关于宇宙大统一理论的猜想

时间：2024-08-31

龚国江

宜春学院土木系江西宜春336000

引言

真空中的电磁波的速度只取决于真空中的磁导率μ0 和介电常数ε0,这很让人疑惑不解。如果从中发现电磁波也是介质波,那么什么是电磁波的介质,它又具有怎样的性质?神秘的量子世界能从这里打开吗?

在物理理论上,引力始终无法统一到强力、弱力、电磁力中来,原因可能是把引力当成了另外的一种作用力。本文推测引力来源于电磁力,从而进一步推测宇宙中只有一种电磁作用,别的作用都是电磁作用在不同条件下的表现形式,物质形态和性质的多样性来自于电磁作用的组合方式的复杂多样化。

通过电磁波介质的引入和引力是电磁力的推测,从原理和机制上,可以统一所有的作用力,解释宇宙中物质的起源、变化和转化的过程,建立起从量子微观到宇宙宏观的紧密联系

1 对电磁波速度的思考引发的推测

先来理解真空中的磁导率μ0 和介电常数ε0的本质上的含义,因为它们决定了电磁波的速度。当一个速度为v、带电量为q的粒子在强度为H 的磁场中运动时,为了度量这粒子受到的电磁力大小,引入了磁导率μ0这个物理量。

式中,U 为波函数(下同),C0真空中光速,表明了真空中的电磁波速度只取决于真空中的磁导率μ0和介电常数ε0。

从表面上看,速度和两个常数之间并没有关系。如果我们把电磁场也看成是一种电磁作用对应的一种物质形态,那么磁导率μ0 和介电常数ε0就决定了电磁场这种物质中的相邻点间的电磁相互作用力的大小。

类比机械弹性波的波动方程,见下面的公式(5)。决定机械波速度的是介质内部的相互作用力T 和介质的密度ρ。机械波的一维自由振动齐次方程:

式中,a2=T/ρ,其中T为介质的张力,ρ为介质的线密度。波动方程中a就是波的传播速度。电磁场(电磁场是一种物质)可以认为其质量密度是非常小的值,以至于电磁波的速度非常大。其实,质量也是物质电磁作用力的表征物理量(参见下面的,对质量和电荷的思考引发的推测)。所以,决定电磁波传播速度的只有电磁场内部的相互作用力,并由磁导率μ0和介电常数ε0决定。

电磁波和机械波可以类比,还需要解释一个重要的问题,两者波动方程的推导所用的原理是否相同或本质相关。电磁波的波动方程推导用的是麦克斯韦方程组,并且不考虑电流、电荷的存在的作用(物质宏观层面上),只考虑纯电磁场作用(物质微观层面上)。麦克斯韦方程组描述的是电磁通量守恒、电磁相互作用和通量变化时,电磁相互转换。机械波的波动方程推导用的是惯性力的概念(牛顿第二定律)建立的动态平衡。那么,麦克斯韦方程组和惯性力有本质关系吗?答案是肯定的。从电磁作用的角度去分析,当物体的运动状态改变时,电、磁通量会发生变化,从而引起额外的电磁力来阻碍物体运动状态的改变,即表现为物质的惯性力。或者说,牛顿第一、二定律就是麦克斯韦方程组在宏观物质上的一种体现形式。

由此可见,电磁波和机械弹性介质波本质上并没有多大不同。如果电磁波是交变的电场和磁场本身交替的向前传播的,那么它的传播速度为什么只取决于磁导率μ0 和介电常数ε0(这两个常数是决定电磁场这种物质内部相互作用力的物理量)?这显然说不通!一种更合理的解释是电磁波也是一种介质波,这个介质就是整个宇宙空间。只需要把宇宙空间也看成是一种物质形态,或者说整个宇宙空间就是一种最微弱的电磁场对应的物质形态,这是不是就是要寻找的暗物质、暗能量?

