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再探物质的本质
——读陈绍光先生的《谁引爆了宇宙》一书所想到的 马国梁 最近，笔者有幸读到中国实验物理学家陈绍光先生的《谁引爆了宇宙》一书。掩卷之余，颇思良久，浮想联翩，感慨系之。在人类科技高度发达的今天，可我们对物质的本质却依然弄不明白。不仅在微观和宏观两个领域我们还有大量的疑难问题，就是在我们周围关于物质组合的奇迹（如生命现象）我们就已研究透了么？没有，远远没有！在大自然面前我们人类是多么渺小啊！但是我们不能消极，不能无所作为。从这个意义上讲，陈先生的努力尝试又是难能可贵的。虽然我们的力量有限，但我们不妨先把问题提出来，以启发更多的人去思考。在这方面，笔者也做了些努力。当然不是从细节，而是从大框架的层面上进行的。笔者认为，物质的最基本的属性有以下四个方面： 一、物质与空间不可分割。所有的物质都占有空间，没有不占空间的物质。质点的体积不能为零，物质密度不能是无穷大；没有无任何物质的空间，任何一处空间的物质密度都不能是零。空间是均匀、连续、统一的，物质是不均匀、连续、统一的。 二、物质可以在空间中连续移动。空间中的物质密度有涨有落，物质彼此间可以相互错动。此乃时间起源之由。 三、物质间有相互作用，作用力有引力和斥力两类。引力是使物质凝聚成团、使其空间规模有限的原因；斥力则是阻止物质收缩、使物质在空间中均布的原因。不管物质的层次多么低，物质单元有多小，都应有引力和斥力存在，否则在高层领域也不会有引力和斥力存在。力是物质本来就有的，它不可能从无中生有。 四、物质系统的结构是分层次的。但仅用科技手段我们无法证明它们在微观方向是不是无限可分、在宏观方向是不是无限大，须借助哲学思想来推断。从实验技术上，我们人类所能认识的层次范围总是有限的。这不是消极的“不可知论”，因为人类的寿命终究是有限的，人类科技手段的提高速度也是有限的。越往两个极端，人类的认识就越模糊不清。也许在那里有我们的知识经验中所没有甚至相反的东西，因而我们也就永远无法弄清其中的奥妙，从而使我们的种种学说都成为是非难辨的假说。 在空间中，凡我们人类所不能分辨的粒子以下的物质可统统视为“以太的海洋”，曰“真空基态量子场”。我们所能认识的实粒子都是从这动荡的海洋中诞生的，是物质的密集点或空心旋涡。它们的能态比较高，就象蒸发出来的水分子一样。 实粒子周围都有自己的场，周围无场的粒子叫做裸粒子。实粒子可以在空间中以任意速度做连续的匀速直线运动（惯性运动），之所以这样是由于空间和粒子本身的对称性造成的。空间处处均匀、各向同性，粒子前后对称，在横截面上对称，故各个方向的作用力都能够相互平衡。当然这也许只是一条近似的规律。粒子在运动过程中受真空场作用，速度可能在慢慢减小，将动能转移给真空场，使它动荡地更加剧烈；运动方向也可能在慢慢发生偏转，但这些通常完全可以不计。 真空中波有一个固定的共同的传播速度——光速，它是由真空场的性质决定的。凡是速度可以任意大小、任意改变的运动都只能是粒子的运动而不是波动。所以光的本质只能是波，粒子性只是一种表面现象,是某些光脉冲。 理论上的裸粒子难以约束、行踪不定，速度不限；而实粒子则受各种场的作用、受其它粒子场的作用，所以其运动具有规律性，速度有限。实粒子在空间中运动时之所以反抗速度的变化（产生惯性力），是因为粒子的运动动能（磁场能）不能突变，谁要改变之它就反对谁。这就是惯性的由来。而裸粒子和在绝对真空中的实粒子则是没有惯性的。 当实粒子相互结合成各高级粒子系统时会拥有新的性质，形成新的场和力。弄清各种力的起源、规律以及实现它们的统一是人类的一个理想，且也是一个很难的课题。涉及到物质的本质，至今仍然众说纷纭、莫衷一是。陈绍光先生在《谁引爆了宇宙》一书中虽然对引力的起源作了自己独到的探索，但很可惜，他的观点也是经不住推敲的。 陈先生认为，A质点之所以受到B质点的吸引力，原因是B侧远道而来的以光速运动的中微子被B质点屏蔽了，对A质点的撞击“减少”了，使A质点的外侧受到一个净的指向B的压力。但是：①我们知道，粒子越小，其运动的波动性越强，电子的衍射已经足以观测到，那么更小的中微子的衍射岂不更大？当两质点相距较远时它又怎么可能被屏蔽呢？②中微子作为实粒子，它怎么可能以恒定的光速运动呢？通过碰撞也不能被加速吗？受到真空场的阻碍也不减速吗？③陈先生据之推算的地球在公转运动中所受的真空场的阻力偏大（与v/c成线性关系），动能损失偏多。