序言

物理科学探疑-网友天空-系统观点-李学生-序言
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序言
(济南市长清第一中学东校区李学生 250300 E-mail:xiandaiwulixue@21cn.com 电话：0531-7226838)

物理对象应当统一于一个共同的"理"，然而现代物理学拥有一个支离破碎的物理理念世界:超宏观的有天文学的"黑洞"，"宇宙大爆炸";微观的有微观粒子的波粒二象性;介于其间的有狭义和广义相对论。著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者普里高津讲：“我们正处在一个新的自然观念的起点上，也许我们最终有可能把强调定量描述的西方传统和着眼于自组织描述的中国传统结合起来。”

物理过程是客观存在的，人类在黑暗中探索，凭着不完全的感觉——实验观测到的现象、数据材料等，引出新的观念，找出新的规律，说明已有的结果和预言新的现象。这些由实验启发而得出的“基本规律”，是客观世界真实过程的近似描述，肯定有适用的范围。它所用的观念和处理问题的方式，也会深深打下发现者自身的烙印。他们的正确发现使人类对客观世界的认识前进了一大步，他们的某些错误和不足也会引导人们走入歧途。作为学习和研究的正确态度，对任何理论，即使是被认为最“成功”、最完美的理论，在学习与研究时要不为其成功所迷惑，透过表面现象需看到它的不足和局限，自始至终保持清醒的头脑，为更新观念和理论留下创造和接受的空间。Einstein认为：“在一个最基础的层次上追寻某个理论或思想的发展，具有一种独特的魅力，即一种直接性，而如果原始材料被许多当代人的工作系统化地整理之后，这种直接性就会不复存在。”

相对论和量子力学的提出，是20世纪物理学的两个划时代的里程碑，相对论和量子力学理论以前所未有的深度改变了人们的世界观，然而由于相对论和量子力学的基本概念与人们日常生活经验如此不同，诞生伊始至今，对于相对论和量子力学原理的诠释存在持续不断的争论。当前，物理学的基础理论发展全面遇到了困难，20世纪90年代以后所召开的世界性的物理学学术会议都要谈到物理学的困境，一些有哲学眼光的科学家，开始怀疑整个物理学的基础理论是否存在着严重问题。1995年，在美国匹兹堡世界应用物理大会上，5千多位与会者的热门话题不是什么新发现或新发明，而是“物理学还有没有发展的前景？”1997年在德国科隆物理学研讨会惊呼：“物理学正处在宛如开普勒三大定律拯救天文学之前夜”！1998年在圣彼得堡由俄罗斯科学院等主办的自然科学基本问题国际学术会上，300多与会者取得共识：当代科学基础理论问题严重，相对论漏洞百出……。有人总结说：20世纪初物理学上空的“两朵乌云”，不仅未消，如今反倒平添了许多。美籍华人著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者李政道把“一些物理现象理论上对称，但实验结果不对称”、“暗物质问题、暗能量问题”、"类星体的发能远远超过核能，每个类星体的能量竟然是太阳能量的1015倍"、“夸克禁闭”称为是21世纪科技界所面临的四大难题。笔者通过17年的思考，提出了自己对于现代物理学基础的认识，恳请同行前辈们赐教！

笔者从分析Einstein的哲学观入手，根据唯物辩证法与李英杰先生的相对绝对论，结合现代科技的成就，指出了相对绝对论是自然界的一条基本规律，利用对称的相对性与绝对性原理解释了分立对称性失效的根本原因；狭义相对论认为时间与空间是密不可分的，那么时空的本质是什么？笔者经过认真地思考后提出了“时空平权理论和场的时空本质的观点”，阐述了时间与空间的关系，指出空间是静止的时间，时间是运动的空间，把时间单位与空间单位统一起来，使国际基本物理量减少一个，在此基础上根据量纲推导出了质能方程，指明了暗物质与暗能量的来源；狭义相对论认为，静止质量是不变的，运动质量是改变的，变化的机制又是什么，为什么在变化的运动质量中包含着不变的引力质量？笔者通过修正Lorentz transformation变换，圆满地解释了双生子佯谬和潜水艇悖论，使狭义相对论中的尺缩钟慢效应与广义相对论效应统一起来。