所以电磁波会具有介质波的所有特性,也就不需要用相对论去解释光速问题。相对论中把光速看成是光子的运动速度,并且让光子的运动速度满足光速不变(光速不变的原因是介质波),这本身就是矛盾、荒谬的,导致了时空是交织、相对的错误结论。

进一步推测,宇宙空间这种介质本身可以运动变化(如旋转,自身压缩、膨胀)和具有很多特殊的性质,并且可能也是在不断振动,只是频率趋向于无穷小,波长趋向于无穷大。当输入能量激发它振动在电磁波的频率范围时,就是我们探测到的电磁波。当它频率继续增大,或叠加上它自身的运动变化(如旋转、直线运动、压缩),它就可以变化成对应的物质基本粒子(如电子)。宇宙的整个秘密就藏在宇宙空间的这种介质中。

所有的物质都处在构成自身的宇宙空间这种介质中,并且相互联系在一起。物质能量会不断损失的本质原因,因为它的振动频率大于宇宙空间介质的频率,从而带动介质的振动加速,表现为电磁波辐射的形式。

根据电磁波的能量只与频率有关,推测宇宙空间介质的性质。振动越快,对应作用力越大,物质聚集性明显,表现出粒子性越明显(搅拌的越快越浓稠)。振动很慢时,对应作用力小,介质是弥散的状态,波动性明显。这好像可以解释光的波粒二象性和量子的不确定性原理。

再来理解原子结构。物质粒子的质量越大,其内部的介质运动越快,作用力也越大。在小区域内,为了平衡粒子内部的作用力,周围外部介质也需要加速运动产生强的作用力,这就是原子核内部的强相互作用的情况。随着原子核外区域的增大,介质的作用力大小只需分别平衡分散的电子作用力。这个区域的介质振动变慢,对应的作用力变小,这就是原子的核外电子云区间的电磁力。再推测黑洞的情况,当组成物质的原子结构的平衡系统破坏时,周围的介质就会形成一个巨大的涡旋,来寻求新的平衡(相当于一个巨大的原子核,周围没有分散的电子来平衡),吸收和吞噬一切物质,即表现为黑洞。

最后说一下弦理论,它的弦模型和我预言的宇宙空间这种物质有许多契合的地方,相当于是对宇宙空间这种介质进行精确的定量描述。但是,弦理论的问题在于用了一个不准确的弦模型来计算描述粒子和作用力,造成了过程的复杂化和结果的不理想。

2 对质量和电荷的思考引发的推测

光子没有质量、电荷,电子有质量、电荷。光子和电子之间可以相互转换,一对正、负电子湮灭释放出高能光子,反之也可以。这不意味着质量和电是联系在一起的么?原子有质量也带有正、负电荷,只是整体不对外表现出电性。

质量引力公式F=G(M1×M2)/R2和电荷库仑公式F=K(Q1×Q2)/R2,是如此的相似,像是在暗示他们之间的关系。引力的大小在数量级上只是电磁力的1/1038,推测由于某些原因(比如:引力使物体距离变小、斥力使距离变大的趋势;或者原子核外电子的运动位置的变化),使电磁力中的引力占了点优势。斥力和引力最后的合力就表现为引力,也就是说万有引力源于电磁力。原子结构和星系结构也是如此的相似,好像又在告诉我们,引力就是电磁力。

万有引力是电磁力的引力和斥力的合成的猜想,可以很好的解释万有引力做功问题。当物体落向地面的过程中,万有引力做功,值却在增大。这是因为当距离在减小时,电磁力中的引力的优势在增大,所以万有引力做功了,值却可以增大。当物体远离地球时,克服万有引力做功,值却在减小。这是因为当距离在增大时,电磁力中的引力的优势在减小。本质原因是物质内部结构的电磁作用在变化调整。

通过引力公式,我们反过来理解质量,则质量的大小表现为受到引力大小的程度。既然引力源于电磁力的某种转换,则物质的质量会受电磁作用力的影响而改变。带有电荷的物质相对运动时会产生电流、磁场,磁场的作用总是阻碍物体运动状态的改变,使质量表现出惯性(注意:所有的物质都处在构成自身的宇宙空间这种介质中,相互联系在一起,且介质本身也是电磁场)。

物质的质量会随速度改变的解释。实质的原因是物质的速度改变会引起电磁力的变化,引力也要随之改变,导致质量会发生变化。速度越大,电磁作用就越大,则物质表现出加速越难。质量会随速度改变,这本身就说明了质量并不是物质最本质的属性。

质量和能量关系的解释。能量是描述物质的内部、外部的作用力发生变化、转换时,对应的效应(做功)的物理量。具体说,化学反应的能量是原子结构间的新、旧化学键的变换,引起原子结构的外层电子变化,发生了作用力的改变时对应的能量。核反应(裂变和聚变)是原子中的原子核结构的改变,引起原子结构大的变化,发生了作用力的大改变而释放的能量。只是后者的作用力改变大,能量释放量大,以至能观测到质量的变化。既然认为质量的大小受电磁作用力的影响,那么质量当然也可以通过变化转换作用力的形式并释放出对应的能量。

