關于宇宙大統一理論的猜想

龔國江

宜春學院土木系 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率μ0 和介電常數ε0,這很讓人疑惑不解。如果從中發現電磁波也是介質波,那么什么是電磁波的介質,它又具有怎樣的性質?神秘的量子世界能從這里打開嗎?

在物理理論上,引力始終無法統一到強力、弱力、電磁力中來,原因可能是把引力當成了另外的一種作用力。本文推測引力來源于電磁力,從而進一步推測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形式,物質形態和性質的多樣性來自于電磁作用的組合方式的復雜多樣化。

通過電磁波介質的引入和引力是電磁力的推測,從原理和機制上,可以統一所有的作用力,解釋宇宙中物質的起源、變化和轉化的過程,建立起從量子微觀到宇宙宏觀的緊密聯系

1 對電磁波速度的思考引發的推測

先來理解真空中的磁導率μ0 和介電常數ε0的本質上的含義,因為它們決定了電磁波的速度。當一個速度為v、帶電量為q的粒子在強度為H 的磁場中運動時,為了度量這粒子受到的電磁力大小,引入了磁導率μ0這個物理量。

式中,U 為波函數(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率μ0和介電常數ε0。

從表面上看,速度和兩個常數之間并沒有關系。如果我們把電磁場也看成是一種電磁作用對應的一種物質形態,那么磁導率μ0 和介電常數ε0就決定了電磁場這種物質中的相鄰點間的電磁相互作用力的大小。

類比機械彈性波的波動方程,見下面的公式(5)。決定機械波速度的是介質內部的相互作用力T 和介質的密度ρ。機械波的一維自由振動齊次方程:

式中,a2=T/ρ,其中T為介質的張力,ρ為介質的線密度。波動方程中a就是波的傳播速度。電磁場(電磁場是一種物質)可以認為其質量密度是非常小的值,以至于電磁波的速度非常大。其實,質量也是物質電磁作用力的表征物理量(參見下面的,對質量和電荷的思考引發的推測)。所以,決定電磁波傳播速度的只有電磁場內部的相互作用力,并由磁導率μ0和介電常數ε0決定。

電磁波和機械波可以類比,還需要解釋一個重要的問題,兩者波動方程的推導所用的原理是否相同或本質相關。電磁波的波動方程推導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(物質宏觀層面上),只考慮純電磁場作用(物質微觀層面上)。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,電磁相互轉換。機械波的波動方程推導用的是慣性力的概念(牛頓第二定律)建立的動態平衡。那么,麥克斯韋方程組和慣性力有本質關系嗎?答案是肯定的。從電磁作用的角度去分析,當物體的運動狀態改變時,電、磁通量會發生變化,從而引起額外的電磁力來阻礙物體運動狀態的改變,即表現為物質的慣性力?；蛘哒f,牛頓第一、二定律就是麥克斯韋方程組在宏觀物質上的一種體現形式。

由此可見,電磁波和機械彈性介質波本質上并沒有多大不同。如果電磁波是交變的電場和磁場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率μ0 和介電常數ε0(這兩個常數是決定電磁場這種物質內部相互作用力的物理量)?這顯然說不通!一種更合理的解釋是電磁波也是一種介質波,這個介質就是整個宇宙空間。只需要把宇宙空間也看成是一種物質形態,或者說整個宇宙空間就是一種最微弱的電磁場對應的物質形態,這是不是就是要尋找的暗物質、暗能量?

所以電磁波會具有介質波的所有特性,也就不需要用相對論去解釋光速問題。相對論中把光速看成是光子的運動速度,并且讓光子的運動速度滿足光速不變(光速不變的原因是介質波),這本身就是矛盾、荒謬的,導致了時空是交織、相對的錯誤結論。

進一步推測,宇宙空間這種介質本身可以運動變化(如旋轉,自身壓縮、膨脹)和具有很多特殊的性質,并且可能也是在不斷振動,只是頻率趨向于無窮小,波長趨向于無窮大。當輸入能量激發它振動在電磁波的頻率范圍時,就是我們探測到的電磁波。當它頻率繼續增大,或疊加上它自身的運動變化(如旋轉、直線運動、壓縮),它就可以變化成對應的物質基本粒子(如電子)。宇宙的整個秘密就藏在宇宙空間的這種介質中。

所有的物質都處在構成自身的宇宙空間這種介質中,并且相互聯系在一起。物質能量會不斷損失的本質原因,因為它的振動頻率大于宇宙空間介質的頻率,從而帶動介質的振動加速,表現為電磁波輻射的形式。

