超统一场论.doc

学术交流超 统 一 场 论冀绪根 物理学是研究物质的基本结构和物质运动最一般规律的科学。迄今为止，人类认识的宇宙间的力有四种，那就是强力、弱力、电磁力、万有引力。虽然这四种力无论从强度上，还是从作用距离上都有着巨大的差异。但是理论物理学家却认为自然界是和谐的，统一的，四种力之间不仅具有内在联系，而且是统一的。长期以来，世界上有不少物理学家，一直在试图找到一个统一、简洁、和谐的数学公式，来概括这四种自然力。1、统一理论的进展从本世纪20年代开始，爱因斯坦花费了半生的精力，力图把电磁力与万有引力统一起来。海森堡也作了种种尝试，但都没有成功。直到1967年，温伯格、萨拉姆、格拉肖等人提出了弱力与电磁力的统一模型，统一理论才取得了一点进展。GSW理论所预言的四个规范波色子有三个得到了证实，但仍有一个希格斯粒子没有找到。因此，承认该理论还为时过早。在GSW理论得到了部分证实之后，近年来一些物理学家提出各种“大统一”理论（GUTS），试图证明除引力外的其他三种自然力同源。被称为“SU（5）型”的乔治格拉肖的大统一理论认为：（1）质子的寿命为1031年，主要衰变为正电子和介子；（2）存在着名为“磁单极子”的很重的基本粒子。然而，“大统一”理论未得到任何证实。2、爱因斯坦广义相对论难以解释的问题爱因斯坦于本世纪初，在牛顿引力理论的基础上，建立了广义相对论，即引力理论的相对论。虽然广义相对论能够解释水星的近日点的进动，预言了光线在恒星附近的偏折，但它仍然难以解释天体物理学中几个最基本的问题，即2.1 宇宙遗失97%质量问题；2.2 星系的外缘恒星比内缘恒星公转速度快的问题；2.3 星系的形状问题。3、超统一场论的基本思想超统一场论所要解决的是支配天体运动的力、弱力、强力及电磁力四种力的统一。面对差异如此之大的四种力，它摈弃了“弱电统一理论”中相互作用是交换虚光子或中间波色子的过程，代之以能量和能量守恒为核心的场论。核心如下：3.1 任何粒子都是具有形状和大小的。那种脱离物质的基本结构，而谈论物质的运动规律是不完整的。3.2 任何物质都有自旋运动。自旋的方式有两种：一种是呈柱面波动的螺旋运动，其自旋方向和动能方向垂直；一种是呈平面波动的月亮运动，其自旋方向和动能方向在同一平面上。所谓“自旋为0”的基本粒子，均是后一种运动方式。3.3 粒子的周围存在场，这种场具有方向性。3.4 粒子的场分动能场和自旋场两种。场强的大小，不仅与场源的大小有关，而且与场源的表面积有关。3.5 支配天体运动的力同弱、强相互作用在性质上是一样的，只是由于自旋场的强度及接受场强的面积不同造成巨大差异的。3.6 电磁力同强、弱相互作用在性质上也是一致的，只是由于场源能量（静电能）及作用对象的不同，造成差异的。3.7 电磁作用之所以是强相互作用的，是因为一个电荷的静电能，是电子静能量的。3.8 重力是一种系统力，它与支配天体运动的力从性质上讲是一致的，但它们也有区别：支配天体运动的力存在于整个宇宙空间，而重力只存在于分子线度上的连续媒介系统；支配天体运动的力的方向是单一的。而重力的方向是多向的。4、超统一场论所需的常数及符号的设定4.1 引进的常数光速C=2.9979251010 cm/秒电荷e=1.602110-19 库仑=4.80310-10 静库普朗克常数=1.0545610-27尔格秒中子静质量M0n=939.55MeV/c2质子静质量M0p=938.26MeV/c2电子静质量M0e=0.511MeV/c24.2 符号的设定及分别代表粒子场的能量及被作用粒子接受场的能量V粒子动能方向的速度Vf 粒子自旋方向的速度G粒子动能场的场强。