标准模型理论还是不完善的，它无法解释自然界最基本的万有引力。即使引力被认为是由于交换引力子产生，也没有人能将万有引力统一到这一框架里。从某种意义上说，近年来发展起来的弦理论也属于一种粒子场理论。它假设宇宙时空中有一种如乐弦一样的纤维状的最基本的东西，宇宙所有物质都是由它组成的。象乐弦的每一种不同的振动产生特定的音符一样，时空弦的每一种振动模式产生一种质点状的基本粒子。至此，牛顿梦想的“上帝第一推动力”再一次出现在弦理论中，不同的只是，在牛顿看来，上帝的推动力使天体开始运行，在弦学家看来，上帝的推动力使粒子开始运行。最新的超弦理论试图把在数学上完全不兼容的量子力学和广义相对论统一到一个框架里，其目的是想把万有引力统一到弱电统一理论体系中。为此目的，它修改人们对时空和万有引力的认识，认为时空可以进行剧烈的结构重组使时空弦破碎然后重新组合。它的主要应用领域是黑洞等并没有获得实验验证的领域，即将广义相对论应用到普朗克长度(10-35m)的时候寻求其与量子力学的统一。目前实验室能达到的微观尺度仅为10-18m，可见它能被抄作的空间是很大的。当然，它也可能发展成为一套数学上完全自洽的理论体系，但沿着这种思路发展下去不可能获得物质世界的真实图景。人们往往趋向于认为一个统一场理论应该是能解释各种不同粒子和力的一个优美的数学框架。现在流行的量子场论就是建立在对称变换群数学模型基础上的，它们并没有可靠的物理学原理作为基础，它们必须引入“规范场”和“规范粒子”，认为物质通过规范粒子的交换引起新的相互作用，即规范相互作用。无论是弱电统一理论还是量子色动力学（QCD），虽然它们在理论上似乎完美无缺，但它们赖以成立的规范粒子，如弱电统一理论中Higgs粒子一直没能在实验室找到。另外，质子寿命的下限已被IMB-3探测器精确地定为年，这已与现有的“标准模型”相矛盾。实际上，现有的场理论都是远离物质规律的数学模型，一般人要去领会它们，或者要过实验去验证它们似乎都是不可能的事情。譬如爱因斯坦于1916年建立的广义相对论这种神秘的引力理论，在近一个世纪过去的今天仍然没有多少人领会它的真实含义，相反，广义相对论的错误似乎逐渐为人们所觉察。真正的统一场论理论框架必须能够自然而合理地解释自然界所有的力和基本粒子的特征，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。而现在的标准模型只能用现成的实验测定数据对场和基本粒子进行综合和分类，这样做充其量也只是建立了一个基本粒子的“元素周期表”，离统一场的梦想还十分遥远。实际上，场不过只是人们为了解释自然界的相互作用现象而引入的一种概念。尽管绝大多数物理学家都认为场是一种特殊的物质形态，但是，直到现在，还没有任何实验能证明场是一种客观物质存在。在进一步确认场是否存在之前，谈论场的统一问题不过只是谈论“屠龙术”一类的东西。没有龙，屠龙术再好也是子虚乌有。2 场不过是“麦克斯韦妖”回顾物理学发展的漫长历史，我们发现人类在认识自然规律的道路上一直遵循这样的思维模式：当新的不能解释的现象出现的时候，人们倾向于首先假设自然界存在某种未知的东西，然后开始用这种可能并不存在的东西去解释新的物质现象。从上古时代的物素到近代的燃素、从万有引力到库仑力、从电场到磁场、从电荷到磁荷、从量子到光子、从以太到暗物质、从规范场到规范粒子、从黑洞到空间弦都是这种思维模式的产物。历史发展证明，这一认知方式在科学的发展上起着非常重要的作用，它往往带动相关的实验技术和科学技术的发展。但是，历史一次又一次地证明，当我们的认识水平上升到一定高度的时候，许多人们原来设想的可以解释某些现象的东西根本不存在。燃素不存在了，燃烧被证明是物质与氧气发生的化学反应；以太不存在了，光独立地在空间中存在和传播；磁场不存在了，它被证明归属于电现象。然而，一种被证明不存在的陈旧的东西往往会被另外几种可能也不存在的、时髦的东西所取代，这使人们一次又一次地进入茫然。人们往往忽略这样一个问题：在每一种假设的前提下人们都可以用数学方法建立起一套自我完善的、自洽的理论体系，致使人们很难去辨别这些理论的正确性。物理学理论发展到今天，它离现实的世界越来越远了，许多新的物理学理论只能被当作新的神学来传播，如爱因斯坦的广义相对论、现代的超弦理论和膜理论等。之所以会出现这种现象，是因为人们不尊重物质的客观规律，过于崇拜一些主观的所谓完美的数学模型。实际上，在一种物理理论中，物质的物理规律，或者说物理学原理才是主要的，数学模型终究是方法论的范畴。我们首先应该从物质的本质规律上而不是数学模型上实现各种相互作用的统一。我坚信，物质规律是和谐的、简明的、统一的。