根據電磁波的能量只與頻率有關,推測宇宙空間介質的性質。振動越快,對應作用力越大,物質聚集性明顯,表現出粒子性越明顯(攪拌的越快越濃稠)。振動很慢時,對應作用力小,介質是彌散的狀態,波動性明顯。這好像可以解釋光的波粒二象性和量子的不確定性原理。

再來理解原子結構。物質粒子的質量越大,其內部的介質運動越快,作用力也越大。在小區域內,為了平衡粒子內部的作用力,周圍外部介質也需要加速運動產生強的作用力,這就是原子核內部的強相互作用的情況。隨著原子核外區域的增大,介質的作用力大小只需分別平衡分散的電子作用力。這個區域的介質振動變慢,對應的作用力變小,這就是原子的核外電子云區間的電磁力。再推測黑洞的情況,當組成物質的原子結構的平衡系統破壞時,周圍的介質就會形成一個巨大的渦旋,來尋求新的平衡(相當于一個巨大的原子核,周圍沒有分散的電子來平衡),吸收和吞噬一切物質,即表現為黑洞。

最后說一下弦理論,它的弦模型和我預言的宇宙空間這種物質有許多契合的地方,相當于是對宇宙空間這種介質進行精確的定量描述。但是,弦理論的問題在于用了一個不準確的弦模型來計算描述粒子和作用力,造成了過程的復雜化和結果的不理想。

2 對質量和電荷的思考引發的推測

光子沒有質量、電荷,電子有質量、電荷。光子和電子之間可以相互轉換,一對正、負電子湮滅釋放出高能光子,反之也可以。這不意味著質量和電是聯系在一起的么?原子有質量也帶有正、負電荷,只是整體不對外表現出電性。

質量引力公式F=G(M1×M2)/R2和電荷庫侖公式F=K(Q1×Q2)/R2,是如此的相似,像是在暗示他們之間的關系。引力的大小在數量級上只是電磁力的1/1038,推測由于某些原因(比如:引力使物體距離變小、斥力使距離變大的趨勢;或者原子核外電子的運動位置的變化),使電磁力中的引力占了點優勢。斥力和引力最后的合力就表現為引力,也就是說萬有引力源于電磁力。原子結構和星系結構也是如此的相似,好像又在告訴我們,引力就是電磁力。

萬有引力是電磁力的引力和斥力的合成的猜想,可以很好的解釋萬有引力做功問題。當物體落向地面的過程中,萬有引力做功,值卻在增大。這是因為當距離在減小時,電磁力中的引力的優勢在增大,所以萬有引力做功了,值卻可以增大。當物體遠離地球時,克服萬有引力做功,值卻在減小。這是因為當距離在增大時,電磁力中的引力的優勢在減小。本質原因是物質內部結構的電磁作用在變化調整。

通過引力公式,我們反過來理解質量,則質量的大小表現為受到引力大小的程度。既然引力源于電磁力的某種轉換,則物質的質量會受電磁作用力的影響而改變。帶有電荷的物質相對運動時會產生電流、磁場,磁場的作用總是阻礙物體運動狀態的改變,使質量表現出慣性(注意:所有的物質都處在構成自身的宇宙空間這種介質中,相互聯系在一起,且介質本身也是電磁場)。

物質的質量會隨速度改變的解釋。實質的原因是物質的速度改變會引起電磁力的變化,引力也要隨之改變,導致質量會發生變化。速度越大,電磁作用就越大,則物質表現出加速越難。質量會隨速度改變,這本身就說明了質量并不是物質最本質的屬性。

質量和能量關系的解釋。能量是描述物質的內部、外部的作用力發生變化、轉換時,對應的效應(做功)的物理量。具體說,化學反應的能量是原子結構間的新、舊化學鍵的變換,引起原子結構的外層電子變化,發生了作用力的改變時對應的能量。核反應(裂變和聚變)是原子中的原子核結構的改變,引起原子結構大的變化,發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,以至能觀測到質量的變化。既然認為質量的大小受電磁作用力的影響,那么質量當然也可以通過變化轉換作用力的形式并釋放出對應的能量。

能量守恒的解釋。系統不管處于何種狀態下,理論上都可以歸回到一個最本質的狀態,只有一個本質的作用力,對應著一個確定的效應功W(能量)。這個本質的作用力中間不管怎么變身為不同表現形式的作用力,最終回到本質狀態時,其作用力和效應功W仍然一樣(見后面宇宙系統的分析)。這樣,能量守恒是必然的。