物理意义为单位面积发出或接受的能量Gf及Gf分别代表粒子自旋场的场强及接受的自旋场强。有Gf=/ Sf和Gf=/ SfJ公转角动量Jf自旋角动量a0静质量时粒子的自旋半径4.3 求粒子的自旋半径a0 = 又角动量守恒(n为整数)令 则 (1)4.4 求自旋速度Vf(2)上式说明粒子的自旋速度等于光速。另一方面，狭义相对论有以下公式 当动能速度V=0时，E0=m0c2说明粒子的静质量是动能为0时，自旋所具有的能量。4.5 质子、中子、电子的自旋半径5、自由态粒子的波动方程及场方程5.1 呈柱面波动的粒子呈柱面波动的粒子，它的运动由自旋运动和动能运动两部分构成，波动方程如下：式中，a为自旋半径，为初始角，为角频率。和粒子相联系的能量E，角动量Jf ，分别如下：和波动相联系的场方程如下： (3) (4)由此可知，和场方程（3）相联系的作用方向是z方向：和场方程（4）相联系的作用方向是F（x，y）平面。由于自旋柱面跟动能柱面垂直，所以它对其它粒子的作用只有一种，二者不能同时作用于一物体上（碰撞时除外）。5.2 呈平面波动的粒子呈平面波动的粒子，其自旋运动同动能运动处于同一平面，它具有以下特点：一是粒子半径是自旋半径的极限,二是自旋速度是动能速度的极限。波动方程如下: (bR R为粒子半径)式中，为初始角，为角旋率，a为自旋半径。和粒子相联系的能量E，角动量J分别如下：和波动相联系的场方程如下：(5) (6) 由此可知，和场方程（5）相联系的作用方向是z方向；和场方程（6）相联系的作用方向是F（x，z）平面。而处于动能拉面上的粒子，则会受到动能场和自旋场的双重作用。6、束缚态粒子所谓束缚态粒子，是指两个或两个以上的粒子之间，彼此相互作用而产生的稳定状态。产生稳定状态的充要条件是：6.1 相互作用是同期性的。6.2 相互作用的粒子静质量和球半径相差很小，属统一级别的粒子。6.3 公转半径要大于他们的自旋半径。从柱面波动和平面波动的性质知道，只有柱面波动的粒子之间，才会产生束缚态。处于束缚态下的粒子除了原来的自旋运动外，动能运动变成了圆周运动。它的波动是圆环波动，波动方程如下： (7) (8)式中Rf为公转半径。和粒子相联系的总能量E，角动量J分别为： (9) (10) (11)和波动相联系的场方程如下：(12)(13)设束缚场的势能用U（Rf）表示，被用作粒子在Rf处接受的场强为Gf，被作用粒子接受能量的面积为Sf，则此处粒子所受的力 (14)式中，d为作用粒子与被作用粒子的距离，但 。7.超统一场论所能解释的问题7.1 核力及原子核结构设质子的球半径用Rp表示，中子的半径用Rn表示，且RpRn则质子、中子的场强分别为： 由于在原子核中，结合能导致了质量亏损，故 ， ，为了计算方便，我们取 ， ，于是有： 7.1.1 在中，设质子与中子的距离为d，则中子所受质子的力RnRp vpP vpVnp o同理 但 令，则（MnVn）2=（MpVp）2即7.1.2 在中，质子所受中子的力F1=F2 F1F2VnF1与F2的合力，即为质子的向心力即中子所受质子的力Vn 中子所受中子的力 7.1.3 在中，由于有电磁力的缘故，故较复杂，中子所受质子的力，中子所受中子的力 Vp pF1 F2 VnN o F3 nVn MnVn2=+ Vp 同理 从实验中得知，在中， 在中， 在中， 从上述干计算结果可以看出, 核质量数是4核子倍数的原子核, 其核半径较小, 结合能也较大, 这样的原子核基本上是球形对称的, 而对于大部分原子核来说, 他们只能用集体运动模型来解释.7.2 弱力弱相互作用的主要特点有二，一是作用的时间较长；二是轻子的出现，特别是中微子的出现，是弱相互作用的可靠标志。