宇宙是唯一的造物主、是唯一的神秘力量的创造者。宇宙中根本不存在什么人类无法认知的特殊物质形态。没有质的量和没有量的质在自然界中是不存在的，它们只存在于人的意识形态中。由一种物质超越空间距离施加给另一物质的引力和斥力（包括万有引力、库仑力和核力）都是不存在的。自然界所有的相互作用都必须通过物质的直接作用才能产生。哪怕是人的心理作用也是通过物质的直接作用才得以实现的。譬如有一天你不顺心的时候，看见两个同事在办公室窃窃私语，你会以为他们是在私下谈你的不是之处，因而对他们产生忿恨，直至你心情不好，到处乱扔东西。这是一种心理作用过程，它通过光和声波的物质传递，作用于你的眼和耳，然后，通过神经系统的物质传递作用于你的大脑，再通过大脑这种思维器官作用产生误解信息并发出指令，通过神经系统的传递让你生气，让你乱扔东西。单从表面上看，似乎那两个同事有一股神秘的力作用在你身上，让你生气、扔东西。但这种超越时空直接作用在你身上的力是不存在的。但通过物质传递的一系列相互作用却是实实在在地存在的。那两个同事不过是导致这一切作用的外部因素。这种复杂的相互作用只有通过结构和功能复杂的物质作用才有可能产生。万有引力和库仑力等朴素的自然作用是不存在这种复杂的物质作用过程的。人们设想存在“场”这种特殊物质状态，物质通过“场”实现“你拉我、我拉你”的引力，这其实不过是“韦克斯韦妖”的另一版本。那么，自然界的四种力是怎样产生的呢？现代物理学中“场”的本质是什么呢？这个问题当然只有从引力产生的具体过程中寻找答案。相互作用可以使粒子发生改变，高能反应中，我们常常可以看到粒子质量增加或损失的现象，常常看到一个粒子在相互作用中分裂为几个粒子，也看到粒子衰变或发生堙灭而“消失”的过程。这些现象说明，粒子在相互作用过程中能从周围空间吸收物质，也能把自身的物质辐射到周围的环境中去。可见，物质之间的相互作用是通过物质的变化和运动引起的，这种变化和运动发生在粒子与空间中的物质基元建立的平衡体系之中，这便是物质的衰变。人们一直认为能量可以转变成物质，物质也可以转变为能量，高能反应中粒子增加的质量被认为是由能量转化来的。粒子在高能反应中损失的质量也被认为是变成了能量。但能量不过是表示物质相对运动关系中的一种物理量，它与力一样只是研究物质运动的一种方法，它们是一种定义而不是游离于物质而独立存在的客观实在体。离开了物质（有物质就有质量）去谈论能量是没有意义的。物质质量的增加和亏损都是物质形态发生变化的结果。可见，相互作用是由物质本质的变化引起的。场只是一种虚构，是物质相互作用规律的矢量描述。是物质衰变-逆衰变动量平衡对称性破缺引起的加速度在空间上的矢量反映，是衰变-逆衰变动量对称性破缺规律在坐标上的数学描述。不过，包括电磁力在内的万有电磁力涉及到系统的内部结构和物质运动的变化，要在方程中直接反映出这种物质的内部结构是不可能的，在用统一的方程描述电磁规律时也许必须人为地引入电场、磁场、电荷、磁荷和色荷等物理概念，但这并不能表明自然界真的存在电荷和磁荷这种特殊的物质。严格地说，除了物质(质量)、运动(平动和自旋)和变化(衰变)是客观存在之外，场、电荷和磁荷等都不是客观实在的物质形态。场的概念首先是为了解释引力产生的原因而作为假设引入的，后来在描述物理规律时把场赋予了数学意义。万有引力是由物质的动量变化引起的惯性力，所以物质周围并没有引力场这种物质。库仑力是由于角动量变化引起的动量变化，自旋粒子中没有电荷这种物质形态，粒子周围也没有电磁场这种特殊的物质。流体中的旋涡、旋转的陀螺、地球、太阳和星系之间都存在库仑力的作用，都表现出电荷属性。所以，电荷和电场都不是客观实在体。磁力是自旋系统中由于运动（动量）引起角动量变化而表现出来的惯性力，客观上既没有磁荷，也没有磁场这种物质形态。电荷和磁荷不是一种独立存在的物质形态，它们只是自旋系统之间相互作用关系的一种量度，是微观粒子角动量量子化的结果。只要存在并且只有存在自旋就存在电荷和磁荷，任何自旋系统都表现出电荷和磁荷属性，它们之间都表现出万有电磁力的作用。所有的场都是对某一物理现象的空间分布规律的主观理解或数学描述。3 衰变辐射是引力产生的根源基本粒子的衰变现象暗示了基本粒子具有更复杂的细微结构。容易理解，引起万有引力的衰变是自然界最基本的衰变，我们把这种衰变称为质磁衰变。引力衰变辐射的粒子是自然界最基本的物质结构单元，我们把这种最基本的物质结构单元称为质磁子。我们观测到的所有基本粒子归根到底都是由这种粒子组成的。质磁衰变是引发其它衰变的根本原因，是质磁衰变进行到一定程度时引发了基本粒子的其它衰变反应。基本粒子的寿命直接与质磁衰变-逆衰变平衡有关。