摘 要:自然界是物质的,物质是量子化的;物质具有流体态和刚体态两种状态,这两种状态的物质是相互作用、相互依存和相互转化的。爽子的能量守恒和基本粒子的质量守恒是对称的,爽子的时间守恒和基本粒子的绝对速度守恒是对称的,爽子和基本粒子又是可以相互转化的,因此物质是CPT对称的。宇宙是由物质构成的,宇宙是对称的、守恒的。
关键词:流体态物质 刚体态物质 爽子 基本粒子 涡量场 空间密度 光子真空 应力
中图分类号:O41文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)07(b)-0100-03
自然界是物质的,物质是量子化的;物质具有流体态和刚体态两种状态,这两种状态的物质是相互作用、相互依存和相互转化的。这就是系统相对论的基本物质观—— 二态物论。
1 基本粒子与爽子
1.1 物质的基本概念
物质具有流体态和刚体态两种状态。刚体态的物质称作物体(或粒子);流体态的物质充满整个空间,因此我们将流体态物质称作空间(下同)。
一切物质都是由能量子构成的。能量子是物质的最基本单元,每个能量子具有一份的能量e0。流体态的能量子称作爽子,用S(取shuang首字母)表示;刚体态的能量子称作基本粒子,用cn(取自china)表示。爽子和基本粒子都具有一份的能量e0。
爽子是构成空间的基本单元。如同肺泡结构,自由态的爽子是一个14面的四面-六面体,又称十四面体。(参见《系统相对论》图1.1)。它是具有极大弹性的、无核的、均匀的近球体。基本粒子是构成物体(或粒子)的最基本单元。如同手镯,基本粒子是一个环状的刚体(如图1所示)。
1.2 爽子S的跃变
空间是由爽子构成的流体介质,空间的运动是有涡运动。空间涡旋是由爽子线涡构成的,根据涡量守恒原理,由若干爽子构成的线涡(涡管)在三维空间总是呈闭合的涡环。
由于爽子具有均匀和弹性的属性,在自诱导运动作用下,不断形变运动,最终形成一个孤立的圆形线涡即涡环,这就是由爽子构成空间的非线性薛定谔方程的孤立波解。根据Biot-Savart公式,这个由一个爽子形成的涡环,以等速度沿其轴线方向运动而不改变其外形,并从原涡环中游离出来。
爽子形成的涡环作刚体式运动,角速度ωc(对应涡量分布)、线速度vc(传播速度)和体积Vc均为恒定值。爽子转化成的刚体式涡环称作基本粒子cn(如图1所示)。
爽子转化成基本粒子的过程称作爽子的跃变。根据当前的物理研究进展,质子及其更大粒子能够提供这种跃变的环境。
1.3 基本粒子的涡量场
基本粒子是爽子跃变成的涡环,根据涡运动理论,基本粒子具有恒定的涡量场,即由爽子构成的涡量场从环的一端旋进,从环的另一端旋出。基本粒子的爽子涡量场称作基本粒子的场,旋进的涡量场称作基本粒子的阴场,用S表示,对应的环面称作阴极;旋出的涡量场称作基本粒子的阳场,用N表示,对应的环面称作阳极(如图2所示)。
基本粒子的场是由多条爽子涡管组成的,每条涡管都形成闭合的环路,这个涡管称作场线,闭合的场线称作场环。
基本粒子的场是场线中的爽子运动方向一致的场,称作极性场。与极性场相对应,场线运动正反方向混合的场,称作中性场;有固定方向的中性场称作定向场或极化场,如电子、质子的场;各向同性的中性场称作万向场或球形场,如一般物体的场。
物体的涡量场分为体内场和体外场(简称外场),上述所说的是物体的外场,物体的体内场决定着物体的存在,物体的外场决定着物体间的相互作用。根据流体理论,物体的场有强弱之分,物体的外场是由其结构决定的,详见《系统相对论》第二章(网址:)。