7.2.1 衰变在 衰变中，现行的理论认为是中子同中微子相互作用，生成一个质子，一个电子的过程。反应方程如下：(15)从场方程（3）、（4）知道，只有处于动能柱面或自旋柱面上的粒子，才会受到作用。处于动能柱面上的粒子，其相互作用可用能量、动量、角动量三个守恒定律来解答，这里就不在描述。而处于自旋柱面上的粒子，可用方程（4）来解释。中子的场强： 在中，牛顿而在大多数原子核中，由于结合能大于8MeV，所以核力也就大于510.596牛顿。取牛顿则中子对中微子的作用力达因 （cm）同理，质子对电子的作用力（cm）从上面可以看出，电子同电子中微子属同一级别（球半径相差很小）的粒子。中子之所以衰变，是由于它和中微子碰撞后，其自旋状态发生变化造成的。自旋状态一旦发生变化，粒子的性质发生了变化。7.2.2 介子的衰变从实验中得知，介子一般衰变为介子及子型中微子。反应方程如下：(16) (17) 从相互作用的原理知道，单个粒子不会发生衰变，除非它有内部结构。然而，有内部结构的粒子，其反应是可逆的，因此它是同其它粒子相互作用的结果。根据上述原理，反应方程应改为： (18)(19)介子所以衰变，是由于它的自旋平面受到碰撞，动能方向跟原来的自旋面相垂直，从而改变粒子性质的。可以认为介子同介子是一种粒子的两种表现形式。如果实验证实方程式（18）、（19）不存在，那么介子必定有内部结构，且衰变后介子同子中微子是相反方向发射的，发射方向垂直于介子的自旋平面。7.2.3 介子的衰变从实验中得知，介子的衰变方式如下：(20)(21)由相互作用的原理知道，衰变方程应更改为： (22) (23)上述过程应看作是电子中微子碰撞介子的自旋柱面的反应过程。碰撞的结果，不仅粒子的动能方向发生了改变，而且交换了电荷。总之，弱相互作用是粒子相互碰撞的结果，由于碰撞的方向不同，产生的效果也不同。现代物理学中的“几何截面” ，便等于粒子的自旋半径所围成的面积，用数学公式表示如下。弱相互作用遵循一个原理：碰撞前后粒子的级别保持一致。从弱相互作用的实验得知，质子和中子是同一级别的粒子；介子、介子及 子中微子是同一级别的粒子；电子、电子中微子是同一级别的粒子。通过弱相互作用，同一级别的粒子可以互相转换，但不同级别的粒子不能互相转换。7.3 电磁力超统一场论认为：产生电磁场的根源是电荷的自旋运动和动能运动。带有一个基本电荷的电场，其电场是具有方向性的，它的方向是电荷的自旋运动的方向。而有众多电荷组成的宏观电场，其电场方向与电荷所在物体的表面形状有关。7.3.1 基本电荷的能量公式超统一场论认为，一个电荷的静电能，是一个电子静质量的1/137。用公式表示如下：(24)当时，有(25)当电子、质子等带电的基本粒子被外力作用后，由两个基本电荷组成的系统，其势能公式如下：(26)对于原子核内的质子，有在中 (27)而核力能量为二者相差九倍。可见在原子核中，强力起主要作用。7.3.2 电流的磁场超统一场论认为：电流的磁场来源于运动电荷的自旋运动，即磁场实质上是运动电荷的电场。由于加在导体两端的外电场跟运动电荷的电场互相垂直，因此人们将运动电荷的电场误解未磁场。