如果衰变速度和逆衰变速度大致相等，基本粒子就十分稳定，如果逆衰变的速度大于衰变的速度，基本粒子不仅不会衰变掉，而且会生长分蘖，最后产生新的粒子。我们在高能反应中观测到了很多新粒子产生的过程，这些粒子的产生就是基于这一衰变-逆衰变反应的。如果衰变速度大于逆衰变速度，衰变平衡很快被打破，基本粒子就会衰变成别的粒子。基本粒子的寿命主要取决于它的质磁衰变平衡，当物质之间的相互作用导致衰变动态平衡发生改变时，基本粒子的寿命便会发生相应的改变。从万有引力与电磁力的相对强度分析，质磁子是一种质量非常小的微粒，估计质磁子的质量约为量级。由于数目非常巨大，物质系统衰变辐射的质磁子在空间的分布呈各向同性。系统的衰变辐射强度用它辐射的质磁子的密度来表示。根据高斯定律，系统空间某点的质磁衰变辐射强度与系统的质量成正比，与该点到系统中心距离的平方成反比。物质的逆衰变吸收强度则与物质的质量和它所处空间点上的质磁子的数密度成有关，与物质的存在状态无关。除了逆衰变吸收需要之外，质量如此微小的质磁子可以完全自由地通过任何物质而不与它们发生相互作用（包括碰撞），这是我们处在地球的质磁衰变辐射中而无法感觉到这种辐射存在的根本原因。质磁子的这一特征也使它的波动传播形成的光波表现出与声波不同的特征。这样，引力现象以及它们表现出的各种特征就可以通过质磁衰变平衡获得很好的解释。粒子之间通过质磁衰变平衡移动而吸收或辐射质磁波子产生引力的相互作用。在孤立粒子的情况下，粒子衰变辐射和逆衰变吸收具有各向同性，它们在任一方向上发生的几率都是一样的。另一个粒子的出现会打破这种各向同性，因为这个粒子的质磁衰变辐射使原来孤立的粒子所在空间的质磁子密度增大，导致了该粒子的衰变平衡向吸收方向移动，这就间接地对该粒子产生了相互作用。从原子核和基本粒子的衰变中我们知道这样一个最简单的事实：单个基本粒子的寿命一般很短，它们很快就会衰变掉。单个镭原子或有限镭原子单独存在时，它们一般也会很快衰变掉，但大量的镭原子一起存在时，镭原子的衰变则按一定的速度进行。镭的半衰期描述了镭原子衰变的这一统计规律。这一现象说明，在镭原子衰变辐射a粒子的同时，镭衰变生成的氡原子也能在镭的衰变辐射场中吸收a粒子而发生逆衰变过程。镭的逆衰变可以通过具体实验来检测到：把大量纯氡原子存放在一个密闭容器中，给容器放置在a粒子辐射场中，人工产生氡吸收a粒子转变成镭原子的条件，容器中的部分氡原子将吸收a粒子而转变成镭原子。我们通过检测容器中是否有镭原子存在就可以证实镭逆衰变过程是否发生。这一过程表示如下： （4.1）镭的衰变是一种可逆过程。在大量镭原子存在的条件下，对每一个具体的反应条件，可逆反应（4.1）保持动态平衡，这就是衰变平衡。这时，镭原子的衰变辐射和氡原子的逆衰变吸收按照一定的速度进行。譬如，在一定条件下，镭的逆衰变反应速度可以用下式表示： （4.2）和分别是氡原子和a粒子的数密度。镭的逆衰变速度只与氡原子数有关，与氡的存在状态无关。称为逆衰变速度常数。如果将一定数量的镭盐分成A、B两份，分别放置在一定距离的真空中，保证a粒子在这一距离范围内不发生衰变，这两份镭盐组成了一个特定的相互作用系统。（4.1）式所示的逆衰变反应除了发生在镭盐内部之外，也发生在两份镭盐之间。这时，A组份中的氡原子能从B组份的a粒子辐射场中吸收a粒子而发生逆衰变过程。B份中的氡原子也能从A组份的a辐射场中吸收a粒子而发生逆衰变过程。这样，组份A和组份B之间通过a粒子的吸收产生了一种特定的相互作用。显然，这种相互作用的强度与A、B组份的质量（原子的数量）和a粒子的特征有关。物质的质磁衰变也是按照这一规律进行的。物质在发生质磁衰变辐射的同时也发生逆衰变吸收过程。在一定的条件下，物质的质磁衰变辐射和逆衰变吸收保特动态平衡状态。物质通过质磁辐射和逆衰变吸收产生了引力相互作用。如图3.1所示，物质系统孤立存在时，系统物质的质磁衰变辐射和逆衰变吸收在各方向上都是相同的，物质衰变辐射的动量保特动态平衡状态，系统没有表现出任何受力的作用。图3.1。独立的物质系统如果将一个物质系统置于另一个物质系统的衰变辐射场中，另一个系统必定也处于它的衰变辐射场中。另一个系统的存在使系统空间的质磁子密度的各向同性被打破，两系统连线方向上的质磁子密度增大，这时，系统物质在两系统的连线方向上吸收的质磁子比它在其它方向上吸收的多。同时，系统物质沿这一方向的辐射也会因为质磁子密度的增大而减弱。这种定向吸收的增强和辐射的减弱打破了衰变动量的各向同性，因而，系统在这一方向上产生了一个加速度，表现出了受力的作用。从表面上看，好象两系统之间存在某种引力一样。这便是传统概念下的万有引力。