能量守恒的解释。系统不管处于何种状态下,理论上都可以归回到一个最本质的状态,只有一个本质的作用力,对应着一个确定的效应功W(能量)。这个本质的作用力中间不管怎么变身为不同表现形式的作用力,最终回到本质状态时,其作用力和效应功W仍然一样(见后面宇宙系统的分析)。这样,能量守恒是必然的。

时间随速度增大变慢的解释,当物质的速度增大时,电磁力会随之增大,增大的电磁力会使原子共振频率变慢,则表现为时间变慢。

电、磁的相互变换及耦合作用,无穷叠加的物质结构、分布的复杂性及它们之间的复杂的相对运动。物质都处在构成自身的宇宙空间这种介质中,并且相互联系在一起。这些因素的共同影响作用,就是上述分析的现象关系的本质原因。

进一步推测,强相互作用是电荷或电流的电磁作用限制在核子尺度范围上的表现形式;当尺度范围大于原子半径时,就是我们熟知的电磁作用;当电磁作用的尺度范围大到某个值后(比如无穷大时),则表现为电磁波的形式。弱作用只是强作用下的一种作用的变化转换。宇宙中只有一种作用,即电磁作用。

电磁作用有各种不同形式的组合方式,体现出不同物质的形态和性质。宇宙空间是最小的电磁作用和对应的物质形态,电磁波是它的介质波,具有光速和光速不变性。元素周期表是在原子结构形式和尺度下,电磁作用的组合规律。电子对撞机撞出的各种粒子是比原子尺度更小的不同情况的电磁作用对应的物质形态。这些粒子里面有少数是基本粒子(如电子),基本粒子是由宇宙空间介质的运动变化直接产生的。像元素周期表那样,也想寻找出规律,便是还在努力中的大统一的粒子标准模型。从理论上说,电磁作用的组合方式是无穷多的,粒子的种类也无穷多的,但基本粒子的数量可能是确定的。

电磁作用可以在不同的作用组合之间(物质和物质之间)变化转换,这涵盖了经典牛顿力学上的功能原理。电磁作用组合方式的改变会产生出不同的物质形态和对应的能量,比如前面说到的化学反应和核反应。物质与物质都可以相互转化,包括粒子物质和宇宙空间这种物质可以相互转化。对于有限的空间来说(比如太阳系),能量主要存贮在物质的粒子结构中;对于广袤的整个宇宙来说,宇宙空间这种物质存贮的能量会占据更大的份额。

最后推想一下,宇宙这个大系统的两种极端情况。当所有的作用都表现为宇宙空间的澎湃振动时(电磁波),很像神话传说中的盘古开天地的情形。当所有的作用都表现为强相互作用时,像是宇宙大爆炸理论中的起始点。

原子核外电子的运动位置变化对库仑合力的影响分析:

图1 氢原子的核外电子不同位置时的库仑力Fig.1 The Coulomb force at different positions of the exonuclear electrons of the hydrogen atom

在(4)式中,当n取值大于2.5 时,库伦力合力大于零,表现为引力。随着n的增大,引力F减小,并最终趋向于0。

由前面4个式子可知,单个原子时,电子在不同位置时,两个氢原子之间表现出引力或斥力。由但当物质多原子叠加作用时,则表现为引力。

虽然这里只分析了氢原子的电子在特殊情况位置的情况,如果假定电子绕原子核运动时,不能承受切向的作用力,只能承担径向的作用力。即电子在切向运动是自由的,则上述分析包含了氢原子的电子在所有位置的情况。也推广应用到各种元素构成的物质,因为原子的电子云都是对称的。电子绕核运动时,即使考虑切向可以受很小的力。当两个电荷表现为引力的时候,电子有靠近的趋势,距离会有缩小;表现为斥力时,电子有远离的趋势,距离会有增大。这样会使电子保持在对引力有利的位置上,或者说在这些位置上的概率更大。

当两个原子有相对运动时,就会产生电流、磁场,以及多原子相互作用的情况。更复杂的电磁相互影响作用的计算分析,有待进一步探讨。