核场统一论上部分第四稿Word下载.docx

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致读者

同其它各门科学一样，物理学至今仍有摆在我们面前的许许多多尚未解决的难题，而且旧的问题尚未解决，新的问题又不断地涌现出来。

作者经过十几年来的艰难探索找到了巧妙解决其中一些难题的思维方法，以致于能够使我们所遇到的诸多问题迎刃而解。

　　作者不是从近现代物理学的有关理论出发认识物质的性质、结构、形态、运动和相互作用等规律的，而是独辟蹊径，在已知的自然现象和实验事实的基础上朝着更深的研究方向跨进了一步，通过创立一套新的物理理论达到对物质世界的微观甚而宏观的认识。

现将近现代物理学的有关理论与核场统一理论略作比较说明，以示区别。

　　近代物理学的两大理论支柱是相对论和量子力学理论。

狭义相对论从运动物体的电动力学出发，提出了新的时空观，建立了高速运动物体的力学规律和电动力学规律，揭露了质量与能量的内在联系；

广义相对论从加速参照系与引力场等效的原理出发，提出新的引力理论，并进一步探索了引力场中的时空结构。

量子力学是一种描述分子、原子等微观系统运动规律的理论体系，其中薛定谔方程是反映微观粒子运动的基本方程，它的解称为波函数用来描述微观粒子的运动状态。

薛定谔方程是在德布罗意物质波假说的基础上建立起来的，它研究的是实物粒子在空间不同位置处出现的几率分布，因此量子力学研究的是各种微观粒子运动变化所遵循的统计规律。

　　现代物理学中的高能物理是人类探索物质结构的最前沿科学，它在现阶段的任务是研究粒子的结构及其运动规律，它的理论基础几乎包括了全部近代物理理论，例如相对论、量子论、群论和量子场论。

就目前高能物理的有关理论来看，粒子之间的四种相互作用都具有相同的机制，即都是由中间媒介粒子引起，而且这些媒介粒子与四种相互作用相对应。

请注意近现代物理学中关于高能粒子的研究，在实验上是利用云室、气泡室、火花室、原子核乳胶等仪器对表现粒子特征的物理量如能量、质量和电量等进行间接而不是直接观测的，在理论上是运用传统的思维方法对粒子的行为如径迹等进行分析的，无论是实验或理论的研究，总是认定粒子只具有基本电荷的整数倍，而实则存在连续性电荷。

　　而核场统一理论则运用层层剖析和逻辑推演的方法揭示出物质具有核与场两种基本表现形式，指出电场形态与粒子电量的对应关系，由对磁场与电场性质的分析出发，将电磁力、弱力、强力和万有引力等四种力统一起来，同时对磁单极子、连续性电荷、地磁极性转换、库仑定律与万有引力定律中距离的指数以及粒子的结构等一系列问题逐一作了深入细致地研究。

　　本书记述了作者十几年来在物理学前沿所取得的理论科研成果。

科学真理必需能够反映最普遍的事实。

作者本着对科学严肃认真的态度，在科学研究过程中，总是坚持从大量已知的客观事实出发，运用自己所拥有的全部知识和能力对自然现象进行深入地分析再加以高度的抽象概括和严密的逻辑推理，而后才上升为概念、原理，并且努力寻求自然规律的数学意义使之上升为数学形式。

任何正确的理论必定是来源于实践，它本身又指导实践而又检验于实践。

　　庄子云：

始生之物，其形必丑。

由于作者水平有限，在写作过程中难免有疏漏之处和不尽人意的地方，恳请广大科研工作者和读者提出宝贵意见，谨致谢意。

热切希望与同志们一道研究物理科学，把物理科学的研究推向一个新的高度。

孟庆勇

一九九七年九月

一、电磁作用手征法则的统一

一根通电导线产生的磁场方向可用右手拇指法则来判定：

将右手拇指指向电流方向，则环绕导线的其余四指所指的方向就是磁场方向，而通电导线产生的磁场方向和在导线内单个做定向运动的正电荷产生的磁场方向是一致的，正电荷的运动方向和它本身的磁场方向的关系也符合右手拇指法则，两者关系见图一。