(图3.2)图3.2引力的产生过程应该特别注意的是，系统在对方衰变场中产生的引力并不是作用力和反作用力的关系，因为引力来源于系统自身物质的质磁衰变辐射，力的平衡是分别建立在系统物质内部微观基元之上的，它与别的系统没有任何直接的联系。从宏观的角度上看，引力是系统物质衰变动量平衡破缺而产生的加速度在质点上的反映。象惯性力一样，引力是用牛顿第二定律来描述的。由此可见，引力质量实际上是惯性质量，引力质量和惯性质量等效的原因获得了彻底的阐明。引力不是别的物体施加的外力，两物体之间的引力并不是作用力和反作用力的关系，它们不遵循牛顿第三定律。根据衰变反应普遍存在的事实，引力的衰变模型假定自然界存在一种最基本的衰变反应，这是合理的。物质的衰变引起包括引力和磁力在内的相互作用，这是我把它称作质磁衰变并把衰变辐射的微粒称为质磁子的原因。从原理上来说，物质似乎可以无限可分，但自然界肯定存在一种最基本的物质组成单元，我们把它称为质磁子。这种处理方法与弦理论假设的空间弦有些相似，但质磁衰变和质磁子的假设是以实验事实和物理规律作为依据的。但从目前的实验事实来说，在实验中发现的最小的衰变单元是中微子，这使人们自然联想到质磁子是不是中微子的问题。如果质磁子是中微子，则万有引力就是物质系统弱作用的宏观体现，这是否能解释清楚引力的特征有待进一步探讨。有人设想，空间中充满着中微子一类的微粒或介质，引力可能是由这种微粒或介质碰撞产生的非对称压力。这种思路的主线索是，另一物体的出现阻挡了中微子之类的粒子流，使物体在这一方向上受到的压力减少而表现出引力，作为力的产生机理，这一假设也是成立的，但它无法完满地解释引力的反比平方规律。衰变模型则能很好地解释引力的平方反比规律。4 自旋是电磁力产生的根源与衰变一样，粒子的自旋运动也是普遍存在的，粒子的自旋运动使它们在辐射和吸收自旋的质磁子时导致了粒子角动量的变化而产生了电磁力。与只有平动的粒子相比，自旋的粒子多了自旋动能。自旋粒子与平动粒子之间除了引力相互作用之外，还存在磁力相互作用，自旋粒子与自旋粒子之间除了引力和磁力相互作用之外，还存在库仑力相互作用。自旋的物质系统。我们知道，动量守恒和角动量守恒是自然界的普遍规则。从独立的物质系统（宇观系统）来看，系统的动量和角动量为零，即：所以，独立的物质系统（包括实粒子和它们衰变辐射的质磁子）的自旋效果示意图如下：图41将系统的实粒子部分与它辐射的质磁子部分区分开，则处于系统中心的实粒子部分的自旋方向与辐射的质磁子的自旋方向相反（如图4-2）图4-2根据角动量规则，在同一系统中，正反旋的实粒子总是成对出现的，这就是正反电荷（如下图所示）。由于角动量守恒的原因，自旋的粒子在衰变-逆衰变过程中发射一个正自旋的粒子时必须吸收一个反自旋的粒子，以保持系统的角动量保持不变。若把正电荷辐射的粒子的角动量设为正的，则负电荷辐射的粒子的角动量是负的。正电荷辐射正自旋的粒子而吸收负自旋的粒子，负电荷辐射负自旋的粒子而吸收正自旋的粒子。图4-3独立存在时的正负电荷当自旋粒子独立存在的时候，自旋粒子对正反旋粒子的吸收和辐射均呈各向同性，但当把一个自旋粒子放置在另一个自旋粒子的空间附近时，空间中正反旋粒子的分布的各向同性被打破，根据不同的自旋粒子而表现为引力或斥力。当同种自旋粒子（电荷）相遇时，由于它们衰变辐射的是自旋相同的粒子，在它们连线的空间范围内，反自旋粒子浓度降低，逆衰变的吸收反应减弱，而在其它方向的吸收就相应地增强。从总效果来看，相当于自旋粒子在它们连线方向上出现剩余辐射，自旋粒子的动量平衡被打破，于是它们获得了一个彼此分离的斥力。如下所示：图4-4相互作用的同种电荷图4-5 同种电荷相互作用等效图当不同种自旋粒子（电荷）相遇时，由于它们辐射的是彼此逆衰变过程所吸收的反自旋的粒子，在它们的连线方向上，反自旋粒子的浓度增加，自旋粒子在这一方向上的逆衰变吸收增强。从总的效果来看，自旋粒子在连线的反方向上存在剩余的辐射，自旋粒子的动量被打破，因而它们获得了一个相向运动的引力。如下图所示：图4-6相互作用的异种荷图4-7异种电荷相互作用等效图可见，粒子的自旋使粒子表明出正负电荷的特征，产生同性电荷相斥、异性电荷吸引的库仑力。5 引力的基本方程物质之间的引力的强度取决于物质对质磁子的吸收强度和质磁子的辐射速度。物质对质磁子的吸收强度用物质单位时间内定向吸收的质磁子的质量来表示。同时可考虑自旋的情形，物质之间的引力力可以用下列的牛顿第二定律描述： (5.1)（5.1）式是物质相互作用的基本方程，式中负号表示力的方向与吸收方向相反。6 引力的特征(1)引力的内因性物质之间的相互作用引力（包括斥力）产生于物质自身的运动和变化，这便是引力的内因性。