地球的动能损失率为ΔE/mcc = 6.15×10^（-12）/年，与自身动能的比率为ΔE/(mvv/2)= 6.15×10^(-4)/年。运动速度的半衰期为2200多年，可天文观测的结果证明，实际远没有这么多。④陈先生将夸克作为产生引力的最小质点还是偏大了些，其屏蔽作用使中微子在物体内难以穿行，与事实不符。综上所述，陈先生的理论是站不住脚的。另外陈先生还坚持广义相对论是正确的，将时钟运行频率与光的频率混为一谈，认为时钟频率变化也可由引力势引起，这也是令人遗憾的。在同一均匀的引力场中，上游和下游的时钟为什么就会运行频率不同呢？在同一等势面上但引力场不同的时钟为什么就能运行频率相同呢？ 陈先生提出的“局域化宇宙”也是有相当局限性的。因为他需要回答“宇宙之外是什么”的问题，还有“宇宙边缘处的引力是如何被平衡的困难”。笔者认为：从最高的层次上讲，宇宙应当是无限大且均匀分布的。总体均匀中有局部的不均匀，局部的不均匀内又有均匀。不仅只此，无限的宇宙在最高层次上还是静止的,否则就会出现另一个宇宙的问题。无限的宇宙只能是唯一的，它是无所不包的。尽管在宇宙内，所有的物质不可能是静止的，都在运动着，但这不代表由他们组成的整体也在运动着。一个物质系统相对于自己来说永远是静止的。这个情况就象水杯内的热水一样：尽管每个水分子都在做热运动，但不代表整杯水也在做热运动。其运动的级别是不同的。 陈先生的“引力屏蔽效应”有人为夸大之嫌。天文观测的结果证明：引力屏蔽效应微不足道，各巨大恒星、星系都几乎是引力的透明体。只要承认宇宙是无限均匀的，那么每个天体所受到的来自周围远方的引力就都能够相互平衡，根本用不着“屏蔽”来防止它成为无穷大。只有周围邻近的天体引力不能相互平衡，对其运动状态起着决定性的作用。 当然陈先生的观点也有许多值得称道之处。陈先生毅然否定了“宇宙大爆炸”之说。认为“宇宙究竟是有限大还是无限大”无法从物理上判定，但宇宙年龄至少在十万亿年以上，宇宙半径不小于十万亿光年，这比“宇宙大爆炸”的说法扩大了几百倍；陈先生还提出了物体的质量（粒子数量）会因运动吸附和组织结构而变化，这也是可能的；另外陈先生提出用“途中引力红移”来替代“退行红移”也是值得赞赏的。我们知道“真空不空”，当光穿越其中时要经过微粒子一次次的再发射。由于发射时间的滞后使得光速被减小了，由于能量被吸收而使得光频率也减小了。且穿行距离越大，频率减小的越多，这就是遥远星光发生红移的原因。当光背离引力场运动时，由于能量损失也可能发生红移，其红移多少与引力势有关，这也是可以理解的。还有他对类星体之谜的解释、对微波背景辐射、氦丰度的解释也都顺理成章，令人信服。 因此，陈先生功不可没，应该给他打60分。 那么对于各种力的产生比较可信的说法应该是怎样的呢？笔者认为，现代粒子物理学已经给定了正确的方向。它告诉我们：实粒子之间的相互作用都是通过交换某种媒介粒子来传递的。在它看来，所有的场都是由基态粒子组成的，各种场波就是其中处于激发态的粒子。例如引力场是由引力子组成的，电磁场是由光子组成的等。这是令人欣喜的。不过这个说法容易让人产生误解。因而准确的说法应当是：粒子之间的相互作用都是粒子通过吸引或排斥对方的场来实现的。例每个质点都吸附着周围的引力场，可当它吸引其它质点的引力场（不分方向）时，那么其它质点即被吸引了；每个核子都拥有自己的介子，可是当它能够吸收其它核子的介子时，那么其它核子即被强烈的吸住了；每个电子周围都有电场，可是当电子排斥其它电子的反向电场时，该电子即被排斥了。当它吸引正电子的同向电场时，正电子即被吸引了； 每个磁极附近都有磁场，可是当磁极排斥同名磁极的反向磁场时，同名磁极即被排斥了。当它吸引异名磁极的同向磁场时，异名磁极即被吸引了。弱相互作用也与此同理。粒子和粒子之间并不直接相互作用，归根到底还是粒子与场相互作用，既与自己的场又与别个的场相互作用。 弄清各种力的起源，对于我们研究力在运动过程中的变化规律是很有必要的。研究运动物体的时空特性需要运用运动力学的知识，而研究各种力的运动特性则需从力的产生机制来着手。当自由的实粒子在空间中静止时，其周围的场是呈球形分布的，但当粒子运动、改变运动状态或进行组织结构时，由于力的作用，粒子就要偏心，场的形状就要发生变化了。同时宏观物体的形状、内外受力及运动状态也要发生变化。 均匀密实的核粒子是组成宏观物体的最重要的基本粒子，其场的半径范围是核半径的万倍以上。当原子核在空间中运动时，它要受到以太的阻力。