文章的主题是阐述引力质量与电磁质量的关系。Einstein曾说过：“对于电和磁的理论概念，人们引入了一种特殊的质量（电磁质量）。并假定在此类物质间存在着类似于Newton的万有引力的超距作用。然而这种特殊物质又似乎缺乏惯性的基本性质，而且作用于这类物质和有重物质之间的力依然很含糊。在这些困难上，又不得不加上此类物质的极性特征——而这又不适合经典力学的纲领。当电动力学现象为人们所熟知时，这个理论的基础仍是不令人满意的。尽管这些现象使得物理学家可以借助电动力学现象解释电磁现象，并从而使电磁质量的假设成为多余。这个进步是由增加相互作用力的复杂性而换来的，在运动着的带电物体之间必须假设存在着这些力。”物质参与电磁现象的根本原因在于其基本粒子带有恒定 electric charge（电量），从Einstein的论述中可以看出当时他已经认识到引力质量与电磁质量之间的区别与联系。
电子的电磁质量问题在发现相对论前后一段时间比较引人注意，这个问题牵涉到电子的结构。物理学家一直试图将电磁质量作为引力质量的一部分，例如质子和中子的带电状态不同，它们的引力质量有很小的差别，引力质量的这一微小差别很可能是由带电状态不同造成的。按照近代基本粒子理论，电磁质量主要来自粒子与真空中凝聚场之间的相互作用，这种真空凝聚场并造成某些对称性的自发破坏，并影响基本粒子间的配对，对于电磁质量的认识现在已经超出了相对论和量子力学的范畴。

经典电动力学根据电磁场的能量计算电子的电磁质量，设电子的质量全部来源于电磁质量，计算出电子的半径a=2.8×10-15米。同样设电子的电荷在半径a的球中有一定的分布也可得电磁质量，结果类似。但要维持这种平衡，需要未知的非电磁力平衡，实验还无法验证。在相对论发现后有理由认为电子的电磁质量是电子引力质量的3/4，其余的与某种非电磁力有关。但是对电磁场能量的积分需要涉及电子的半径问题，电子的半径至今仍然不是一个很明确的物理量。另外所谓的电磁质量可能得涉及到电子会参与的弱作用等过程，计算非常复杂。1964年美国的麻省理工学院和哈佛大学制造了一个当时最大的加速器。当电子在加速器中旋转时就产生光子，光子具有60亿的光子能量，因为光子能量很高，所以可打入电子。当时来自哈佛大学和康乃尔大学的世纪上很有名的专家在这个加速器做了一个很重要的实验，实验结果同时证明量子电动力学是错误的，电子是有半径的。1966年，丁肇中在德国用不同的方法做了这个实验，结果发现电子的半径确实小到不可测量，电子是没有半径的，说明经典电动力学的计算方法是错误的。

在量子理论中，把电磁场的Maxwell方程组量子化后，发展为量子电动力学，认为电磁波的发射是量子化的。在通常的量子电动力学理论中，都须设电子为点粒子，否则理论上很难处理。对于点粒子而言，所发射虚光子的波长下限应当为0。若电子有有限半径，则波长比其直径小的光，在电子半径内由于E位置的变化，ρE正负交替使有效耦合衰减，波长更小时耦合衰减到可以不计。若限制虚光子有一波长下限λ，则相当于要求电子半径r0∝λ，这样电磁质量∝ln（A2/λ2）（其中A为一量纲为长度的常数），即对数性发散，经典电动力学中为线性发散。目前量子电动力学对各种物理过程的理论计算和实验结果在很高精确度下相符，表明它有反映客观规律的正确性的一面。但是现代量子力学仍有一些基本困难没有解决，一个主要困难是它从点模型出发，没有触及电子的内部结构问题。如果电子的半径r0趋于0，则其电磁质量以r0发散，因而对电子自能或电磁质量的（临时的）毫无用处的答案是无限大，至今还缺乏一种能把原子核物理学范畴内的大量论据联系起来而其基本观念又很简单的理论。只有通过“重整化”再减去一个无穷大使电子质量变为实验所测值，回避了电磁或非电磁质量的问题后，量子电动力学的计算结果才与实验相符。由于重正化意味着质量和力的强度的实际值不能从理论中得到预言，必须被选择以去适合观测，因此重正化有一严重的缺陷。笔者通过十七年的思考后认为电磁质量不可能是引力质量的一部分，原因有六个方面：

第一，物体的静止质量是内禀的，是个常数，有人认为电磁质量是应该与静止质量有关的，电磁场的能量由电荷决定，电量与带电体的运动状态无关，引力质量与运动状态有关。当电子加速运动的时候，其电量是不会改变，但它的电磁场会因为电子的加速运动而发生改变，所以其电磁质量也会发生改变，电磁质量为何不满足Lorentz transformation变换呢？因此把电磁质量作为引力质量的一部分存在着不协调性；

第二，电磁力存在吸引与排斥两种状态，只有物体带电时才有，而引力是永远存在的；电子、质子等带电粒子之间的电磁力远大于万有引力，电磁质量远大于引力质量，电磁质量不可能是引力质量的一部分；电子激发的电磁场的能量小于电子的电磁质量，正如物体激发的引力场能量小于引力质量的能量一样。