2 基本粒子涡量场的应力
2.1 基本粒子的表面压力
基本粒子表面受到的其涡量场产生的应力称作基本粒子受到的空间压力,简称基本粒子的压力(如图2所示)。在基本粒子表面不同位置受到的压力是有差别的,内侧受到的压力略大于外侧,为便于分析计算,我们将基本粒子的表面压力视作一个常数,用fc表示。
因此,基本粒子的涡量场是基本粒子的伴生场,基本粒子和其场是相互作用、相互依存的。物体是由基本粒子构成的,场是空间的另一种表述,因此物体和空间是相互作用、相互依存的。
基本粒子是能量子的束缚态,爽子是能量子的自由态。因此,物体是物质的束缚态,空间是物质的自由态。
2.2 基本粒子的作用属性
2.2.1 基本粒子的作用原理
当两个基本粒子相距无限远时,我们认为它们之间没有相互作用;当它们之间为有限距离且场方向一致时,它们外侧的涡环就会发生耦合形成它们共同的耦合涡环。这个耦合涡环对它们产生彼此相向应力,使它们相互吸引而进一步靠近。耦合涡环产生的相向应力称作基本粒子受到的固有引力Fq(如图3所示)。
如果有限距离的两个基本粒子场方向相反,它们的涡环无法耦合,彼此的涡量场产生相互排斥的应力,使它们相互远离,这个彼此排斥的应力称作极性斥力。
由于基本粒子的角运动,基本粒子间的斥力状态是不稳定的,引力状态是稳定的,这才使得基本粒子聚集成各种粒子,进而形成五彩缤纷的世界。
2.2.2 基本粒子的引力
在固有引力的作用下,两个基本粒子最终达到平衡状态时并没有发生真正接触,而是保持一定的距离rb,否则基本粒子将会湮灭为爽子,五彩缤纷的世界也就不会存在。实际上,基本粒子存在固有引力的同时,还存在基本粒子独立涡量场间的相互排斥的应力,称作固有斥力Fr(如图4所示)。
当两个基本粒子间距r远大于rb时,耦合涡环产生的应力是耦合前的两倍,Fq≈2Fr;
当r远小于rb时,耦合涡环愈加发散,Fq增速趋缓,Fr增速加快,Fr≈2Fq;
当r=rb时,Fq=Fr。
Fq与Fr的合力称作基本粒子的表观引力F,简称引力。用矢量表示则有:
F=Fq+Fr (1)
当r=0时,Fr=-fc,Fq=fc/2,F=-fc/2(fc为标量)。建立固有引力Fq、固有斥力Fr和引力F的公式如下:
引力F和固有引力Fq、固有斥力Fr的曲线如图5所示。
当r＞rb时,F＞0,为引力区;
当r＜rb时,F＜0,为斥力区;
当r=rb时,F=0,为平衡点。
由于相互作用的基本粒子一旦进入斥力区,基本粒子间的斥力快速增大,因此我们观察到的基本粒子间的作用主要在引力区,而感受不到斥力的存在。
rb是远低于费米数量级的。
2.2.3 基本粒子的斥力
如上所述,在极性斥力作用下,同样存在基本粒子外围涡环的彼此包绕产生的引力,称作极性引力。极性斥力与极性引力关系同固有引力和固有斥力,它们的合力称作表观斥力,简称斥力,公式和曲线同引力。
2.3 基本粒子的湮灭
相向运动的两个基本粒子,如果它们的自旋相反(俗称一对正反粒子),当间距小于rb时,相互作用由斥力转化为引力并快速增大,导致直接碰撞而发生湮灭。碰撞瞬间,相对环面表面压力迅速降低,使它们原有的束缚态被打破而体积都急剧增大,刚体式的环变成了弹性的球,基本粒子反跃变为爽子。基本粒子的碰撞湮灭只能在斥力碰撞条件下发生,引力碰撞不可能发生。
当然,自旋相反的基本粒子碰撞需要克服它们间的斥力,这个条件在黑洞中心或视界附近能够提供。黑洞中心的基本粒子几乎处于静止状态,相斥力几乎为零而碰撞湮灭;视界附近的基本粒子具有极高的速度,存在碰撞湮灭和自行湮灭两种方式。