电子正好与之相反。

以下都用点“·

”或者差“×

”表示电荷产生的垂直纸面方向上的磁场。

〖图一〗两种电荷的运动方向与磁场方向的关系

下面简单谈谈通电环形导线产生的磁场方向。

图二是一个通电环形导线，用右手拇指法则可以判定出纸外是Ｎ极，纸里是Ｓ极。

磁力线从Ｎ极出来经过环形导线的外部空间进入Ｓ极，然后从Ｓ极经过环形导线内部进入Ｎ极，而这跟用右手法则对单个运动电荷周围磁力线的分布进行判定得出的通电环形导线产生的磁场方向是相吻合的。

显然，磁极是人们仅仅为了研究上的方便而规定的，N、S这一对异性磁极是一个相互矛盾对立但确又是不可分割的统一体。

〖图二〗通电环形导线产生的磁场方向

接下来举例说明电磁作用手征法则的统一性原理（磁作用密度差原理）。

　　值得说明的是各种涉及磁力作用的手征法则虽然有其不同的外在形式，但其内在机制却是相同的。

磁作用手征法则的统一性原理可以表述为：

运动电荷的磁场与外加稳定磁场迭加使得运动电荷从迭加磁场的磁感应强度大的区域向迭加磁场的磁感应强度小的区域偏转，运动电荷受到的磁力方向总是指向与其运动方向垂直的磁场密度小的区域。

