麦氏静电作用理论是建立统一场方程的数学基础.doc

科 技 论 文 2020-1-31 物理学的一个终极目标（爱因斯坦曾经长期追求），便是将包括引力在内的四种力全部统 一起来。但是至今还没有人提出过可以达到这一目标的令人信服的方法。有人想按照描述其他 三种力的理论来描述引力，但是都失败了。大多数物理学家认为，必须提出崭新的思想才能把 引力包括在自然界的统一论之中。 摘自发现杂志麦氏静电作用理论是建立统一场方程的数学基础肖 军（黑龙江省鹤煤集团大陆煤矿）【摘要】本文依据静电场的散度方程，论证了被作用电荷移入点电荷激发的电场中后，也有类似于极化电荷的贡献。不同的是这种贡献与作用距离有关。这是激动人心的理论发现，由此不但能够解决电势能及电场力在原点发散问题，还能导出弱力、核力及万有引力的作用势能及作用力的表达式。从而在麦氏场方程的基础上真正实现了四种场力的统一。【关键词】 四种场力 散度方程 介电系数 统一通过场作用于物体上的力有四种，它们是引力、电力、核力及弱力，其中电力和引力是长程力，它们均与作用距离的平方成反比，但它们作用强度相差1037倍。核力和弱力是短程力，其作用距离分别是在10-15米和10-17米以内。为建立包含这四种场力的统一理论，物理学家在量子力学的基础上曾提出过许多理论，如大统一理论、超统一理论，以及近代较流行的超弦理论等等，但都或多或少地存在各种凝惑，而不能令人完全接受。那么，在非量子力学基础上能否实现统一上述四种场力呢？答案是肯定的。笔者通过讨论被作用电荷激发的电场对源电荷激发电场分布的影响，意外发现引力场、核力场及弱力场其实都是静电场不同形式的作用结果，其中弱力场是静电作用理论附带的短程作用场，核力场是源于荷电粒子周围存在带有等量异号电荷的虚粒子云，引力场则是两中性物质间存在静电作用的剩余效应，它们都能包含在一个由麦克斯韦电磁理论导出的统一场方程中，这是在统一场的道路上迈出的决定性一步。但这并不意味着与超弦理论相抵触，因为超弦理论是假设四种场力通过交换自旋为整数的坡色弦达到传递相互作用的理论，这是以量子力学为基础的更深层次的理论。理论最终应该能够证明与本文导出的统一场方程相容。1、 完备的静电作用理论在静电场中，电场强度是等于电势的负梯度。借助于电场强度的定义 （1）和场的散度方程 （2）可知电势满足泊松方程 （3）由此方程可解得距源点电荷为场点处的电势 （4）将（4）式代入（1）式，能够得到电场强度 （5）若空间含有电介质，考虑电介质极化后出现的束缚电荷对源电场分布的影响，介电系数应等于，其中为电介质的相对介电系数；为真空介电系数。以上结论就是我们熟悉的静电作用理论，其正确性是无可非议，但它不是完备的。它没有考虑当把被作用电荷移入场后，在求电荷所具有的电势能和所受到的电场力时，被作用电荷的加入是否同束缚电荷一样对源电场分布有影响呢？若无影响，被作用电荷所具有的电势能必是 （6）据此导出电荷受到的静电作用力表达式就是库仑公式 （7）若被作用电荷的加入对源电场分布有影响，这种影响一定是与有关。我们知道，当把源电荷放入电介质中后，源电场将会引起介质的极化，并在极化介质体内和界面上产生束缚电荷，这些束缚电荷激发的附加电场将要改变源电荷激发电场的分布。通过引入介质的相对介电系数，就可以描述束缚电荷对源电荷激发电场分布的影响。现在我们把一个被作用电荷放入源电荷激发电场作用的空间内，被作用电荷激发的电场也必同束缚电荷一样要改变源电荷激发电场的分布。由于改变的程度与被作用电荷到源电荷的距离有关，因此，可把被作用电荷看成是束缚电荷，并通过引入一个与距离有关的系数来描述被作用电荷激发电场对源电荷激发电场分布的影响。为得到与的关系式，不妨我们把（6）式中的做如下替换 （8）于是，有 （9）这里类似电介质的相对介电系数，它们都反映的是源外电荷激发的电场对源电荷激发电场分布的影响。不同的是反映的是极化电介质中束缚电荷对源电场分布的影响，它仅与电介质的极化强度有关；而反映的是被作用电荷对源电场分布的影响，它与电介质的相对介电系数无关，只要有被作用电荷存在，就有。这如同电介质的相对介电系数，只要有电介质存在，就有。通常讨论源Q对电荷 q 的作用时.仅考虑了极化电介质产生束缚电荷影响源Q激发电场对q的作用。而忽视了被作用电荷q也同束缚电荷一样能够影响源Q激发电场对被作用电荷q的作用，由此得到的静电作用势能和静电作用力均存在原点发散问题。反之，若要考虑这种作用，理论上就能够得到无奇点的静电作用势能和静电作用力。因此，从理论的自洽性来考虑，就必须在有被作用电荷存在的表达式中引入。由于电势不含有被作用电荷，因此，在的表达式中是不应该存在有，但因作用势能与有关，因此可以写成 （10）即有 （11）做变量替换，利用（11）式可展开为 （12）其中是的函数。显然，欲使在时能够回到（6）式的库仑静电作用势能公式上来，其和就一定是常量，而且满足 （13）也就是满足若用表示这个常量，则有 （14） 很明显，库仑静电作用理论应看作是情形时的一种近似理论，而不能将其看成是等于零情形时的理论。