为了使用方便，我们仍将沿用“磁场”这一名词。由于一个基本电荷的静电能W0=3728.947ev，所以被作用物体所受的力 。由于电流是由众多电子的定向流动形成的，所以由电流产生的磁场能量(28)式中，n为单位体积的自由电子数，s为电荷流过的截面积，L为导体长度。根据国际单位制中“安培”的定义，可计算出电流为1安培时，电子的定向流动速度：m/秒(29)7.4 测不准原理的物理意义由海森堡在1927年提出的测不准原理，实质上是对粒子自旋状态下角动量的描述。根据超统一场论，粒子的自旋角动量 当 时，处于粒子自旋半径内的动量，场强是无法测定的。7.5 太阳的质量已知数据地球的公转速度 地球的质量m=61027克日、地距离L=1.4961013cm太阳半径=6.961010cm地球半径=6.4108cm根据超统一场论 又 尔格焦耳设太阳的自旋速度为106cm/秒数量级，(30) 较之万有引力得出 ，前者是后者得137倍。同样可以证明，银河系的质量也远大于万有引力公式计算出的质量。宇宙遗失97%的质量问题，至此迎刃而解。7.6 星系的外缘恒星比内缘恒星公转速度快的问题根据万有引力公式 得知 即r越大，V越小可是天文观测中发现，星系外缘恒星的公转速度大于或等于内缘恒星的公转速度，万有引力理论对此无法解释。设星子核的质量用表示，自旋速度用表示，内缘恒星质量用表示，公转速度用表示，外缘恒星质量用表示，公转速度用表示，则： 又 若要使V2V1 , M1L1R22M2L2R12(31)太阳系得结构表明，内缘行星密度大，而半径小，外缘行星密度小，而半径大。产生这种现象不是偶然的，它正是行星结构的普遍规律。7.7 星系的形状问题由于自旋场具有方向性。因此，只有处于自旋柱面上的物体，才会受到作用。天文观测中发现，所有星系均呈盘状，正是这一理论的客观反映。爱因斯坦所说的光在恒星附近的偏折，是在恒星自转柱面上的偏折，而从太阳南北极附近射来的光线，根本不会发生偏折，这可以从天文观测中加以证实。7.8 光在恒星自转柱面附近的偏折所谓光在恒星自转柱面附近的偏折，是由于光线经过恒星附近时，恒星对其作用使其能量减少的过程。设可见光通过太阳附近时，距太阳表面的距离L=107cm，取光的波长=5000埃，则可见光的能量为： 7.9 共振态粒子从场方程（4）知道，当一粒子处于另一粒子的向旋平面时， 会发生相互作用。相互作用的大小，一方面取决于场源粒子能量的大小，另一方面取决于两粒子的距离。共振态便是两粒子相互作用的极大值。共振态存在于介子和质子之间。设R是介子的粒子半径，则介子对质子的作用力：同理，质子对介子的作用力：从实验中得知，当E=300MeV时，发生共振态，于是有： 7.10 自由中子的寿命从实验中知道，自由中子的寿命是12分钟。然而自由中子的寿命为什么这么长呢？原因有两个方面，一方面是自由中子单位时间自旋所形成的面积，二是单位面积里电子中微子的数量。设K是每秒单位面积里电子中微子的数量，Vn是中子的动能速度，an是中子的自旋半径，则有以下关系：每秒自由中子所形成的面积S=2aVn（cm2）发生碰撞的几率为（个/ cm2） t=720秒 取Vn=1cm/秒 （个/ cm2秒）实验结果表明，太阳中微子到达地面的数量，只有理论预言值的，和上面计算相符。因此，太阳的中微子标准模型应于改正。从天文学的观察知道，太阳表面有许多种周期振动，有5分钟的，有7到8分钟的，有52分钟的，还有长达160分钟的。用超统一场论来解释，那就是每一种振动对应着一种核反应。