这个结论并不是以假说的形式存在的，它完全是由实验事实确立的，事实的确如此。

迭加磁场的磁感应强度的大小是可以用磁场迭加原理B=B1+B2+B3+……+Bn导出的。

对于空间某点，如果两个不同实物所产生的磁场在那一点是同向的，则那点的磁感应强度的数值就是这两个磁场的磁感应强度的数值之和；

如果反向，则那点的磁感应强度的数值就是两个磁场的磁感应强度数值差的绝对值。

运动电荷之所以在外加稳定磁场中从合成磁场大的区域向合成磁场小的区域偏转，显然可以认为是由于磁场迭加在运动电荷的两侧产生了一个磁感应强度差的原因所致。

不过我们也可以从另一角度解释磁作用现象，即：

两个不同实物产生的磁场在空间某处的相互作用规律是，同向磁场相斥，异向磁场相吸，磁作用力的方向始终和磁场方向垂直。

这一点同磁场迭加原理并不矛盾。

利用磁作用手征法则统一性原理──运动电荷偏转的磁作用机制可以解释下面的现象：

（１）运动电荷在外加匀强磁场中的偏转；

（２）发电机右手定则或楞次定律；

（３）电动机左手定则；

（４）同性磁极相斥、异性磁极相吸的现象。

就是说这些现象具有完全相同的磁作用机制。

磁作用手征法则统一性原理的应用举例如下。

（以下在虚线圆内标明出运动电荷的磁力线方向，以示与外加磁场的区别。

）

图三是一个作匀速运动的正电荷正在垂直射入匀强磁场，现在来判明它在磁场中的偏转方向。

当电荷进入匀强磁场中时电荷自身的磁场和外磁场迭加使得电荷上部区域的磁感应强度大于下部区域的磁感应强度，从而使得电荷向下偏转。

〖图三〗正电荷正在垂直射入匀强磁场

　　图四是一导线正在匀强磁场中垂直切割磁力线，现在我们不用发电机右手定则或楞次定律而是用电荷偏转的磁作用机制来判明它的感生电流方向。

导线向右运动，导线内部的正、负两种电荷也向右运动。

正电荷运动产生的磁场和外磁场迭加，使正电荷上部迭加磁场的磁感应强度大于下部迭加磁场的磁感应强度，从而导致正电荷向下运动，形成了从上至下的电流。

负电荷则向上运动。

〖图四〗导线在磁场中作切割磁力线运动

图五是处于匀强磁场中并跟磁场垂直的通电直导线，现在来判明它的受力方向。

导线内的运动正电荷的磁场和外磁场迭加，使电荷上部的磁感应强度小于下部的磁感应强度，正电荷向上偏转，从而导致这段通电直导线受到一个向上的力。

两平行通电直导线的相互作用跟这一现象类似，解释从略。

〖图五〗通电直导线跟外磁场垂直时的磁作用示意图

同性磁极相斥、异性磁极相吸的现象跟两平行通电环形导线的相互作用现象类似，我们仍然可以根据运动电荷偏转的磁场作用机制加以探讨。

图六是两平行的通电反向的环形导线，可以看出两个导线上相互对应邻近的Ａ、Ｂ两个正电荷在两个环形导线所夹的空间内产生了方向大致相同的磁场。

在平行于

环面方向上的磁场分量是同向的，从而产生了斥力作用，斥力的方向垂直于分量的磁场方向。

特别应当注意的是，两磁极之间的相互作用决不是通过两环形导线内部的并且垂直于环面的磁场之间的相互作用。

在后面将会看到这实际上是由于两根通电导线在其周围产生运动的电场之间的相互作用（电场具有流体性）。

〖图六〗两平行通电环形导线的磁场作用

　　二、磁场的微观本原

　　磁场是电荷运动时产生的一种效应，由于运动是相对的，那么由运动电荷产生的磁场也必然具有相对性。

　　磁场与电场紧密联系，没有电场就没有磁场。

一个带电粒子在它所处的参照系中，其自身的电场物质充满整个系统空间。

如果带电粒子相对于参照系静止，那么在参照系中的任何一点都不能观测到它的磁场。

反之，如果带电粒子相对于参照系运动，不管是匀速或加速都将导致系统内空间各点的电场变化，那么系统内的各点都存在粒子由相对参照系运动而引发的磁场。

显然，空间某点存在磁场是因为那点的电场发生了变化。

只要电荷相对于参照系运动，或者电荷相对于参照系静止而相对于参照系内的另一个电荷运动（此时两个电荷的电场相互作用），都会引起系统内空间各点电场的变化而产生磁场。

　　变化的电场产生电磁波，在磁场产生的瞬间总是伴随着电磁波的产生，但是磁场不是电磁波。

磁场与电磁波是电场的两种不同存在形式。

磁场只有当运动电场之间发生相互作用导致电场形态改变时，才显其存在的意义。

静止的电场之间虽然发生作用，然而这时的电场仍然称为电场而不称为磁场。

磁场是两个相对运动的电场之间产生相互作用引起形态变化时稳定存在的一种电场状态。

只有在电场形态变化的过程中才产生电磁波。

　　归根结底，磁场的本原是电场（磁单极子并不存在）。

磁力是由电场相互作用而产生。

磁力是电荷之间相对运动时产生并维持的电场作用力。

　　三、运动电荷的电场形态分析

　　在研究磁作用时，发现运动电荷在外加磁场中所受磁力方向总是指向合成磁场密度小的区域（手征法则统一性原理），这点不难理解，因为宏观物体在流体中的受力方向也是由流体密度大的区域指向流体密度小的区域。

问题是在外磁场中运动电荷的两侧为何会形成磁场密度差？

为何会产生同向磁场相斥而反向磁场相吸的磁作用机制？

具有方向性的磁场（磁力线）反映出什么样的电场物质形态？

尽管解决这方面的问题是困难的，但是我们仍能够从大量的磁作用现象中找到它的根据。

　　磁场的本质是电场，磁作用即是电场之间的作用。

无疑，磁作用机制与运动电荷周围的电场物质的形态变化有关。

　　电荷运动时会造成自身周围电场物质形态的变化，而不再是静止时不受干扰的对称均匀的球形分布,例如,切伦科夫辐射现象就可以证明这一点。

当高能带电粒子以极高的速度──快于该媒质中光的传播速度──在媒质中通过时，它会在自己的后面形成一个"

尾波"

。

这如同当汽艇的速度快于水面波的传播速度时，在汽艇的后面就会形成一个锥形的尾波。

见图七。

〖图七〗切伦科夫辐射

另有一种辐射是韧致辐射（同步回旋辐射）。

当一束电子以极高速度在与磁场垂直的平面内作圆周运动时，它不断发出辐射，这种辐射是平面偏振的，它局限于电子轨道平面内的一个小锥体中，而且当一束平面偏振辐射在磁场内传播时，它的偏振面会旋转，旋转的数量和方向与磁场强度和方向有关，这就是法拉第旋转。