物质之间的引力遵循内因与外因之间的辩证关系，质磁子密度等外部环境的变化只是引起引力的外部因素，自身物质的衰变平衡的移动导致的动量变化才是引起引力的内部因素，引力的平衡不是建立在相互作用的两个物体之间，而是分别建立在两个相互作用的物体之上。只要物质定向地吸收其逆衰变过程所需要的质磁子，它就可以获得一种由自身物质衰变辐射产生的加速度，表现出受力的作用。它们不需要“标准模型理论”假设的Higgs粒子或其它所谓规范粒子的存在。例如，某个人被高压电吸引过去，并不是高压电对人体有引力作用，而是人体物质定向地吸收了高压电场辐射的场波子而获得了一个加速度。如果人“修练”到可以不吸收高压电场辐射的场波子，再强的电场也奈何不了他。我们再作一个类比来说明引力的内因性特征：某个男士看见了一位楚楚动人的漂亮女郎而不由自主地向她走过去，表面上看似乎是女郎对他施加了某种“引力”作用。但实际上，漂亮女郎对他并没有施加引力作用，只是他的眼睛和神经吸收了女郎发出的光学信息，这些光学信息改变了他的心态和运动状态。但如果是一个失常的人，女郎再漂亮也不可能对他产生影响。中国传统气功中的“自我暗示”、“开发潜能”等也正是利用了相互作用的内因性来达到预期的效果的。（2）引力的不等性由于引力的平衡是建立在两个相互作用的物质系统之上的，所以，物体之间的引力并不是作用力和反作用力的关系，它们并不遵循牛顿第三定律。引起引力不等性的原因主要是两物体所处的空间的物质辐射速度（如光速）不严格相同，系统的相对运动以及中间物体的屏蔽等因素引起的密度变化的差异也可能使相互作用的两个物体所受到的引力产生差异。（3）引力的偏离性系统对质磁子的相对运动可以改变质磁子的相对密度，这不仅改变了引力的大小，也这使得质磁子密度改变的方向并不严格在处在两物体的连线方向上，而是在系统的运动方向上产生偏移，结果是两物体所受到的引力方向偏离对方的质心。这便是引力的偏离性。引力的偏离性是星系运动产生旋涡的原因，我们将在星系的运动和结构一章中进行进一步的讨论。综上所述，物体之间的引力不仅与物质的衰变有关，也与物体之间的相对运动状态有关，物体之间的相对运动改变了质磁子相对于运动物体的数密度，从而导致物质的衰变-逆衰变平衡发生了移动。物体对场波子的吸收关系也会产生相应的变化，从而改变了物体之间的引力关系。物体之间的相对运动也改变了物体与吸收的质磁子之间的运动状态，物体与辐射质磁子之间的相对运动状态能在更深刻、更复杂的程度上影响物质之间的相互作用关系。粒子与质磁子本身的自旋复合运动直接影响物体之间的场相互作用关系，这是引起磁力和库仑力的根本原因。牛顿的万有引力理论忽略了物质之间的相对运动，因而有很大的局限性。爱因斯坦的广义相对论注意到了物质之间的相对运动对万有引力的影响，但它仍然忽略了场相互作用本身的内因性和相对性，过分地夸大了物质相对运动的效果，因而导致了严重的错误。完善的场相互作用理论必须同时考虑系统物质的存在形态，考虑场的内因性和相对性，考虑物质与场波子的复合运动对相互作用的共同影响，否则它们都不可能成严密的科学理论。7引力质量和惯性质量等效的根源牛顿在力学中引入过两个质量的概念，一个从动力学方程 (7.1)引入，它反映物体的惯性，称惯性质量。另一个从万有引力定律 (7.2)引入，它反映物体接受引力的能力，称引力质量。从概念上，这两种质量是本质不同的物理量，然而许多实验表明引力质量和惯性质量是严格相等的。其中之一是伽利略的自由落体实验，落体方程为 (7.3) (7.4)各种材料和各种形状的物体下落速度相同表明惯性质量和引力质量相等。牛顿设计了各种材料做成的形状和长度都相等的单摆，单摆的周期为 (7.5)这些单摆的周期都是相同的，证明引力质量和惯性质量相等。厄阜（Eotvos）设计了一个很精确的扭摆装置，从1890年开始连续做了25年的实验，证实引力质量和惯性质量之比对1的偏差在小数点8位以后。近代迪克（Dicke）等人改进厄阜实验把精确度提高到小数后11位。这些实验都证明引力质量和惯性质量没有区别。实际上，引力质量和惯性质量是人为地区分的，牛顿在没有弄清物质之间的相互作用的情况下引入“万有引力”的概念，这是人们意思里出现“引力质量”这一概念的原因。从引力形成的微观机制来看，引力也是用牛顿第二定律（即惯性定律）描述的，可见，引力质量和惯性质量是同一个物理量，因而并不存在等效和区别的问题。引力基本方程(5.1)也表明，引力是用牛顿第二定律描述的，引力是惯性力的一种表现，这揭示了引力与惯性力等价的真正原因。引力质量和惯性质量是物理本质相同的物理量，它们之间的区别完全是主观意识造成的。人们所做的区分引力质量和惯性质量的种种实验或努力只是人们与自己的意识所发生的斗争。