反应不只是标准模型中4个氢原子聚合成氦原子的反应，还有许多形式。然而太阳中微子标准模型，产生了“太阳中微子失踪案”，以及“中微子振荡现象”这一虚假解释。7.11 衰变的机理核实验论证根据大量的科学实验，现在的物理学理论将衰变分为三种：一种是放出是电子，原子核变为原子序数增加1的核，在天然的和人工的放射性物体中都存有这一类。另一种是放射正电子，原子核变为原子序数减1的核，这只在人工放射物中出现。还有一种衰变过程是，原子核俘获一个核外K层电子而变为原子序数减1的核，这过程称为K俘获。然而，对于衰变的原理，原子核物理学认为是天然的，根本没有描述产生这一过程的原因。“超统一场论”认为，衰变是中子与e型中微子碰撞的结果，+衰变是质子与e型中微子碰撞的结果。可是有些核可以产生衰变，而另外一些核不可能产生衰变，原因是什么呢？现论述如下：7.11.1 在发生-衰变的原子核中，衰变的中子在衰变前，其付出的结合能小于其它中子和质子，在受到外来的电子型中微子碰撞后，其自旋半径发生变化而转化为质子，碰撞的e型中微子则转化为电子。由于碰撞是在自旋柱面上产生的，所以碰撞前没有电荷的粒子，在碰撞后得到了电荷。7.11.2 在发生+衰变的原子核中，衰变的质子在衰变前，其付出的结合能小于其它质子和中子，使其能量大于中子，在受到外来的e型反中微子碰撞后，其自旋半径发生变化而转化为中子，碰撞的e型反中微子则转化为正电子。碰撞同样是在自旋柱面上产生的，所以碰撞前有电荷的粒子，碰撞后要失去电荷。从核中发出的正电子，如在核外没有遇到电子，则直接放射出来。如在核外遇上电子，则发生所谓的K俘获现象。7.11.3 自由中子所以能够衰变，是它的能量大于自由质子的能量。反过来讲，自由质子所以不能够衰变，是它的能量小于自由中子的能量。而在原子核中，由于结合能的不同，两种情况均有可能。7.11.4 衰变方程式a、-衰变(32)b、+衰变 (33) (34)7.11.5 衰变的原因，不但与衰变粒子所处的位置有关，而且与e型中微子的密度有关。只要加大中微子流的密度，就可以加快衰变的速度（即半衰期减小）。7.11.6 实验论证：将60C0和11C放在大通量的中微子束面前，比较一下它们的天然衰变速度和人工衰变速度，就可以得出本文得结论是否正确。7.12 运动光源得多普勒公式不能成立我们知道，在宇宙空间，运动光源的谱线红移是普遍现象。那么谱线红移的原因是什么呢？传统的多普勒效应，认为光源的运动速度与我们的谱线红移观测结果有关。例如哈勃定律认为：星系的退行速度和红移量成正比，与它们的距离成反比。与我们距离为D的星系的运行速度可由公式表示为：V=HD，式中H叫做哈勃常数。然而，天文观测中出现的类星体视超光速运动，致使运动光源的多普勒公式和哈勃定律都难以成立。传统的多普勒效应的相对论公式如下：7.12.1 当物体如果以速度V远离我们而去，我们观察到物体发出的波的频率为：(35)即我们观察到的频率要小于物体发出的频率。7.12.2 当物体如果以速度V远离我们而来，我们观察到物体发出的波的频率为：（36）然而，多普勒效应的相对论公式存在着严重缺陷，（35）式中的,（36）式中的无穷大。这在客观世界是不存在的。当运动光源发出E=h的光波时，是什么原因使它的能量发出如此大的变化呢？原因只有一个，只有在光波出发之前。我们观测到的光波只是出发后的光波。爱因斯坦曾在广义相对论中提出了引力红移这一概念，超统一场论也认为是引力引起谱线红移的。但由于理论上的巨大差别，得出的结果也大不相同。