上面的两种辐射都证明，带电粒子在媒质或磁场中以极高速度运动时，都会不断发出可以探测到的辐射。

其原因就是由于带电粒子的运动而使自身的电场与其他电荷的电场发生了强烈的相互作用，导致电场形态的急剧变化而产生了电磁波。

实际上，不管带电粒子在哪种媒质中以多大的速度运动，都会引起自身或其他电场形态的变化而产生电磁波，并且电场的变化形态以及电磁波的传播方向和能量与电场之间的相互作用状况有关。

　　现在我们再来研究两根平行通电直导线之间力的作用情况。

　　实验发现，电流方向相同时，两导线相吸；

电流方向相反时，两导线排斥。

这种现象与宏观世界中两个物体在流体中的运动情况非常相似。

两只船在水中航行时，总是表现为同向相吸，反向相斥。

仅就这种情况，我们还不能足以证明电场是一种流体，但是大量的电磁作用现象却都表现出电场的流体性质，因此可以认定电场是一种流体。

　　当导线中的电荷定向移动时，电荷周围的电场形态会发生变化。

由于电荷向前移动，电荷就会推压前面的电场物质，前面的电场密度随之增大。

与此同时，电荷两侧的电场物质向后面偏移流动，两侧的电场物质密度会比电荷静止时有所减小。

（根据流体力学的原理──伯努利方程，流速大的地方压强小；

流速小的地方压强大。

）而在运动电荷的后面也可能形成电场涡旋，这里的电场物质密度小。

运动电荷的前面与后面形成一个压差阻力，这一阻力对电荷做负功，电荷耗散能量以电磁波形式辐射出去。

这已由切伦科夫辐射和韧致辐射所证实。

　　接下来谈谈电场涡旋，这应是运动电荷尾波的常见形式。

电场涡旋具有方向性且能由近及远地传播。

电场涡旋在由近处小空间向远处大空间传播的过程中，单位体积的能量会逐渐减少。

电场涡旋的方向由电荷运动的方向来决定，起始涡旋对称轴的电场质点运动方向就是电荷的运动方向，在电荷尾部由对称轴向外形成涡旋，由此即可判定电荷尾部的涡旋方向。

运动电荷尾部的电场涡旋方向可由用手划动水的实验直观地演示出来。

我们也可以在纸面上用电力线将运动电荷尾部两侧的两个对称反向的电场涡旋表示出来，如图所示。

注意区别正、负电荷尾部两侧的两个涡旋方向及电力线方向。

〖图八〗两个异号电荷尾部涡旋电力线图示

根据运动电荷在外加磁场中偏转的磁作用现象，能够得出电场涡旋作用法则：

对于相互靠近的两个涡旋，涡旋电力线相同时相斥，涡旋电力线不同时相吸。

　　从以上分析可知，两平行通电直导线之所以会产生磁作用，是由于导线内部电荷的定向运动，改变了电荷周围的电场物质密度，在每根导线周围形成了电场密度差（亦即磁场密度差），从而形成了电场压强差表现出磁作用。

　　四、电场波的能量产生原理

　　由两异性电荷靠近辐射光子、远离吸收光子的事实可知，在空间任意大小的闭合面上，只要穿过闭合面的电场通量（闭合面切割电力线的数目）发生变化，就会发生能量的变化。

电通量增加时，辐射电磁波；

电通量减少时，吸收电磁波。

在闭合面（实际上总有一定的厚度）上发生的能量变化决定于闭合面上电通量的变化。

因为，穿过闭合面的电通量变化，就是穿过闭合面的电场物质的变化，闭合面上电场物质的变化作用于（触压）同一平面上相互邻近的电场物质，又会引起邻近的电场物质的变化，并不断地依次进行下去形成电磁波，显而易见，电磁波就是电场波。

