物理科学探疑-网友天空-系统观点-严正岗-质电统一理论

质电统一理论

（上海市宝山中学 严正岗）

[内容提要]：1、将万有引力定律和库仑定律看成是同一定律，原理上就导致了电量和质量的同一性，新颖的理论证明了它的可能性。2、用虚拟实验导出了质电统一理论的内容：质量和电量在本质上是相同的；电是超光速运动的产物；质和电是存在于两个截然不同的速度世界的；质量和电量是静质在不超光速和超光速运动中的表象。3、将本理论应用到基本粒子的研究上，得到基本粒子的结构构造。由此得到以下结论：（1）微观粒子一定是量子化的，基本粒子确实服从泡利原理或色量子原理。（2）量子力学波函数所描述的基本粒子在空间出现的几率，本质是电磁波的运动和快子在宇宙中丰度的一个概率值的综合结果。（3）物质世界的本原是光子和快子。

一 引言

    传统的基本粒子理论认为，电量和质量是物质粒子的两个基本属性，它们是不相关的。因为惯性质量反映的是物质粒子惯性大小的物质因素；引力质量反映的是物质粒子间万有引力大小的物质因素；而电量反映的是物质粒子库仑力大小的物质因素。虽然前两者已被实验证明是同等的，但电量和质量却被认为是无关系的。可我们认为后两者也是有紧密关系的，理由有以下三点：1、如果电量和质量是无关系的，那么自然界里应该存在等质量而不等电量的基本粒子，的存在；2、万有引力定律和库仑定律的数学一致性，我们猜测引力和电力可能是统一的，因而电量和质量是有关系的，是存在着内在的联系的（其实我们更认为，所有的描述基本粒子基本属性的物理量都是有关系的，包括自旋量和量子量）；3、虽然没有实验能直接证明理由2的猜测，但目前的一些新颖的理论[1]和天文学的观察能间接地推理出这种关系，而本理论思路的起源正来自于对天文观察所做的结论的研究上。上世纪上中叶，以哈勃为首的天体物理学家通过对远星系的观察，发现了宇宙正以极大的速度膨胀着，虽然能用广义相对论证明宇宙必然是膨胀的，可广义相对论本身是否正确现在越来越值得怀疑[2]，因为验证广义相对论的四大经典实验已经能用其他的理论来解释。如果广义相对论是错误的话，那么宇宙的膨胀其动力原因必须要重新说明。本文就是在对这些问题说明的基础上，引入了质电统一理论,进而解决了基本粒子的结构、量子理论（波函数）的决定论本质及物质世界的本原是什么等诸问题。

二 新颖理论对天文学观察现象的解释

    广义相对论认为，在引力场中的物体，在不受其它力作用时，总是沿着四维时空的短程线运动的；从三维空间来看，物体是沿着弯曲的途径作惯性运动的。它的结论是，三维空间由于质量的存在而弯曲。由此它能解释四大经典实验现象和宇宙的膨胀。新颖理论认为，宇宙空间并非弯曲，宇宙的运动应该由宇宙力来支配。所谓宇宙力是指从某一惯性系去观察宇宙内两星系间的有狭义相对论效应的万有引力定律所表示的力，这一力（或定律）有明显的类磁效应[3]。正是这一效应便产生了以上所说的天文观察现象。限于篇幅，我们只从宇宙力公式出发，来说明光在引力场中的折弯现象和宇宙的膨胀现象。

1 光在引力场中的折弯现象的解释

    我们已经证明[4]的宇宙力为

           （2.1）

    式中m、v和m′、v′为任意两星系的质量和绝对速度（均从宇宙外看，相对宇宙中心的速度），r为它们的距离，u为另一惯性系的速度，观察仪器在u惯性系中，而γ为。式（2.1）有负的项，应该是类磁效应的。我们考察光子在太阳系的受力，将另一惯性系u和太阳系v视为同一个系，即令u=v，而光子为v′系，因为v.u=u²，v′=c，所以v′.u/c²=u_c/c，u_c为u在光运动方向的分量，注意到太阳的质量m_s=m/γ，并将式（2.1）其回到太阳系，因此有

                                  （2.2）

m_光为光子的动质量，式（2.1）中的[ r+u（r.u）已用r替代了。当光和银河系同向运动时，光将受到斥力，反之将受到更大的引力。光在引力场中的较大的折弯现象,正是光和银河系反向运动时，受到的更大的引力的缘故。如果银河系的退行速度达0.6倍光速的话，我们就能解释[5]实验结果。反过来如果宇宙力理论是正确的话，那么银河系绝对速度应该是存在的，约为1.8×10⁸m/s。