超统一场论的引力公式如下 对于从恒星表面出发的光波，引力的大小主要取决于发射光子光源的能量及它们之间距离。谱线的能量：红移后的能量： （观测到的能量）即式中r为光子半径，为光源的能量，R为光源半径。（论证1）1950年彪克伦等人对加速质子辐射射线的实验。在此实验中，当加速质子的能量达到340MeV时，在质子前进的方向，发生的120MeV的射线最强；在相反方向，发出的60MeV的射线最强。当用运动光源的多谱勤效应来解释时，产生出来的介子0介子静能量是170MeV。这与0介子静能量为135MeV有很大的误差。运用超统一场论，我们会得到一个满意的解释。假设产生射线的0介子在发生衰变前与加速质子具有一样的速度，则有以下关系：由于 所以 即 （论证2）太阳谱线的红移爱因斯坦广义相对论计算结果超统一场论的计算设从太阳表面发出的光波，其能量来源于核聚变反应时加速电子的辐射，根据超统一场论的计算结果，知 如果天文观测证实广义相对论的结果正确，那么有设,则 L是电子与光子的作用距离。这一结论可以推广到其他恒星加以论证。（论证3）类星体视超光速之迷1962年以来，人们陆续发现了1000多个射电源，其中许多已被证实为星系。另外一些，具有更为强大的射电辐射源和一些令人困惑的特征。例如1963年,发现了射电源3C48和3C273，它们在照片上具有类似恒星的像，但是从拍摄到光谱看，使天文学家大为惊奇，开始竟然认不出它们的谱，就把它们叫做类星体。以后的分析表明，原来是这些星体的谱线发生了很大的红移。用多谱勒效应来分析，应理解为它们以很大的速度退离地球，现在已知类星体的速度可达每秒几万公里，甚至十几万公里，特别是0Q172这个类星体，速度可达每秒27万公里，非常接近光速。近二十年来，由于在天文观测中应用了长基线干涉技术，大大提高了分辨本领，已经能够观测到银河系外射电源的细致结构，从而发现和证实了一些类星体和星系具有视超光速运动，这更令人们惊异不止。根据狭义相对论，任何物体相对于惯性系的速度不可能超过真空中的光速，否则将违反因果律。因此，对于运动光源来讲，爱因斯坦的狭义相对论和多谱勒效应，其中必有一个是不能成立的。作者认为：爱因斯坦狭义相对论的基础是光参照系光速不变原理及其它物体相对于光速的运动。而多谱勒效应是观测运动物体发出非光波物质的公式。当我们把多谱勒效应运用到运动光源时，得到的将是一个十分荒谬的结果。运用超统一场论，我们将发现类星体的巨大谱线红移背后所隐藏着的东西。根据论证2的计算结果，有(尔格)对于一个红移为4的类星体来讲，假设 即埃 , 则 即转换成所需的温度，为而对于许多类星体来讲，中心温度可达10201021(0k),相对压力为105106大气压；表面温度也达10151016(0k),其基本粒子的能量达到尔格级，就这是类星体巨大的谱线红移背后所隐藏的东西。实验论证在高能加速器上将带电粒子（质小电子）不断加速，仔细观察它们在不同的能量阶段所发出光波的波长（或频率），运用公式可得出光子的确切半径及电子，光子间的距离L，从而为天文观察打下坚实基础。7.13 分子间的力现在物理学在解释分子间的结合力时，作出了电吸力等于电斥力这一假设，然而这是一个十分牵强附会的概念。对于电子数少的原子（尤其是氢原子），还能用相对位置来解释。然而对于众多电子组成的原子，电子在原子核外呈球形分布的，很难用相对位置来解释。而离子法解释不了同种原子形成的分子，如氢气、氮气、氧气、铁块、铝块等。超统一场论认为，组成分子的原子