|
浅谈相互作用的统一 摘要 长期以来，人们有一种朴素的愿望，世界是统一的，各种基本相互作用应该有统一的起源。许多著名物理学家，例如爱因斯坦、海森堡、泡里（Pauli）等，在晚年致力于统一理论的研究，但是基于"交换力"思想下的统一都没有取得成功。1954年杨振宁和米尔斯(Yang-Mills)提出了对同位旋场规范化的SU(2)规范理论，称为非阿贝尔规范理论。主流物理界都认为，规范理论提供了各种相互作用统一理论的诱人的基础。但半个世纪过去了，这个理论似乎又走到了死胡同的尽头，还是看不出一点儿统一的端倪。 我们是否犯了方向性的错误？我们是否把本属简单的问题弄得复杂了？让我们审视一下相互作用统一的朴素历程并提出一种崭新、朴素、大胆的相互作用统一新想法。 一．牛顿的第一次归纳 我们这个世界表面看起来纷繁复杂，千姿百态。而在这表面的背后却有规律可循。奇妙的是，作为客观物质的人能够透过表面认识到这些规律，并把它归类、整理、形成系统的理论。 牛顿前，物体之间的相互作用是混沌的，充满了人的主观感觉和神的意志。人们认为相互作用只能发生在有生命的动物之间，而把山呼海啸、天体运行，说是神的力量。 牛顿出色的工作使混沌的世界变得清晰。 首先，他用一个字定义了什么叫相互作用，这个字就是"力"。力是物体间的相互作用，力总是成对出现的，有受力物体就一定存在施力物体。而不管这物体是否有生命、是大是小、是天体还是灰尘，只要它们之间存在相互作用，我们就称之有力发生。 那么，怎么确定有没有力发生呢？这就要从力的作用效果来判断。力有什么作用效果呢？力的作用效果只有两个：一是使物体发生形变，二是使物体速度发生改变。只要我们察觉到上述现象在发生，我们就说有力发生了。由此我们可以发现很多力：下滑力、压力、挤力、拉力、举力、向心力、回复力、神力等等......世界的相互作用种类太多了。 牛顿是第一个把这些力归类的人。也是第一个把效果力和性质力区分开的人。在牛顿那个年代，按性质分只有三种力：重力、弹力、摩擦力。尤其辉煌的是，他把天体之间的神力和使地面物体下坠的力，统一为一种--重力。 当时的人们把这三种力的来源算是搞清楚了： 1．重力是由于物体间天生就有的相互吸引的倾向而产生的，而且一切物体都如此，故称其为万有引力： F = Gm1m2/r2 2．弹力是由于物体发生形变，它要恢复这种形变，而产生的一种反抗形成了弹力。最典型的代表是弹簧的弹力： F = k x 3．摩擦力是由于物体表面不平而又相互运动而形成的一种阻碍相对运动的一种阻力： f = µ N 当时的所有相互作用都可以归纳为上述三种力之中。牛顿在他不朽的《自然哲学的数学原理》中详细阐述了力的作用效果及对运动的影响： F=dmv/dt 由此，奠定了经典物理学的力学基础。完成了第一次相互作用的大统一。 然而，在遥远的东方中国，四大发明之一的小磁针所表现出来相互作用却怎么也归纳不进他的大统一之中。此时的中国也完成了一项对物质的大统一，宇宙间万物，只由五种原素组成，即"金、木、水、火、土。"
二．爱因斯坦的第二次归纳
电与磁的定量研究是牛顿以后的事了。 库仑也许是受牛顿万有引力的影响和启发，发现了第四种力--库仑力： F = kq1q2/r2 库仑力与万有引力有着极其相似的形式，都遵循二次方反比规律，都是非接触力。库仑力的发现使人的眼界更宽，知道了天空中的雷电与脱衣时的火花是一回事。而且，进一步的研究使人们认识到，自然界存在且只存两种叫正负电荷的物质，同性相斥，异性相吸。 在奥斯特前，人们怎么也不会想到遥远东方的小磁针所表现出来的相互作用，会与天空中的雷电与脱衣时的火花的相互作用有什么联系，即，磁与电是两码事。 公元1820年，奥斯特偶然发现，电流能对小磁针产生相互作用。你想想，这是多么神奇的事情。磁铁是不吸铜的，然而，在铜导线中加入电流，磁铁就能吸铜了。随后，安培对电流和小磁针的相互作用进行了相当深入研究。并首次提出了"分子电流"假设，充分揭示了磁的电本质--动电生磁。 电，能产生磁。磁，能否产生电呢？ 法拉第经过认真仔细研究，用铁的事实证明，磁也可以产生电-----动磁生电。 麦克斯韦用优美的数学，将安培、法拉第等人的研究成果表述出来。称之为麦克斯韦方程组。它的物理思想是：变化的电场产生磁场；变化的磁场产生电场。请注意，这是一种"场"的语言。而且它是在摒弃了超距作用后，把相互作用首次以场方程的形式表示出来。"