2 宇宙的膨胀现象的原因说明

    式（2.1）的类磁效应还体现在宇宙的膨胀方面。这和本人在水星进动的非广义相对论解释[6]的道理一样，都是同向转动物体具有的排斥力(即宇宙斥力并非惯性力)的缘故。我们已经证明[7]了膨胀的宇宙总体必然是在旋转的，我们也说明了宇宙在膨胀之初径向速度为零，横向速度接近光速。我们认为正是因为这个宇宙膨胀之初的极大的横向速度，才是产生宇宙斥力及使宇宙膨胀的主要原因。那么宇宙斥力理论有没有实验的佐证呢？有两个。一个就是水星的进动事实反过来对本理论的证实；第二个是1997年发现的超新星“1997ff”的亮度是大爆炸理论的两倍的实验事实。要解释这个现象，只有认为宇宙膨胀之初径向速度很小时，那么它的平均速度就可能比较小，星系跑的距离也就不会大，因此才有目前它的亮度的测量值。

    以上所述，不仅说明了广义相对论并非是唯一能解释天文观察现象的正确的理论；更是为了说明运动物质有类磁效应，它和运动电荷的磁效应是一样的。后者告诉我们一个可能存在的事实——质量和电量具有内在的联系，这才真正是本文的中心思想。

三 虚拟实验及质电统一理论之内容

    我们看到了万有引力定律和库仑定律的数学一致性，也知道了类磁效应和磁效应都是这两个定律的狭义相对论效应，他们是一脉相承的。因此，我们有理由相信，质量和电量在本质上是相同的。那么为什么在感觉上它们是截然不同的呢？我们生活在常速情况下，我们也不可能人为地超光速，更有甚者，爱因斯坦的著名禁锢了人们的思想多年，以为自然界不存在超光速的问题。其实超光速现象是天然存在的，只不过我们不能发现它或它存在于另外一个表象[8]中。我们的理论研究将揭示这一规律。由于我们不能人为地超光速，所以只能通过一个假想的虚拟实验来得到它——如果我们能先念地认为质量和电量是相同的、认为万有引力定律和库仑定律是同一个定律、而狭义相对论是正确的理论的话。

    设A、B两质点质量均为m，被紧固在速度为v的某一惯性系Z中，使另一个静止的观察者看到它们的距离始终不变，则A、B两质点的万有引力为

                           （3.1）

    m₀为A、B在惯性系Z的静质量。当惯性系Z的运动速度变大时，由于质量是随速度的改变而改变的，使得A、B两质点的万有引力也随之增大。当惯性系Z的速度超过光速时，式（3.1）的表象性质就发生了改变，不仅引力变成了斥力，而且随速度的增大，力变得更小。如果我们认为质和电是同一的，万有引力定律和库仑定律也是同一的，那么，式（3.1）就是两个相同电荷的作用力了，也就是说质变成了电。将式（3.1）和库仑定律公式F=kQ²/r²比较，我们会发现质量和电量的转换关系为

                                             （3.2）

    这就是质和电的内在关系。上式表明在不超光速的情况下，质量是虚的电量，而电量也就是虚的质量。另外上式也可写为

    当ⅴ＞c时，上式是实数，这表明电的本质是质量。也就是说当物体的速度超过光速时，物体的质的表象就变为实电的表象。更有趣的是超光速的运动越大，电量也就越小；当速度达无穷大时物质就消失了。当然不能人为地超光速，也就是说不能人为地将质变成了电（质和电在自然界的存在是天生），因此质和电是永远不能互换的。

    由此我们认识到，电是超光速运动的产物，质和电是存在于两个截然不同的速度世界的。质量和电量是静质在不超光速和超光速运动中的表象。

四 基本粒子的结构

    将质电统一理论应用到基本粒子的研究上，我们就能得到基本粒子的结构构造。其实我们还未给基本粒子下定义，但现在我们仍然沿用传统的方法，认为基本粒子可分类为带电的和不带电的，仍然认为带电的粒子是自旋的而且质体是刚性的。那么根据以上理论，我们可以得到一个基本的结论，带电的基本粒子边缘一定是超光速的，也就是说电荷分布在粒子的外围。这是本理论对带电体的基本要求。