设以太子在原子核表面进行的是完全弹性碰撞，那么原子核迎面所受的阻力是 f =∫2πr sinαrdαcosαuρ2u cosαcosα （积分区间 0 →π/2 ） =πrrρuu 由加速度定律 f = - m du/dt 得速度的变化规律为 u = u。/（1 + πrrρu。t/m） △u = -πrrρu。t/m 设 以太的密度为 ρ= 10^（-26）千克/立方米 初速度u。= 30 千米/秒 那么氢原子核在1亿年里所减少的速度为 △u = 2.6×10^（-9）米/秒，实在是太少了。这个力在性质上可让原子核的位置滞后一些。 所有实粒子在变速时的位置都要滞后于惯性力的方向；另外由于力传播速度的有限性，使粒子的运动也不可能和场的运动完全同步。 实粒子的质量和体积越小，它在运动时受以太场的干扰就越大，其运动的波动性就越强。就象树叶、羽毛在空气中不可能平动一样（注意：柳絮、蒲公英种子、刺儿菜种子因为体积大故可以在空气中平动）。电子是无内部结构的点粒子，质量很小，带有电场、运动磁场、自旋磁场，所以它在空间中运动时具有波动性。 原子核外有电场、有自旋磁场；电子带负电场，有运动磁场、自旋磁场；另还有其它电子的电磁场，所以电子在核外不可能有固定的轨道，而是沿“阻力最小”的复杂路线翻飞、运转的，可以到达空间的任一处。当然从统计的结果看，它总有出现机会比较少的区域，故“电子云”可有不同的形状。为原子结合成分子奠定了基础。 核外电子轨道所以呈不连续的量子化，是由电子自转、公转的频率决定的，只有当两者成整倍关系（共振、耦合）时，才能有稳定的轨道范围。各层轨道因为越往外空间越大，所以欲填满它所需的电子就越多。各电子是从内到外按能态从低到高依次排列的。整个原子只有当正负电荷相等、最外层电子饱和后才能成为性质稳定的“惰性元素”。惰性原子间的作用力几乎为零。 各中性的原子当最外层电子不饱和时，就意味着正电场并未被完全封闭，它还能吸引其它核的电子而结合成分子。所以由原子结合成分子靠的并不是电子云间的作用，因为两核的电子云也是相互排斥的；靠的还是原子核对邻近其它核电子的吸引作用，使最外层电子云相互嵌插而成一体。 但中性分子的电磁场也只能说是基本上封闭了，其实仍有少量外泄，这就使分子有了磁性、电性，为分子力的形成奠定了基础。所以宏观物体在本质上仍然是靠电磁力结合成的。 那么宏观物体就绝对中性了么？当然没有！它也还有极其微量的外泄电磁场，这也许就是万有引力场的本质。那么相同性质的宏观物体，为什么任何两者之间都能相互吸引呢？让我们想一想两个氢原子是怎么结合成氢气分子的；金属元素的原子是怎么凝成金属块的；两宏观物体的表面当贴的很近时又是怎么粘合的！所以当他们距离较远时，彼此间也仍有相互作用的引力。 如果万有引力的实质真的就是电磁力——我们已知弱力的实质是电磁力——那么强力也很可能是极近距离的电磁力，而磁场又是电场衍生出来的，这样以来我们就可以把所有的力最终统一为电场力，完成多少代人的夙愿。 电磁波在空间中有一个统一的速度——光速。可当它在总体静止的物质中穿行时，速度却要不同程度的减慢。虽然原子核不动只有电子动，可是电磁波从吸收到再发射总要耽搁些时间。重新发射的波有的继续前进，有的反射，有的散射。电磁波不能被重新发射的那部分是能与核外电子共振的频段，被吸收后即引起了整个原子的振荡。 宏观物体传递机械力的速度即由整个原子参与的声波传播速度。声速的平方与弹性模量成正比，与物质的密度成反比。 物体空间性质的改变即其大小、形状的改变；物体时间性质的改变即其寿命和内部运行速率的改变。这些改变对我们并不陌生，但现在使我们最感兴趣的是由绝对运动所引起的物体时空性质的变化。“长度收缩”应与组成物体的材料无关；“时间变慢”应与时钟的类型无关。强力时钟如元素的半衰期，电磁力钟如带电粒子的寿命、分子、原子的振荡、原子的内震荡、电路振荡、弹力振动；引力时钟如重力摆动、天体的周期运行；另外还有生物钟等。如果所有的力都能最终统一为电场力，其传递速度都是光速，那么当物体在空间中做绝对运动时，它所领有的局部时空发生统一的改变也并非没有可能，物体所受的外力也可能随之发生相应的变化。当然变化因子是不是(1-uu/cc)的幂还需要通过多方实验来验证。 所以现在最重要的问题还是实验，实验结果多了我们自然就能分析出其中的规律，再去建立更新的理论。但是在当今这个时代，象牛顿运动定律那样人人可以动手做的实验都已经做完了，更高级、更精确的实验一般人已经无法做了。世界上有限的几个现代物理实验室都在各行其事、四面出击，无法集中力量在某些方面实现突破。因而我们上面所述的问题要想得到真正解决尚需时日，还有很长的路要走。 |