時間隨速度增大變慢的解釋,當物質的速度增大時,電磁力會隨之增大,增大的電磁力會使原子共振頻率變慢,則表現為時間變慢。

電、磁的相互變換及耦合作用,無窮疊加的物質結構、分布的復雜性及它們之間的復雜的相對運動。物質都處在構成自身的宇宙空間這種介質中,并且相互聯系在一起。這些因素的共同影響作用,就是上述分析的現象關系的本質原因。

進一步推測,強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形式;當尺度范圍大于原子半徑時,就是我們熟知的電磁作用;當電磁作用的尺度范圍大到某個值后(比如無窮大時),則表現為電磁波的形式。弱作用只是強作用下的一種作用的變化轉換。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,體現出不同物質的形態和性質。宇宙空間是最小的電磁作用和對應的物質形態,電磁波是它的介質波,具有光速和光速不變性。元素周期表是在原子結構形式和尺度下,電磁作用的組合規律。電子對撞機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應的物質形態。這些粒子里面有少數是基本粒子(如電子),基本粒子是由宇宙空間介質的運動變化直接產生的。像元素周期表那樣,也想尋找出規律,便是還在努力中的大統一的粒子標準模型。從理論上說,電磁作用的組合方式是無窮多的,粒子的種類也無窮多的,但基本粒子的數量可能是確定的。

電磁作用可以在不同的作用組合之間(物質和物質之間)變化轉換,這涵蓋了經典牛頓力學上的功能原理。電磁作用組合方式的改變會產生出不同的物質形態和對應的能量,比如前面說到的化學反應和核反應。物質與物質都可以相互轉化,包括粒子物質和宇宙空間這種物質可以相互轉化。對于有限的空間來說(比如太陽系),能量主要存貯在物質的粒子結構中;對于廣袤的整個宇宙來說,宇宙空間這種物質存貯的能量會占據更大的份額。

最后推想一下,宇宙這個大系統的兩種極端情況。當所有的作用都表現為宇宙空間的澎湃振動時(電磁波),很像神話傳說中的盤古開天地的情形。當所有的作用都表現為強相互作用時,像是宇宙大爆炸理論中的起始點。

原子核外電子的運動位置變化對庫侖合力的影響分析:

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

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

由前面4個式子可知,單個原子時,電子在不同位置時,兩個氫原子之間表現出引力或斥力。由但當物質多原子疊加作用時,則表現為引力。

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動時,不能承受切向的作用力,只能承擔徑向的作用力。即電子在切向運動是自由的,則上述分析包含了氫原子的電子在所有位置的情況。也推廣應用到各種元素構成的物質,因為原子的電子云都是對稱的。電子繞核運動時,即使考慮切向可以受很小的力。當兩個電荷表現為引力的時候,電子有靠近的趨勢,距離會有縮小;表現為斥力時,電子有遠離的趨勢,距離會有增大。這樣會使電子保持在對引力有利的位置上,或者說在這些位置上的概率更大。

當兩個原子有相對運動時,就會產生電流、磁場,以及多原子相互作用的情況。更復雜的電磁相互影響作用的計算分析,有待進一步探討。

3 結論

3.1 宇宙空間這種物質是最微弱的電磁場對應的物質形態,電磁波是宇宙空間的介質波。

3.2 所有的物質都處在構成自身的宇宙空間這種介質中,并且相互聯系在一起。量子效應和宇宙黑洞現象跟這種介質有關系。

3.3 強相互作用、弱相互作用都是電磁作用在不情況下的表現形式。

3.4 萬有引力源于電磁作用力,質量是電磁作用的一個表征物理量。質量慣性、質速關系和質能關系的本質都是物質的內部和外部電磁作用的變化改變及轉換的結果。

3.5 物質的基本粒子是由宇宙空間介質的運動變化直接產生的,宇宙萬物都是不同的電磁作用及組合的表現形態,也可以看成是無窮的基本粒子的疊加組合。

3.6 物質和物質之間都可以相互轉化,包括粒子物質和宇宙空間物質的相互轉化。宇宙全部能量存貯在粒子物質和宇宙空間這種物質中,在有限的粒子組成的物質空間中,能量主要存貯在物質的粒子結構中;在廣袤的宇宙中,宇宙空間這種物質存貯的能量占據更大的份額。