若以闭合面为波源，则电场波是在与电力线垂直的方向上沿闭合面传播的偏振波；

若以穿过闭合面的电场物质整体作为波源，则电场波又可以看作是沿柱面传播的偏振波。

应该注意的是，任何一个光子都不是光的最小单元，光子是由同一波源发出的传播方向相同、频率相同、由许多电场质点结合成能量为Ｅ＝ｈυ的电场波。

电场波的传播必须是在电场的媒质中才能得以传播，在实际上并不存在的没有电场作为媒质的纯粹空间中是不能传播的。

电场波在传播过程中，光质点并不向远处传播，而只是通过光质点的相互作用把波源的电场变化所产生的能量向外传输。

电场只是传播能量（电场的变化）的媒质，并不能传播电场物质本身。

根据电磁波的产生机制，可以作出如下推论：

在一定的时间内，垂直穿过空间某一闭合面的电通量变化时，由电通柱体产生的电场能量变化正比于电通量的变化率和电通柱体体积的乘积。

若写成等式可以表示为方程形式（电场能量变化的本征方程）：

Ｗ＝ＭｔＶ

Ｗ表示电通柱体产生的能量变化，Ｍ表示比例系数，ｔ表示时间，表示电通量的变化率，Ｖ表示电通柱体的体积。

〖图九〗电通柱体示意图

由以上分析，电通柱体（电磁波源）的能量变化应该是电通柱体辐射能量与吸收能量之总和。

表示为：

Ｗ＝Ｗ辐＋Ｗ吸

　　对于一定频率的振荡电流，在一定时间内向外部空间辐射电磁波的能量与从外部空间吸收电磁波的能量相等。

　　亦即：

Ｗ辐＝Ｗ吸

　　故有：

Ｗ辐＝Ｗ

　　此式反映振荡电流的辐射本领。

　　五、电场的微观本质

　　我们在研究粒子的电场和磁场的性质以及电磁作用机制时，都是用力线来描述的，因此显得抽象不实在，然而要想对电场、磁场的本质作深入地了解，力线的概念却又是必不可少的。

记得法拉第曾为建立他的磁感应线这个概念说过：

“我不禁再一次表示我的信念，我深信我那个力线概念在磁作用方面所给出的表象是正确的。

因为我所提出的要点，都是磁作用方面的实验所确立的，也就是说，所有这些都不是假说的，而都可以用力线概念完善而正确地表示出来。

”由于磁场的本原是电场，磁力线与电力线都反映电场的某种存在状态，两者没有本质上的差异，只是力的表现形式不同而已，所以下面就来分析电力线方面的问题。

　　电力线的形状可以从实验中看出来。

把奎宁晶粒漂浮在凡士林上，再放入电场中，那么各点上的晶粒就都按照电场强度的方向排列起来，形成电力线，电场强度与电力线显然存在着对应关系。

假如正电荷的电力线条数为ｍ，负电荷的电力线条数也为ｍ，当两个这样相等电量的异种电荷离得很近时，它们的电力线相互渗透，而各自电力线的总条数却是不变的，也应为ｍ。

当两个等量的同种电荷离得很近时，虽然它们的电力线压缩变形了，但是每个电荷电力线的总条数ｍ是不变的，只不过在电荷周围有的地方电力线较为密集，有的地方较为稀疏。

可以看出，这时两电荷的电力线不是相互渗透，而是相互排斥。

由这一实验可知，当两个电荷相互作用时，它们各自电力线的平均密度不发生改变，各自电场物质总量不变，各自电力线总条数不变。

电力线的形状改变了，而电力线和电场之间又存在着对应关系，所以电场在电荷周围的分布、方向也改变了。

同种电荷相斥，电力线互不渗透；

异种电荷相吸，电力线互相渗透。

虽然仅靠这一实验无法确知电场中有没有实在的电力线存在，但若不用电力线形象的表示电场，人们就更难进一步地认识电场的性质。

电力线跟客观存在着的电场之间有着对应性和可逆性，不管电荷是怎样作用的或者是带电量的多少，只要电力线的密度、形状知道了，我们就能够知道那里的电场强度和方向，就这一点来说，电力线却又和真实存在着的电场之间有着某种必然联系。