虽然从引力和惯性力本质相同的角度看，等效原理本身并没有什么错误，但爱因斯坦本末倒置地把惯性力看作是引力，并用描述惯性力的几何结构来描述引力，从而把引力更加神秘化了，不利于人们对引力本质的认识。可见，用空间几何结构描述引力是没有必要的，单从这一角度看，广义相对论就是一个没有意义的摆设。上述的引力惯性等效原理是在忽略物体自旋运动的情况下总结出来的，在物体存在自旋运动的情况下，这种等效关系就会被破坏。当我们用一个静止的铁球和一个高速自旋的铁球来重复伽利略的自由落体实验的时候，这两个铁球并不同时到达地面（如图7-1所示）图7-1自旋使等效原理破坏8 万有引力质磁衰变发生在构成基本粒子的最小衰变基元上，这种可逆反应可用下式表示： (8.1)M和M是物质的最小衰变基元，也是自然界的最小受力单元。m是这一可逆衰变反应辐射或吸收的质磁子，它是构成宇宙物质的最小元素。当一个物质系统孤立地存在的时候，物质的衰变动量是平衡的。另一个物体系统的出现打破了孤立系统所在空间的质磁子密度的各向同性，使物质系统在两系统的连线方向上的吸收增强而辐射减弱，这使系统在在吸收方向上获得一个反向的加速度，表现出受引力的作用，这便是万有引力。万有引力是用牛顿第二定律描述的： (8.2)dm/dt是物质单位时间内从场中吸收的场波子的质量，C是光速。在衰变可逆反应中，物质对质磁子的吸收速度用下式表示： (8.3)和分别是质磁子和基本衰变基元的数密度，称为逆衰变速度系数。上式显示，物质对质磁子的吸收速度与质磁子的数密度成正比。对于球对称的物质系统，质磁子的密度分布是球对称的，它与系统的质量M成正比，与参考点到系统中心的距离r的平方成反比。物质对质磁子的吸收强度显然与物质自身的质量m成正比。这样，只要在基本方程(8.2)中设 (8.4)引力基本方程(8.2)变为下列的万有引力方程： (8.5)比例系统Z和光速C的积正是我们熟悉的万有引力常数G。在现阶段宇宙系统中，不考局部物质分布不均匀性的影响时ZC的值就是。质磁吸收常数Z的值被确定为： (8.6)在天体系统中，物质的质磁辐射速度包括天体系统的超光速，它与天体系统中心质量M和距系统中心的距离r的关系为 (8.7)我们统一用表示现阶段宇宙光速，它与宇宙系统总质量M和空间标度R或宇宙时t的关系为： (8.8)用表示实验中测量到的包括天体系统超光速在内的光速。 (8.9)这样，天体系统的万有引力方程为： (8.10)从宇观系统和天体系统的万有引力公式看，万有引力常数是变化的，它是质磁辐射速度C的函数，因而也是系统物质状态的函数。在不考虑天体系统物质分布不均匀性的影响时，宇宙光速的值处处相等，G的值也是处处相同的，它只与整体系统的状态有关，与物质所处空间位置无关。而在天体系统中，G随值的变化而变化，它不仅与天体系统的中心质量有关，还与物质所处的位置有关。在宇宙系统中，的值在很长的时间范围内都保持相对稳定状态，这可以从(8.7)式看出来。譬如再过100亿年，C的值也只变为约，万有引力常数的变化也只有40%左右。所以，宇宙系统的引力常数变化可以不考虑。在天体系统中，万有引力常数的变化则是较显的，在高密天体中G的值可增大上万倍或更高，因而高密度天体中物质的相互作用将明显增强。在甚早期宇宙系统中，C的值高达，万有引力常数可增大20个数量级或更高。这时，万有引力相互作用已经发生了质的改变，它变成了一种强相互作用。9 万有电磁力自旋粒子之间的库仑力是由粒子的角动量变化引起的，我们把系统角动量变化引起系统动量变化而表现出的惯性力定义为万有库仑力。图9.1万有库仑力的形成库仑力基本方程为 (9.1)万有磁力是指物质的运动（动量）引起系统的角动量变化而产生的惯性力。所以，凡是由运动引起角动量变化而产生的力都是磁力。万有磁力仍然是用库仑力基本方程（9.1）来描述的。只不过磁力永远与物体的运动方向垂直，此时物体的动量大小并不发生改变，但方向将发生改变。下面我们从万有库仑力公式(9.1)简单地导出万有磁力公式。为了使问题简化，本章只讨论物体沿自旋系统自旋平面上径向运动的特殊情形（这并不影响结论的普遍性）。假设自旋系统的角速度为，没有自旋运动的物体m的速度为v (图9.2)，(9.1)式给出 （9.2）图9.2万有磁力的产生从(9.2)式可以清楚地看出，平动物体所受的万有磁力正是我们熟悉的科里奥利力。物体m以速度v作圆周运动时受到的离心力为 (9.3)这一离心力与物体m的切向速度垂直，所以也属于万有磁力的范围，它与(9.2)式所示的力在性质完全相同。物体在旋转参考系内运动受到万有磁力的作用会发生偏转运动，质磁偏转的轨迹是偏转速度所对应的匀速圆周运动的轨迹，万有磁力提供这个圆周运动所需要的向心引力。