第三，电磁质量具有正负，电磁质量应当相反，而物体的引力质量无此区别。电荷分为正负，但电场的能量密度却总是正的，所以积分得到的电磁能量总是正的，因而电磁质量也总是一个正值。根据牛顿第二定律，惯性质量是表征当物体受到外力作用的时候，物体运动状态改变的难易程度，即物体保持原来运动状态的本领大小的物理量。这个和电荷的正负无关，所以正负电子可以具有相同的惯性质量。当正负电荷中和的时候，电磁质量增加，引力质量没增加，但正负电荷中和会释放原来具有的电势能，即原来的电磁质量会转化为别的能量，如正负电荷中和释放两个光子，则原来的电磁质量就转化到了光子中。那么转化的机制是什么？同种电荷的电磁力相互排斥，异种电荷的电磁力相互吸引，电荷之间的作用力依靠电磁场来传递，为什么电磁场的能量都是正值？

第四，Einstein的广义相对论是引力理论，把引力场量子化给出引力场的量子成为引力子，它应具有自旋为2，和lectriec field 的量子——光子性质很不相同。近年来理论上对超对称性的探讨提供了新的可能性，超对称性在自旋不同的粒子间建立了联系，因此就有可能把引力相互作用和其它相互作用联系起来，通过超对称性建立的四种相互作用的统一理论称为超大统一理论。但是根据对称的相对性与绝对性原理，超对称的工作是没有止境的。超对称要求除引力子外，还应当有自旋3/2的引力微子存在，但是实验上并没有发现它的存在。另外量子化的引力理论遇到了难以克服的无穷大困难；

第五，引力质量都占有一定的空间，也就是具有体积，而电磁质量没有体积，因此量子电动力学的点模型观点是正确的。

第六，电磁质量和引力质量可以分离，存在Maxwell理论中脱离物体携带能量的场。最新的实验表明，中微子具有引力质量，大约为电子引力质量的50000分之一。中微子具有引力质量但是不带有 electric charge——电磁质量。现代物理学认为除了带电介子外，还存在中性介子，其（引力）质量恰好等于或者近似等于（其实相等）带电介子的（引力）质量，性质相似。

Einstein当时已经认识到 electric charge没有引力质量的问题，指明引力场和lectriec field是逻辑上毫无联系的部分。科学迫使我们创造新的观念和理论。它们的任务是拆除那些常常阻碍科学向前发展的矛盾之墙。所有重要的科学观念都是在实在跟我们的理解之间发生强烈冲突时诞生的。物理学形成了一套不断进化的逻辑的思维体系，其基础不能由任何归纳法从经验中提取，而只能通过自由创造获得。这个体系的正确性（真理内容）在于其在感觉经验基础上导出的定理的有用性，而后者与前者的关系只能直觉地理解。进化的方向是朝不断增加逻辑基础的简单性的方向迈进的。为进一步接近这个目的，我们必须决心接受下列事实：逻辑基础离经验事实愈来愈远，而从根本基础通向那些与感觉经验相关联的推论的道路变得愈来愈艰难漫长。

笔者通过把引力质量与电磁质量区分开来，把电量的度量单位库仑与质量的度量单位千克统一起来，从而把国际基本物理量减少为5个，从根本上解决了升降机中静止电荷的辐射问题和狭义相对论中的奇点问题——光子的静止质量问题，提出了Lorentz transformation变换不适用于电磁质量，把质能方程从引力质量推广到电磁质量，预言了新的能量来源，定性地解释了超新星的爆炸，通过电磁质量的量子化解决了夸克禁闭问题，指明了四种相互作用力之间的关系，对统一场论的研究可能会有所帮助，解释了光速不变性原理与广义相对论的红移危机，说明了引力与电磁力的传播速度相等的原因，否定了超光速问题，分析了中微子和量子力学的哲学基础，根据场的时空本质的观点从根本上解决了Einstein与哥本哈根学派之间关系量子力学基础之间的争论，否定了大爆炸理论。

文章在写作的过程中，以下专家给予了很大的帮助，在此表示谢意：虞昊（清华大学大学物理系）、曹昌祺（北京大学物理科学与技术学院、理论物理博士生导师）、郭东升（美籍华人、中国科学院上海光学精密仪器研究所特聘理论物理博士生导师）、彭桓武（中国科学院院士、中国科学院理论物理研究所第一任所长、爱尔兰皇家科学院院士）、孟昭曜（重庆教育学院计算机与现代教育技术系）、沈惠川（中国科学技术大学天文与应用物理系）、高秉坤（《大学物理》的副主编）、张礼（清华大学工程物理系主任.理论物理博士生导师）。

2004年6月

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