场"是什么？并没有人能说清除，但这并不防碍人们对"场"空间属性的描述。 麦克斯韦方程组对物理学的最大贡献是，预言了电磁波的存在，并把光现象统一到电磁现象规律中。指出，光是电磁波。此时，人们对微观世界的认识也在逐步深入，认识到了原子的构成。俄罗斯科学家门捷列夫提出了《原素周期表》，把世界各种物质统一在一张表中。 科学家们的出色工作，改变了人类的生活。汽车、飞机、无线电等等新玩艺不断涌现，物理学的研究工作受此影响也逐渐形成一种实用主义倾向。带有各种实用色彩的物理理论满天飞。热质说、以太论等等把物理学的基本相互作用早已抛到脑后，甚至麦克斯韦电磁理论也干脆不谈电场是什么？基本相互作用是什么？磁力的源泉是什么？ 物理学表面的繁荣，掩盖不了深层次的矛盾。自然界最本质东西应该是简单而优美的。 爱因斯坦的相对论在物理学史上又一次起到了拨乱反正的作用。狭义相对论的最大贡献之一就是统一了电场力和磁场力为库仑力。即磁场力是库仑力洛伦兹变换的结果。广义相对论，对引力进行了深入的研究，但始终没能把万有引力与库仑力联系起来、统一起来。公元1955年爱因斯坦去世时，他最大的遗憾，没能把自然界相互作用统一起来。至此，物理学界把自然界相互作用归纳为四种：万有引力、库仑力、强力、弱力。后两种力是在进行微观世界探究时发现的。 三．目前物理界对四种力的解释 第一种力是引力， 以量子力学的方法来研究引力，人们把两个物质粒子之间的引力描述成由称作引力子的自旋为2的粒子所携带。它自身没有质量，所以所携带的力是长程的。太阳和地球之间的引力可以归结为构成这两个物体的粒子之间的引力子交换。 另一种力是电磁力。 它比引力强得多。两个电子之间的电磁力是引力的大约1040倍。然而，一个大的物体，譬如地球或太阳，包含了几乎等量的正电荷和负电荷。由于单独粒子之间的吸引力和排斥力几乎全抵消了，因此两个物体之间纯粹的电磁力非常小。然而，电磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。 人们将电磁吸引力描绘成是由于称作光子的无质量的自旋为1的粒子的交换所引起的。而且，所交换的光子是虚粒子。 第三种力称为弱核力。它制约着放射性现象，并只作用于自旋为1/2的物质粒子。温伯格-萨拉姆理论认为，除了光子，还存在其他3个自旋为1的被统称作重矢量玻色子的粒子，它们携带弱力。 第四种力是强作用力。它将原子中的质子和中子束缚在一起。一般认为，称为胶子的另一种自旋为1的粒子携带强作用力。强核力具有一种称为禁闭的古怪性质，力程非常短，强相互作用比电磁相互作用又强了许多倍。70年代初提出的量子色动力学是目前相对比较满意的强作用理论。但是还有许多不清楚的问题等待人们去探索。 不难看出，现有理论认为，所有的力都存在相应的交换粒子。两个实物粒子通过交换粒子的交换而发生力的作用，称之为交换力。基于这种"交换力"思想下的统一并没有取得成功。 四．换个角度思考统一问题 一个事实：正电子和负电子可以"湮灭"，在真空中可以"产生"出正、负电子。那我们可以这样假设，真空本来就是由电子对构成。还可以概括假设为： （一） 物质本元的归一性 一切物质（包括各种基本粒子和场）都是由电子组成的。电子包括正电子和负电子。 （二） 电子间的相互作用规律 作用力大小为 f=ee(a/r)sin(b/r) a b为常数，f负为引力，正为斥力，如图。 电子间的相互作用为超距作用。
构成宇宙的最终物质就是正负电子，就好像构成多么复杂程序的最终要素就是0和1。电子是客观物质，电子不能产生也不能被消灭，宇宙电子总量守恒。任何物质的量都是电子的倍数。真空是复合电子对海洋。 单个正电子的电量e =1.60×10-19C 单个负电子的电量e = -1.60×10-19C 单个电子（无论正负）的静止质量 m = 9.1×10-31kg 复合电子对的电量为零，静止质量为零，极化量为d=ßr ß=3.9996×10-22 自然界一切相互作用都是由电子间的相互作用叠加而形成。电子间力的变化传播速度是光速c =2.9995×108m/s 五．库仑定律的微观修正 库仑经过大量的宏观实验表明：自然界存在且只存在两种电荷，正电荷和负电荷。