　　根据有关电力线方面的实验、电磁作用现象以及基本粒子在电场、磁场中的行为，我们可以发现电场所具有的一系列性质。

电场具有流体的很多性质，它可以变形、压缩、渗透、扩散、流动、波动，电场物质也能产生触压、碰撞而产生压强等等。

在深入研究基本粒子行为时，应考虑电场的流体性质。

　　电荷周围乃至整个宇宙空间充满电场物质。

（爱因斯坦在晚年一再强调真空不空；

量子理论发明之后，各种“真空极化”效应相继发现。

）电场物质在电荷周围空间的分布是不均匀的，由库仑定律可推论出电场物质在电荷周围空间的分布密度与距离的平方成反比。

距离电荷越近，电场强度越大，电场物质的密度越大，产生的电场压强也越大；

距离电荷越远，电场强度越小，电场物质的密度越小，产生的电场压强也越小。

电场压强（Ｐ）应与电场强度（Ｅ）成正比。

可表示为：

Ｐ∝Ｅ

或Ｐ＝μＥ（μ为比例系数））

　　我们应该把带电粒子（如质子、电子等）看成是由粒子裸核和被裸核强烈吸引并紧紧包围着裸核的电场两种物质所构成。

（１９７２年在欧洲核研究中心的质子质子交叉储存环中以及随后在费米实验室的高能质子同步加速器上都观测到同隐藏于质子内部的近乎点状的硬东西碰撞造成的质子碰质子的深非弹性散射过程，质子内部有近乎点状的颗粒结构。

）相对来说粒子裸核是一种刚性球体，外部电场物质不能进入裸核内部是因为裸核占据着电场不能穿透的纯粹真空，以致于外围的电场物质聚集在裸核的表面，并对裸核表面产生很大的电场触压力。

　　所有的电场物质都应该是相同的。

两个同性的带电体相互靠近时，其间电场物质密度增大，表现为相互排斥；

而当两个异性带电体相互靠近时，电场物质不会因为正、负电荷相互作用而消失，其间电场物质密度还是增大，但却表现为相互吸引。

由此说明，电场物质具有方向性。

我们可以把构成电场的基本物质单元称为电场子。

电场子具有方向性，存在不同的两个极。

它的一端带正电，另一端带负电，整体呈现电中性。

电场子之间通过两个电极的作用既能相互排斥，又能相互吸引，这种电场力是由电场子的电偶极性造成的，即通常说的电性力，电性力的方向平行于电场子或电力线的方向；

另外一种电场力是由电场物质密度决定的，电场子之间相互触压碰撞而产生作用力，可称为电场密度侧向力（即磁力），其方向垂直于电场子或电力线的方向。

正电荷裸核和负电荷裸核都能够吸引电场子，但吸引的是电场子不同的两端。

裸核强烈地吸引着周围的电场物质直至不能吸引为止。

裸核吸引电场子的能力在裸核表面是各向均等的，当裸核表面的电场分布存在差异时，周围的电场物质会迅速地填补电场缺口而使裸核达到相对稳定的电场态。

基本粒子的裸核在不同条件下可以具有不同的电场态。

粒子裸核可以使无序的电场子变为有序而结成电力线的形式（见图十）。

注意，裸核与裸核之间不发生直接的电性作用而要以电场为媒介才发生电性作用。

〖图十〗电场子在裸核的作用下在空间结成有序的电力线形式

　　六、弱相互作用原理

我们已经熟知这些事实：

原子核裂变时会放出能量造成质量亏损，由于弱相互作用引起的β衰变也会造成质量分裂，两种带电的介子（π±

）比中性介子（π。

）稍重，这些事实使我们很容易想到相互作用的存在会造成质量的差别。

通过相互作用既可以使粒子的质量增加，也可以使粒子的质量减少，而且对于粒子的动质量与静质量都是如此。

例如氦核由两个质子与两个中子构成，但氦核的静止质量是4.001507，两个质子与两个中子的总静止质量是4.031872，两者的差为0.030365，核子相互结合在一起的质量比单独存在时的静止质量小。

就我们所知，电粒子是由裸核和自身电场两部分物质构成，当两个带电粒子发生电磁作用时，一方面会造成粒子速度的变化，另一方面又会造成裸核周围电场形态的变化。

粒子速度的变化导致粒子动能（动质量）的变化，粒子的电场形态变化导致粒子的静能（静质量）的变化。

粒子的静止质量应该由粒子裸核质量和粒子所带的电场物质总量（场质量）来决定。

当粒子所拥有的电场物质总量发生变化时，粒子的静质量也会随之变化。

例如，两个异性电荷一个电子与一个质子结合时，两者因为相互吸引而使电场物质朝向两粒子内侧偏移，这时两