假设该圆周运动对应的角速度用表示，由于 （9.4）所以有： （9.5）由此证明科里奥力与离心力的本质完全相同。实际上是科里奥利加速度。科里奥利力是由物体的运动（动量）引起系统角动量的变化而产生的，所以，科里奥利力是典型的万有磁力。通过以上简单的证明过程我们可以看到，库仑力和磁力都是用牛顿动力学定律来描述的，自然界并没有电荷和磁荷这些特殊的物质形态，电荷是自旋粒子由于系统的角动量变化引起的一种相互作用关系所反映的一种物理量，磁荷则是由动量引起角动量变化产生的相互作用所反映的一种物理量，它们都不是客观存在的物质形态。不管是中性物体还是带电物体，只要存在角动量，只要物质的运动引起角动量的变化，就会产生电磁相互作用。我们把这种普遍存在的相互作用称为万有电磁力。象万有引力一样，万有磁力也是普遍存在的，宇宙万物都受到万有磁力的作用。地球磁场及太阳系其他行星的磁场主要是万有磁场。在一般情况下，万有磁力很弱，只有在质量庞大的天体系统中以及高速自旋运动的基本粒子之间，万有磁力才能有显著的表现。在质量较大、密度较高的天体上，万有磁场是相当强的，整个宇宙系统空间还存在着由宇宙系统自旋产生的背景磁场。实际上，万有磁场在宇宙物质的起源和演化、天体的形成、运动和结构，原子的组成、运动和结构，基本粒子的组成、运动和结构方面起着决定性的作用。它是从微宇观到微观，从微观到宏观，从宏观到宇观一切自然物质运动和结构的唯一模式。在人类的发展史上，人们对磁现象的认识比对电现象的认识早得多。在1820年以前，人们自然地把磁现象和电现象看作是两种无关的自然现象。试想象，如果我们至今还没有了解磁现象与电现象的联系，今天科学技术的高度发展便不可以成为现实。在万有库仑力和万有磁力的认识方面，我们正在走认识电磁现象的同一条老路。如果没有对万有库仑力、万有磁力和万有引力的统一认识，天体物理学、宇宙学或更尖端的科学技术的发展同样是不可能的。我们可以通过自旋参考系之间的坐标转换来进一步揭示万有磁力的规律。在不考虑引力场的情形，我们可以用没有引力场的克尔度规 (9.6)进行坐标变换。对没有自旋的平动物体，静止参考系的坐标与自旋参考系的坐标之间的关系为 （9.7）v是粒子的径向速度。将（9.7）代入（9.6）得 （9.8）其中度规分量的正是离心力所代表的万有磁力，度规分量的正是科里奥利力所代表的万有磁力。10 电磁相互作用如图4-3所示，正负电荷发射和吸收的是自旋角动量相反的微粒。现在我们假设粒子的质量由于自旋运动而全部集中在粒子的外壳环上，则粒子的转动惯量为 (10.1)角动量为 (10.2)吸收力矩为 (10.3)在图9-1的理想情形下 (10.4)在粒子衰变平衡状态下，粒子的质量保持不变，这个反作用力使粒子系统获得的动量变化为 (10.5)在这样的理想化模型下，粒子的角动量变化率等于粒子的动量变化率。可见，库仑力仅存在于粒子角动量变化的过程中，这个力显然只与吸收的质磁子的角动量的变化率有关，与粒子本身的质量无关。万有引力只与吸收的质磁子的质量有关，库仑力则与质磁子的质量没有直接的联系，它只与角动量的变化率有关。这意味着，如果自旋粒子对质磁子的吸收在“瞬间”完成，库仑力将是非常强的，实验证实，粒子间的库仑力比万有引力大几十个数量级。库仑力基本方程为： (10.6)宏观物体的库仑力比较容易计算，但微观粒子库仑力的计算则要与微观粒子的行为结合起来才有可能。微观粒子的角动量是量子化的，这是库仑力和电荷量子化的根源，是库仑力和电荷与粒子质量无关的根本原因。现在从量子规律的角度出发推导微观粒子之间的库仑力公式。假设玻尔从实验事实中引入的角动量量子化条件适用于所有的微观粒子过程，该量子化条件是： (10.7)粒子相互吸收（或辐射）过程所花的时间为 (10.8)以此计算粒子吸收产生的库仑力大小为(10.9)所以有由于角动量守恒，(10.9)式中的必定是常数，它反映自旋粒子之间的相互作用关系。这样，我们只要为自旋粒子引力一种新的物理量e，并假定这种新的物理量与常数成正比，对于两个自旋粒子的情形有，（10.9）式变为（10.10）对于一个自旋粒子与Z个自旋粒子作用的情形，(10.9)变为(10.11)这就是我们熟悉的库仑公式的形式。下面证明万有库仑力公式(10.11)与库仑公式是等价的。核外电子运动的向心力是由库仑力提供的，库仑公式给出 (10.12)原子的势能由库仑公式给出 (10.13)玻尔光谱实验规律总结出的电子角动量量子化条件为(10.14)这一量子化规律适用于微观粒子的一切过程。