电荷之间存在相互作用力，相互作用力的大小与两个电荷的乘积成正比，与两个电荷距离的平方成反比，相互作用力的方向作用在两个电荷的连线上，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。库仑把它表达为： F = kq1q2/r2 上式称之为库仑定律的表达式。在宏观世界已得到确认。 库仑定律在微观世界是否适用？没有直接的验证。人们潜意识把它应用到了微观世界，如果库仑定律在微观世界是成立的，必然导致两种矛盾的结果： 1．原子中的电子必须以接近光的速度围绕核高速旋转。否则，电子将被原子核的强大吸引力吸入原子核，导致原子坍塌。如果我们接受电子的高速旋转，又会出现与麦克斯韦电磁理论的冲突。麦克斯韦电磁理论指出：加速运动的带电粒子将向外辐射电磁波。电子如此大的向心加速运动并没有发现与之对应的电磁波辐射。 2．原子核内部的质子都是带正电的。它们又是靠得如此之近，相距小于10-15m。按库仑定律计算，原子核内两个质子间的库仑力将大于1000N。这么大的力为什么没有把质子分开？现有理论的权宜之计认为，在原子核内还存在一种"强力"，是这种"强力"抵消掉了库仑力。 我们也可以这样假设，微观世界里库仑定律不再成立，应修正为： f=ee(a/r)sin(b/r) a b为常数
上图为微观世界里，原子中的电子所受原子核施给的库仑力示意图。 这样不仅上述的矛盾迎刃而解，而且也不用人为引进神秘的量子化条件和多余的强力。还不会与宏观的实验结论相矛盾。 因为，当r>>b时，上式转化为： f=ee(a/r2) -- 宏观的库仑定律 当r<b时。f将发生周期性变化，引力和斥力的大小及方向将不按原库仑定律单向变化。这样就不必要求，实际可能不存在的电子围绕核高速旋转。也不用引进古怪的"强力"了。 原子中的电子只能处在L1、L2、L3......切线斜率为负与r相交的点附近，该点称为电子平衡点。该点斜率的绝对值称为平衡系数。斜率的绝对值随r减小而增大。所以越是内层电子越稳定，外层次之。 用此观点解释原子线状光谱也是很容易的。 实际原子中的电子所处的能级对应着电子平衡点。不同的能级对应不同的电子平衡点。电子平衡点的斜率决定光的频率。基态原子中的电子都在各自电子平衡点附近"逗留"，保持着原子的稳定性。当原子受激时，电子将偏离电子平衡点并开始做简谐运动。这种运动的传播便形成了光的现象。 对于氢原子来说，核外只有一个电子。每一个原子受激只能发射单一频率的光。对应光谱上的一条谱线。大量氢原子同时受激时，由于每个原子中的电子所处的电子平衡点不同，表现出不同的频率而形成氢元素的光谱。由于约束下原子中电子的电子平衡点是不连续的。所以，光谱也是不连续的。 六．万有引力微观本质探索 万有引力是否可以看成是中性物体电极化造成的？带电体引起中性物体发生极化现象我们已经非常熟悉，其效果是产生引力。那么，中性物体之间能否发生电的极化现象呢？完全可以。因为，我们已经假设，一切中性物体都是由电子构成的。包括中子、中微子等所谓基本粒子。让我们先来看看最简单的情况：两个电子对相距较远的受力情况。如图 由库仑定律既可得出： 电吸引力f1= -（eeab/R12+ eeab/R22 ） 电排斥力f2 =2eeab/R32 其合力：f = f1+f2 =eeab（2/R32 -1/R12 -1/R22） =eeab（2R12R22- R32R22- R32R12）/ R12R22R32 由于：R2 = R1 - 2d R3 = R1 - d 代入上式： 进行运算，整理。并考虑到R>>d 得： f= -6eeabd2 /R4 令:R=r d=ßr 代入得： f = -6eeabß2/r2 再令: 6eeabß２ = G0 = 2.09×10-70 Nm2 (绝对引力常数.) 则: f= -G0/r2 上式中,负号表示引力效果。即，万有引力。对于一般物体之间的万有引力只不过是上式的迭加。 此相互作用为超距作用。 综上所述，自然界的一切相互作用都是电子间的相互作用迭加而形成，都具有统一的性质和统一的来源。 "场"的引入是把物理学带入了金光大道，还是把物理学领进了死胡同？摒弃超距作用后，相互作用都以场方程的形式表示出来了，可是场到底又是什么呢? 场，就是复合电子对的海洋，电场、磁场、引力场，就是这种"海洋"所处的不同状态。
作者：王保新 E-mail：wbx.21@163.com ※※※※※※ 科学求真；宗教求善；艺术求美 |