    基本粒子既带电量又有质量可以理解成，“刚性”粒子的高速自旋使得外层某范围内已超过光速，物质的量已变为电量，而内层和部分外层没有超过光速，其物质的量就是质量。当然我们也可以反过来认为，因为基本粒子既带电量又有质量，所以它必定处在高速自旋状态，粒子上所考察点的速度是随着考察点到转轴的距离r增大而线性增大的，当距离r大于真空中的光速除以角速度时，这个范围就是超光速范围，也即为电量区域。在这个区域里，“质量”已全部变为电量。而在另外一个区域由于没有超过光速，所以就没有电量存在。因此，基本粒子所带的电量和质量的分布，在空间上也是经纬分明的。图1为基本粒子的质量和电量分布示意图。

在这个模型里，有两个更为重要的问题需要解释：（１）基本粒 子的稳定性问题。大家知道，在通常的原子核物理中引入核力来解决 原子核的稳定性；在基本粒子理论中，引入夸克去分割基本电荷。在 这里我们无须引入这些“物理概念”就可以解释粒子的稳定性，因为 我们完全可以用粒子的外围超光速来说明之。在电磁学里有一个重要 的结论，同向电流相互吸引，既然粒子的外围因超过光速而变成了电 量，这些电量也因粒子的旋转自然地形成了许多同轴环线电流，由于 运动已超过光速，磁的作用力可以等于电的作用力，所以粒子就能够处在稳定状态。（2）在奇点v=c处，质量的积分会不会发散？这要通过对质量和电量的积分的推算来说明之。

    设粒子静质量为M₀半径为R，则密度为ρ＝M₀/（4πR³/3）,            
现考察环带dm.(如图2所示),由相对论质量公式

上式dV为环带体积，ω为粒子自旋角速度，r为环带上的点到原 点的距离,因为dV=2πrsinθdr.rdθ，代入上式并积分

                            (4.1)

    先对θ进行0—π的积分,可得

                              (4.2)

    式(4.2)中出现奇点及虚量。将积分区间分为两段,第一段为0≤r≤c/ω，值为I₁；第二段为c/w≤r≤∞,值为I2。由式(4.2)的积分 ,I₁为

当ωr/c→1，上式收敛，既

    I₁=2πρc³/ω³                                           (4.3)

此为基本粒子的质量的一部分。对于第二段，因为ωr/c已大于1，所以，积分出现虚数部分。考虑到虚数公式logki２=logk+logi２=logk+nπi，（n=±１,±3,±5……），在式（4.2）中，令k=（c+ωr）/（ωr -c），则第二段的积分为

                     (4.4)

式（4.4）中的第一项积分的原函数和式（4.3）类似，其积分为

                      (4.5)

当ωr/c→1,式（4.5）也收敛，即

此为基本粒子质量的另一部分。所以，对于满足ωR﹥c的基本粒子，其总的质量为

                      (4.6)

式（4.4）的第二项积分为

     I₂₂=π²ρc (R²-c²/ω²)ni/ω (n=±1,±3,±5……)   

这是基本粒子的虚质量部分。由式[3.2]可求出电量为

                                       (4.7)

    上式告诉我们，基本粒子所带电量是量子化的，电荷只能有正负两种，质量相同、电量也相同、但电性相反的反基本粒子是存在的。由于基本粒子所带的电量是其超光速旋转运动的结果，所以我们大胆地认为，n的正负是正反方向旋转的结果，也即正反粒子的基本差别仅仅是旋转的方向相反而已。从以上我们能看出，电荷分布在球体的rsinθ＞c/ω范围内，而质量分布在rsinθ＜c/ω的范围内，它们是不参合的。另外对于满足Rω＜c的基本粒子，其只有质量而无电量，质量大小为

                              (4.8)

    特别地，若基本粒子是不旋转的，即ω=0，则上式的极限值为 m=4πρR³/3,这就是球体的质量式。
以上对奇点处的讨论,我们得到了一些重要的结论：1、式（4.1）在奇点处不会发散，因而质电统一理论可能正确。2、基本粒子所带电量必然是量子化的，这有助我们去讨论量子理论的本质。3、基本粒子所带电荷的正负，仅仅是由其旋转的方向决定的。4、正反粒子都应该存在。