由(10.12)和(10.14)合并得 (10.15)由(10.13)与(10.15)合并得原子能量为 (10.16)对比(10.13)和(10.16)得（10.17）由于量子化关系适用于所有的微观过程，这就证明了由万有库仑力定义（动量变化引起动量变化）导出的自旋粒子的万有库仑力公式(10.9)与库仑公式是完全等价的，即（10.18）由此可以证明，库仑力的确是物质系统角动量变化引起的系统动量变化表现出的力，它完全符合牛顿的动力学体系。从此，万有引力和电磁力最也没有什么用牛顿力学体系不可以理解的地方，自然界的所有相互作用都统一在牛顿力学的框架里。关于库仑力，标准模型认为是电荷之间通过交换光子实现的，但它不能解释库仑引力和库仑斥力产生的微观过程。光子是一个比较模糊的概念，把自旋粒子对自旋质磁子的吸收和辐射表现出的电磁相互作用理解为光子吸收模式也可以合理地解释一切实验现象。原因是，由于角动量守恒等原因，粒子吸收的质磁子在粒子中是以正反旋成分存在的，辐射时则是以这种正反旋成分堙灭的形式形成光的波动传播。考虑到这一点，衰变自旋论与标准模型所涉及的一系列实验现象之间没有什么矛盾，但我是从粒子的内部机制来阐明库仑力产生的具体过程的，标准模型则重于对相互作用的宏观规律描述上。11 关于强相互作用和弱相互作用同种电荷排斥，异种电荷吸引的规律只有在自然磁平衡下的自由电荷之间适用。实际上，根据自旋粒子对质磁子的不同的吸收方向，同种电荷之间也可能是相互吸引，异种电荷之间也是可以相互排斥的。如果我们通过外力使同种电荷处于相反的磁旋方向，它们之间的库仑力是引力。反之，使异种电荷处于相同的自旋方向时，它们之间的库仑力是斥力。在中子的参与下，原子核中的质子自旋取向相反，它们之间的库仑力是引力。核力是同种电荷之间的库仑引力，这是宇观系统论独有的结论，这一结论可以通过实验加以验证。人们错误地认为质子之间的库仑斥力客观存在而想象原子核内质子之间存在超强的核引力，相互排斥的质子要靠这种超强的引力才能聚合在一起构成原子核。但实际上，由于宇宙起源及整体系统相互作用的原因，游离的质子保持一致的取向(参考图11.1和11.2),当它们彼此接近时，它们的自旋方向相互反转，它们之间的库仑力斥力就变成了类似于异种电荷之间的引力。但为了保持角动量守恒，需要一定的中子(或反质子和正电子)参与才有可能。这样，原子核中质子和中子的数目受严格限制，多余的质子将导致原子核磁旋体系的不稳定。下面的两个事实说明核力不存在。事实之一：在高能电子散射实验中，用电子无法轰击原子核，电子会被质子散射。原因是质子的内禀自旋是右磁旋的，电子则是左磁旋的。电子从任何方向碰撞质子的时候，反自旋的两粒子在接触处自旋方向相同，所以是完全弹性碰撞。电子束就是这样被原子核散射的。事实之二：质子和中子都可以轰击原子核。在高能实验中可以用质子轰击原子核。在核反应堆中，中子可以轰击原子核而导致核裂变。原因是质子和质子之间的碰撞面处的运动方向是相反的，它们发生非弹性碰撞。中子在宇宙起源上是由反质子通过弱衰变形成的，它与质子一样是左磁旋粒子。因而可能与质子发生非弹性碰撞。当然，质子与原子核碰撞必须首先克服它在远处受到的库仑斥力的作用。上面说到，电子即使有远处的库仑引力加速也无法与原子核中的质子发生非弹性碰撞。核子之间的相对运动也能表现出相应的磁相互作用。这种磁相互作用主要是由核子震动和核子吸收和辐射质磁子的自旋牵连运动产生的。原子核的磁场已为实验所证实，并且，它并不遵循电磁规则，它比电磁作用强得多。核磁共振技术也在实践中得到了应用。弱磁相互作用也是基粒子的基本相互作用之一。它同样来源于基本粒子的质磁衰变辐射。基本粒子以众多的具体形式辐射和吸收质磁子而表现出各式各样的弱相互作用。标准模型中的W子和Z子可能是这种吸收和辐射过程的中间产物。衰变自旋模型与标准模型在实验方面也没有直接的冲突之处。12万有引力与电磁力的统一基于机械能与电磁能的统一，包括机械力在内的自然界所有相互作用归根到底都是电磁相互作用。那么，万有引力与电磁力具有什么内存的联系呢？这要从前面揭示的万有引力和电磁力产生的内部机理上寻找答案。自旋是粒子的固有属性，粒子之间由于衰变-逆衰变产生的相互作用是电磁相互作用。所以，自旋粒子个体之间并不存在万有引力。当大量自旋的粒子组成宏观物体的时候，物体内部的粒子之间仍然存在电磁相互作用。尽管从总体上看，宏观物体处于角动量平衡之中，但宏观物体内部仍然存在正反自旋两种粒子。在系统独立存在的时候，这些正反旋粒子衰变辐射和吸收的动量和角动量都是各向同性的，系统内部的电磁相互作用处于平衡状态。但当系统处于另一个系统中的时候，这些自旋粒子对质磁波子的吸收具有了方向性，自旋粒子之间的电磁相互作用平衡状态被打破，因而产生了万有引力的作用。这是系统物质衰变吸收产生万