这里所说的湮灭与量子论中的概念是不同的。量子论中的湮灭是指正反粒子碰撞转化为光子等其他粒子,属于刚体态物质的不同粒子间的转化;基本粒子的湮灭是指刚体态物质转化为流体态物质,是物质状态的转化。
3 物质的对称性
3.1 基本粒子的质量属性
基本粒子表现出的相互作用的性质(即惯性),我们称作基本粒子的质量mc。基本粒子相互作用的性质是由其涡量场决定的,因此这个涡量场的强度就是表征质量大小的量。显然mc与基本粒子能量e0成正比、与基本粒子涡环面积Sc成反比。
设基本粒子涡环半径为rc,则有Sc=πrc2,设km为质能转换系数。于是基本粒子的质量mc可表示为:
mc=km e0/Sc=km e0/(πrc2) (2)
上式就是物质的质能方程。刚体式的基本粒子环面积Sc是恒定的,因此mc是恒定的常数,这就是基本粒子的质量守恒原理。
因此,物体又称作质量态的物质,空间又称作能量态的物质。质量是物体的特有属性,它和距离一样是表征物体间相互作用大小的尺度,质量的本源是能量。
根据涡运动理论可以推出:基本粒子涡环的角动能与线动能是相等的,即满足能量均分定理。按刚体理论基本粒子的能量e0可表示为:
e0=Icωc2/2+mcvc2/2=Icωc2=mcvc2 (3)
其中Ic为基本粒子的转动惯量。
上式就是物体的质能方程,即爱因斯坦质能方程。
将(3)式代入(2)式得:
vc2=Sc/km=πrc2/km (4)
从上式可以看出,vc大小是由基本粒子涡环面积决定的,与基本粒子环的半径成正比。这就是vc的本质物理意义。实际上,运动和质量一样,它们都是物体间相互作用的表现形式,这种相互作用反映在空间上就是物体的相对运动,反映在物体自身上就是物体的质量。
3.2 空间的静止属性
空间是爽子的无间隙的集合体,是连续介质。空间是无粘性的、弹性的流体介质。我们通常所说的空间是指一般物体的外场。在物体的外场中,一定区域内的爽子涡运动具有各向同性,因此我们可以将空间视为静止状态,这就是空间的静止属性。
3.2.1 空间密度
场的涡运动强度B反映在空间上就是空间能量密度ρ,简称空间密度,二者关系是:B=ρ2/3。为便于分析计算,不失一般性,建立一般物体体外场线模型如图6所示,场线为由一列爽子构成的涡管,爽子可以视作一个面元。显然rs和r是正比关系,即rs=k1r(k1为比例系数);设物体的质量为m,不失一般性,令每个基本粒子产生一条涡管,则溢出体表的涡管数为:n=k2m/mc(k2为溢出体表涡管的比例系数),因此r位置的空间密度Br(《系统相对论》相关描述有误)可表示为:
Br=ne0/(πrs2)
将rs=k1r,n=k2m/mc代入上式,得:
Br=krm/r2(5)
其中kr=k2e0/(πk12mc)为常数。
从上式可以看出,物体周围的场强度B与物体的质量成正比,与到物体的距离的平方成反比。结合场强度和空间密度关系,物体体外空间密度ρ与到物体的距离的立方成反比,这就是空间密度分布定律。这与爱因斯坦的时空弯曲理论是相一致的。物体的质量与空间的能量密度分布是相对应的。
3.2.2 空间的时间属性
从1.2节我们知道,基本粒子的角速度ωc、线速度vc和体积Vc均为恒定值。根据涡运动理论,基本粒子涡环单位时间吞吐爽子的数量nc1是恒定的,对应线速度vc就是单位时间穿越的爽子数nc2(nc1=ktnc2,kt为单列爽子涡管的条数)是恒定的。则穿越一个爽子的时间ts可表示为:
ts=1/nc2=kt/nc1=常数(6)