    我们将以上理论应用于电子和质子（假如把质子也能看成基本粒子的话），利用电子和质子的测量值，并应用近似计算方法[9]，可算出它们的角速度和半径的乘积为 ，

    电子：ω_eR_e=2.16×10²¹c/n                             （4.9）
    质子：ω_pR_p=1.42×10¹⁸c/n                             （4.10）

    c为真空中的光速，n为量子数，一般取n=1。从上两式看到，电子的角速度和半径的乘积是质子的2000倍左右，这说明了电子的自旋是质子的数千倍。

    要计算出ω和R的值,必须要推算出质电统一下的基本粒子的旋转磁距和角动量的公式的近似式[10],其为

                                      （4.11）

    将式（4.6）、式（4.7）也作近似，可得

    m=4πρc²R/ω²                                         （4.12）   

                                      （4.13）

联立式（4.12）、式（4.13）和式（4.11），可得

                             (4.14)

                               (4.15)

                           (4.16)

将电子和质子的实验数据代入，可得

    上面的数字表明，质子和电子的半径在同一个数量级上，而在角速度和密度方面，电子分别是质子的3个数量级倍和5个数量级倍。这就告诉我们，电子在宇宙的物质构成方面并非是一个微不足道的“小个子”，恰恰相反它是一个“巨无霸”，在宇宙中它占主导地位。更为有趣的是，当我们去计算基本粒子的原质量时，会发现原质量和现实测量值成反比，这只要将式(15)、式(16)代入静质公式得到，式子为

    上式表明m₀∝１／m，所以电子的静质量是质子到2000倍左右。这更加说明了电子在宇宙质量方面的举足轻重的作用（这将在宇宙运动的讨论中用到）。

    另外，还须说明的是，式（4.11）、（4.12）、（4.13）中，不同的ρ、R、n、ω的值，决定了千姿百态的基本粒子世界，如n的正负表示正反粒子等；而式（4.14）、（4.15）、（4.16）中，当量子数n、n/ 改变时，使得基本粒子的内秉值ρ、R、ω发生了改变，但外部特征Q、m、m磁是不会改变的。这样的情形表明，基本粒子的状态，确实服从泡利原理或色量子原理。

五 基本粒子的运动及量子理论的决定论本质

    牛顿的运动定律是将物质的运动看成是不变的粒子机械地在空间的位置改变，而量子理论则认为运动物质在空间出现是由一个叫波函数表示的概率来决定的，在我们看来这两者都是错误的。根据本理论，正反粒子仅仅是旋转方向的差异，当正反粒子相遇湮灭时，旋转方向的差异消失了（是抵消了），而留下的是不能抵消的质量和电量，前者化为了以光速运动的电磁波（能量，它满足爱因斯坦的质能关系），后者化为了超光速运动的虚质量（快子）。我们认为宇宙中大量地存在着各种超光速的快子，它们的速度极其快，很容易得遨游宇宙一周回到原来的相近位置。以电子为例，电子湮灭时产生的快子的速度达10³⁰m/s，而且可证明[11]快子在宇宙中的运动是能返回的（并非空间的弯曲效应），因此各类快子在宇宙中的丰度是极高的。电子能湮灭的事实给我们一个启示，单个的基本粒子也可能是很不稳定的，因为存在着极高的快子在宇宙中的丰度，使得基本粒子的消失和产生可能是频繁发生的。所谓的基本粒子的运动正是在这个基础上是产生的。我们没能了解的可能事实是，基本粒子频繁地产生和消失，是快子频繁地和电磁场（能量）相遇和相遇后的结果。当快子遇到了能量（即电磁波）就将无形的“快子”和无形的电磁波转换为有形的基本粒子，能量转换为质量，快子转换为电荷，这就是基本粒子的产生。基本粒子其实是极不稳定的，它很快就还原。还原的电磁波能量，很快就和另一个快子结合产生新的同样的基本粒子，这一过程中位置发生了改变，这便是基本粒子的运动。显然该运动具有电磁波的特性和快子的“性能”——快子在宇宙中的丰度，它是决定论的。