取不仅忽略了被作用电荷对源电场分布的影响，而且也使我们得到位于电场中的单位正电荷所具有的电势能与电荷所在点的电势相等的错误结论。把（14）式代入（12）式知，电场势能满足的方程应是一个二阶常系数非齐次微分方程 （15）对于情形，有 （16）由（16）式的齐次方程及边界条件 （17）易解得完备的静电作用势能 （18）于是，根据场力等于势能负梯度的定义，易得到点电荷间的静电作用力又由（1）式知 （19）所以有 （20）可见，引入后，与以往的静电作用理论相比，改变的只是电势能和电场力。电场强度的表达式同电势表达式一样，并非因引入而改变。因此，静电场的电场强度是无旋场的结论仍然成立，它严格遵循麦克斯韦场方程组。显然，由麦克斯韦电磁理论定义的静电场的电场强度与静电作用力的关系应是 （21）而并非是库仑给出的关系式。仅是（21）式在情形时的近似结果。对位于均匀电场中的电荷所受到的静电作用力，可认为（21）式中的作用距离是无穷大。于是由（21）式得到位于均匀电场中的电荷所受到的静电作用力是，这同讨论情形时的结果相同。库仑公式是把两作用电荷看成是点电荷，当两点电荷距离足够近时，其公式给出发散结果是一直困扰人们不能解决的难题。实际上可能不存在有点电荷,但是我们不能因为没有点电荷,就可以不考虑库仑公式存在的原点发散问题.如今通过引入后，就可以很容易解决原点发散问题。由（18）式和（20）式可求出，两正电荷间的静电作用的电势能和电场力的值域分别是 ； 很明显，若要电势能及电场力没有无穷大奇点，就不能等于零。不为零意味着有最小值，若假设,就一定有 (22)式中和分别是两作用物体的质量；=;是普朗克常数; 是光速; 是牛顿万有引力常数。在以下情形，式（22）可简化为 1) , 当时;2) , 当。这意味着两中性物质间也存在有静电作用，这种静电作用就是牛顿万有引力作用。众所周知，物质是由质子、中子、电子等基本粒子组成，质子带有一个单位的正电荷， 图4 两中性物质间的静电作用示意图电子带有一个单位的负电荷，中子不带有电荷，而且中性物质所含有的质子数恒等于所含有的电子数，如果认为中子是由带有等量的正负两种基本粒子组成，从图4可看出，两中性物质间存在的总静电作用势能应为 （52）若令质量为的中性物体带有正负电荷均为，质量为的中性物体带有正负电荷均为，和间存在的静电引力作用势能和静电斥力作用势能就可以分别由（50）式和（51）式求出，将这两式代入（52）式，即能得到两中性物体间存在的总静电作用势能为 （53）对于中性物体而言，和可以这样求出，用表示中性物质原子核的摩尔质量，用表示阿伏伽德罗常数，则为单位质量中性物质所含有的原子核数，于是质量为中性物质含有的原子核数则是，由于每一个原子核含有个核子，而每一个核子又都带有一个单位电荷，所以，质量为中性物质带有总的正负电荷均为 （54）同理可知，质量为中性物质带有总的正负电荷均为 （55）将（54）、（55）两式代入（53）式中，即可得到牛顿万有引力作用势能及作用力的表达式分别是 （56） （57）式中 （58）由上可知，牛顿的万有引力作用实际上就是两中性物体间静电作用的剩余效应。5、结论综上所述，完备的静电作用理论不仅能够给出无奇点的电力、弱力、核力及万有引力表达式，还能将这四种场力统一在一个可由麦氏电磁理论导出的场方程中，这个方程就是（15）式方程，它就是我们梦寐以求的统一场方程。参考文献1 肖军, 关于周期性同状态运动变换的讨论， 中国高等教育研究（理化卷）， 中国大地出版社，2000 (4)2 肖军, 论电磁波波动方程的协变性, 中国学校教育与科研(理化卷), 中国农业科学技术出版社, 2002 (3)3 肖军, 洛仑兹变换式物理解释有误, 中国学校教育研究(理化卷), 中国统计出版社, 2002 (4)4 杨纯斌 蔡勖，夸克与轻子物理原理导引，武汉：华中师范大学出版社，2000。附：正文中（40）式的肖军变换式导出过程设光源相对静系静止时辐射个波数所需时间为，则在时间内波前离开光源的矢距应是，并有 （1） 式中;；和分别是静止光源辐射电磁波的波矢和波前沿单位矢量方向上在空间中的传播速度。如果光源相对静系以速度运动时辐射个波数所需时问是的倍，在时间内波前离开运动光源的矢距必是，并满足 (2)其中 (3)；，和分别是运动光源辐射电磁波的波矢和波前沿方向上在空间中的传播速度。很明显，是波前相对静系传播距离所需时间。若令 ，(3)式也可写成形式为 （4）根据电磁波波动方程的形式与光源运动速度无关假设，(3)、(4)两式应满足 (5)也就是应满足 （6）把(3)、(4)两式代人(6)式，则知 （7） 从(7)式看出，如果，仅有在 时，才能得到 (8）而若要在任何情况下都能得到(8)式结果，就必须有 (9)把（8）、（9）两式代入（3）、（4）两式，即可得到肖军变换式的一般形式是 （10）式中 （11）需指出，在以往的讨论中是通过假设 (12) 而得到 其实，这一结果仅能在波前传播方向与光源运动速度同向情形时成立。对于波前传播方向与光源运动速度不同向情形，(12)式应更正为 (13)式中是运动光源辐射的光波其波前沿方向上在空间中的传播速度。实验已证实，在与同向情形时，有；对