从上式可以看出,对于基本粒子的运动,在空间上表现为爽子具有一份时间ts的属性,这就是爽子的时间守恒。因此空间具有时间属性,空间又称作时空。空间的时间属性与物体的运动属性是相对应的。
4 和谐的宇宙
系统相对论描绘了一幅全新的宇宙图景:爽子的能量守恒和基本粒子的质量守恒是对称的,爽子的时间守恒和物体的绝对速度守恒是对称的,爽子和基本粒子又是可以相互转化的,因此物质是CPT对称的。宇宙是由物质构成的,宇宙是对称的、守恒的,宇宙中物质的量可以看作是个常数,流体态物质远大于刚体态物质的量,刚体态物质的量在一定幅度内波动。
宇宙不存在奇点和整体宇宙的大爆炸,这是由物质的量子化和宇宙无限的能量规模所决定的。从爽子到基本粒子是空间转化为物体(粒子),黑洞大爆炸就是物体转化为空间,每个星系或星系团都是这样不断循环往复。宇宙始终处于各个星系的此起彼伏的空间与物体的相互转化过程之中、无始无终。
假设我们能够跳出宇宙,看到的宇宙全景图应该是这样的:整个宇宙状如鸡蛋,蛋清是充满了光子和各种微观粒子的原子真空,蛋黄是无数星系和星系团构成的有形世界;鸡蛋外面是基本粒子也无法到达的光子真空,即相对物体的“虚无状态”,但充满爽子(如图7所示)。这就是系统相对论构建的和谐、优美的宇宙模型。
5 大设计
系统相对论是用两个基本物理量和两把尺子架构起来的。能量子的能量e0和爽子的时间属性ts是两个基本物理量,是普适的、无条件守恒的物理量;质量、电荷、作用力、速度等都可以用基本物理量来表达,属衍生物理量或局域物理量,是局部使用的、有条件守恒的物理量。长度和角度是系统相对论的两把尺子,系统相对论用这两把尺子架构了三维空间。当然这并不是说质量、电荷等概念不再重要,恰恰相反,正是通过局域物理量的定义和运用,使得理论描述和定律表达式变得简单,因此它们不但是必要的、而且是必须的模型简化手段。否则,因无法量化而只能定性描述,如确定一个物体的基本粒子数量,就是一项极其艰巨和无法完成的工作。
截止前年,自然界的科学模型主要包括引力模型、电磁模型、粒子模型、统一模型等四种。其中引力模型遵循爱因斯坦相对论,适用于一般物体和普通天体的宏观领域;电磁模型遵循电磁学,适用于电磁场;粒子模型遵循量子场论,适用于原子核、质子等微观领域。这三个模型是并列关系、互不关联,就如同三块相互独立的图板。统一模型遵循M理论,通过定义11维时空和弦、点粒子、膜等一系列概念,期望将上述三块不关联的图板拼接成一副完美的图画。为了克服不可重整化困难,M理论构想出的11维时空,通过费恩曼历史求和得出多达10500个的多宇宙。正如爱因斯坦所说:“理论应当简单,但不要太简单。”显然,M理论过于复杂,难以理解和验证。
与M理论相比,系统相对论构建的系统模型要简单得多并易于理解。与M理论拼图思路不同,如果引力模型看作状如柱子的象腿,电磁模型看作状如墙的象肚,粒子模型看作状如扇的象耳,那么系统模型就是将它们有机联系在一起的那头大象。正如《大设计》中所说,“也许真正的奇迹在于,逻辑的抽象思考导致一个唯一的理论,它预言和描述了我们所看到的充满令人惊异的千姿百态的浩瀚宇宙。如果该理论被观测所证实,它就将是长达3000年以上智力探索的成功终结。我们就将找到大设计。”系统相对论是大设计的候选者吗？
参考文献
[1]冯元桢.连续介质力学[M].清华大学出版社，2009,11.
[2]童秉纲,等.涡运动理论[M].中国科学技术出版社，2009,1.
[3]刘泰祥.系统相对论[M].中国文化发展出版社，2010,11.
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