    那么基本粒子的运动为何不象电磁波或快子运动得那么快呢？其实基本粒子的运动是电磁场的波包中心的运动。当基本粒子有初速度时，那是电磁场的波包中心有一个相同的初速度。在基本粒子消失和产生的时间里，电磁场的波包中心定向运动了一个位移，在这个位置上的和运动方向垂直的平面内，波包上的某点可能正好和快子相遇便产生了基本粒子。从这里我们看到：1、基本粒子的运动不会象电磁波或快子运动得那么快，它完全取决于基本粒子的初速度；2、新产生的粒子是出现在和运动方向垂直的平面内，在该平面内的哪个位置上是取决于快子在宇宙中的丰度的一个概率值（可能是由热学中宇宙作为孤立体系内的快子的吉布斯分布决定的）。当外界加一个电场或磁场时，电磁场的波包中心就发生了附加的位移，这是基本粒子的加速过程。

    以上的分析和说明使我们认识到，量子力学波函数所描述的基本粒子在空间出现的几率，并非是上帝在玩的精妙游戏，而实际上是电磁波的运动和快子在宇宙中丰度的一个概率值的综合结果。基本粒子的波粒二像性正是这种综合结果的真实反映。一个基本粒子对应于一个单位的电磁波的能量，这和一个光子一样，在空间本身是就是波粒二像性，所以当它和快子结合时产生的基本粒子是具有波粒二像性的并不为奇，不过它和纯的光的波粒二像性是有一定的区别的，这在实验中应该能观察到。比如用电子湮灭时产生的光子来做光的波粒二像性实验，应该和电子在同样环境下，电子的波粒二像性实验是有区别的，可能是明暗条文的位置和宽度都有区别，这个区别应该是有快子在宇宙中丰度的一个概率值决定的。假如我们能在理论上得到快子的概率并能和电磁理论结合，们就能计算出这一差别，如果和实验的结果是一致的，那就证明了本理论是正确的。这里我们提供了一个实验的可能性。

六 物质世界的本原

    物质世界的本原究竟是什么？这看来不是什么大问题。通常我们认为，基本粒子是物质世界的本原，也即万物是有基本粒子组成的。但是基本粒子并不基本，它也有结构。是基本粒子组成物质世界还是光子和快子组成物质世界呢？我们说都是。从时间上讲由于光子和快子独力存在的时间较长，而两者组成的基本粒子存在的时间较短，所以我们倾向于物质世界的本原是光子和快子或能量和快子。



[参考书目及注解]

[1]： 作者的两篇文章《膨胀的宇宙极其质量公式》和《宇宙空间并非弯曲》，发表在《物理科学探疑》和《中国印影文件》（天文学）网站上，目前在线。
[2]： 广义相对论在初始就存在有观念上的两个错误：1、“真实的引力场和局部区域的非惯性系是等效的”这个结论只有在非惯性系里“观察”自己才有效，而在惯性系里观察非惯性系是没有意义的。2、所谓因惯性运动（或非惯性运动，这很复杂）而得到的“空间扭曲”，其实是被测量的物体所占空间的位置变了（是物体在变形）而非是空间弯曲，这应该是狭义相对论的效应。既便是惯性运动使得空间得到扭曲，也不能证明引力场能使空间弯曲，等效原理那仅仅是引力场的作用等效于空间的弯曲而已，引力场的空间依然是平直的。
[3] 关于类磁效应，我们是这样思考的：1、当我们站在某一惯性系里去观察另外两个星系A和B相互作用时，如果我们用其它坐标系的量（如质量m、速度v）来表示两星系的、有狭义相对论效应的万有引力定律的话，那么此力的表示式[见后文的式（2.1）]会出现负项。2、这个负项暗示我们，当星系A和B有变化时，如它为光子态、有加速运动和多余的自由度（旋转）等，这个负项会显示象电生磁一样的实际效应。
[4]、[5]、[6] 见《宇宙空间并非弯曲》一文。
[7] 见《膨胀的宇宙极其质量公式》一文。
[8] 见下文
[9] 近似计算方法
将式（4.6）和式(4.7)相除,有

代入以上的数据,可得文中的结果.

[10] 基本粒子的旋转磁距和角动量的公式的近似式

    质电统一下的粒子的磁距和角动量的表示式，也是从同一公式L= r×p而得来。L的实数部分角动量，虚数部分为磁距。

    在基本粒子上取微圆环带（如图所示的阴影部分），求其角
动量dL，由于环带有关θ的对称性，只有轴向部分（垂直部分
抵消），所以

所以实数项的角动量为

式（B）第二项中的第二项积分为

此为虚数部分，因此粒子的磁距为

由注释[9]可知, ωR/c是一个很大的数,所以式( C)和式(D)可近似为

[11] 见笔者《宇宙边缘物体的运动行为》一文（将发表）

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