空间和粒子动力学基本原理
黄国有
广西北海剑桥研究中心
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摘要
本文通过总结现在流行的空间和粒子的流行模型的优缺点，介绍宇观系统论中的空间和粒子的质磁模型，主张自旋是粒子和相互作用形成的关键。同时对历史上出现过的主要宇宙模型进行评述。
关键词：空间，粒子，波动，宇宙模型
1 宇宙空间组成的流行模型
空间的本质历来是哲学和科学中争论的重要问题。古希腊德谟克利特的原子论认为，所有的物质都是由原子组成的，原子之外则是虚空，这是牛顿绝对空间概念的始祖。中国古代王夫之的元气学说则认为世上万物都是由阴阳两种元气形成的，宇宙空间充满着这种元气，除了这种元气之外宇宙再也没有其它成分。这种朴素的宇宙一元论思想可认为是以太模型的始祖。现在流行于物理学中的空间模型主要是牛顿的绝对空间（虚空）模型和以太模型。牛顿认为空间是独立于物质而存在的客观实体，这种绝对空间模型直到现在也还没有足够的理由加以彻底否定。以太模型则是法国数学家和哲学家雷内-笛卡尔（Rene Descartes）首先提出来的，他认为空间充满了一种叫做“以太”的特殊物质，普通的物质就是在这种特殊的以太中存在和运动的。另一种流派是把空间与物质联系起来，认为没有物质存在的虚空是不存在的。首先提出这一观念的是爱因斯坦，他设想空间是引力场的一种特殊状态。现代物理学则趋于认为空间是量子场的基态，即能量最低的状态，量子场的激发态形成各种物质粒子和物体，量子场的退激导致物质的消失。
绝对空间模型认为物质独立于空间而存在和运动。以太模型的观点比较多，最早的模型认为宇宙中充满巨大的以太旋涡，是这种旋涡携带行星绕太阳运动，无数旋涡聚合成各种大小的物质充满整个宇宙空间。引力一般被认为是以太对物体的压力和作用。当时已知的磁力以及地球与物体之间的引力以实物则用物质与以太的直接接触作用来解释。现在以太说仍然是宇宙空间和基本粒子学说的一个重要的流派。法拉第引入电场和磁场的概念后，人们开始认为空间应该是由连续的场组成的。基于法拉第场的概念，麦克斯韦假设以太是一种不可压缩流体，他用流体动力学模型写了一个方程组。汤姆森和其它一些人设想原子结构是一种涡旋运动，电子发现后，拉莫尔也认为电子是一种以太结构。以太流体中的原子或电子涡旋观念在1905年遇到了一些严峻的问题，其中之一是涡旋运动的消散问题，另一个困难是电磁场以极大的速度（光速）在这种流体中传播，如果以太流体的属性与物质类似的话，以太对电磁波的弹力接近钢的弹力，所以这样高的速度是不可能的。在以太说的这些问题还没有克服的时候，爱因斯坦在相对论中用速度矢量描述空间，这样，作为空虚概念的空间在相对论中没有了地位，相对论的建立和流行使以太说逐渐沉寂。
纵观当今物理学流行的空间模型，我认为牛顿的绝对空间的地位并没有受到彻底的动摇，因为空间广延性几乎是一种共识，“物质之外是什么”这一问题我们显然无法简单地回答说“什么也没有”，如果这样的话等于我们承认了虚空，也即是承认了牛顿的绝对空间的存在。量子理论认为空间是量子场的基态的观点更不明确。首先，量子场本质是什么？真空激发产生粒子，粒子的质量从哪里来？要么质量守恒定律失效了，要么它再假设一种具有负质量的虚粒子，使质量守恒定律在数学形式上成立。这样，空间本质的问题不但没有解决，反而增加了许多主观臆想的如虚物质一样的新概念，使空间的本质问题的解决更加遥远
了，所以，我对量子场论对空间本质的解释感到不满意。相反，基于中国古代朴素元气理论的以太说却有一定的合理性。这种学说自然承认空间是一种独立的客观实在体，有一种基本的元气充满整个空间，元气的凝聚形成粒子，组成粒子的元气消散于宇宙空间时导致粒子的消失。尽管这是一种没有获得实质性发展的朴素的思想，但它包含的物理意义是深刻的，譬如说，如果元气是有一种具有一定质量的物质形态，这物质产生消失的解释不会违反质量守恒定律。可见，元气说绝不会是象有些人认为的那样只是古人的简单猜想而已。元气说或者以太说也没有否定牛顿的绝对空间的存在，相反，元气或以太等是以绝对空间为载体的。
我主张牛顿空间加元气或以太的基本模型。但空间中的元气或以太到底是什么？它们如何能够构成物质？这就是需要我们解决的问题。在我的宇观系统论体系中，这种充满宇宙空间的元气或以太就是物质最基本的衰变过程所辐射和吸收的组成物质的最基本的元素，我把这种物质的最基本的元素称为质磁波子。宇宙空间的质磁波子的涡旋运动形成基本粒子，基本粒子通过自身的衰变和逆衰变反应产生各种相互作用。
2 基本粒子的标准模型
在标准模型建立以前，人们认为基本粒子是一种质点状的实物结构，并且认为粒子所带的电荷和表现的磁距都是一个整数1，中子曾经被认为没有磁性的，但实验测得的质子磁矩为5.6个单位核磁子，中子磁矩为-3.82个单位核磁子。近代实验探测表明，质子、中子内部存在点状结构部分，它们独立地拥有一定的动量和角动量，所谓的基本粒子并不是人们相象的一样是质点状的不可再分的基本结构。
1964年盖尔曼提出夸克模型，他认为基本粒子由夸克组成，如：一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成（图2.1）。
质子中子
图2.1 质子和中子的夸克模型
近代高能实验证实夸克共有6味，分别称为上、下、底、顶、奇、粲夸克。每味夸克有三种颜色（这里的“味道”和“颜色”都是夸克表现出的两种属性的通俗命名，就象电性称为电荷一样）。6种夸克，6种轻子（电子、μ子、τ子及其相应的中微子）和4种规范粒子（光子、中间玻色子和胶子）一起组成物质世界（图2.2）。光子是电磁场的量子，胶子是色场的量子。胶子和光子都是质量为0、自旋为1的粒子，它们被称为规范粒子。轻子属于费米子，遵循费米统计规律和泡尔不相容原理，即不可能有2个电子处于同一量子状态下。光子、胶子、Z子和W子是内禀自旋为1波色子，它们遵循波色-爱因斯坦统计规律，即在低能态或基态下大量粒子可以处于同一量子态。
图2.2 构成宇宙物质大厦的砖石
在标准模型中，两个电子(同种电荷)通过碰撞(散射)和交换光子产生斥力作用。正负电子对(异种电荷)则可以通过碰撞和堙灭形成一个Z 粒子(所以表现为库仑引力)，然后衰变为一对正反夸克对。即电磁力通过交换光子产生，弱力通过交换W 子和Z 子产生，强力通过交换胶子产生。电磁相互作用对每个人来说都已经非常熟悉,因为它们与可见光和电波有关，电磁学是电子产业和通讯产业的支柱物理学理论。电子和轻子都可以通过电磁力发生作用。强力在原子核内部把电磁排斥的质子和中子聚合在一起。只有夸克通过强力发生作用。弱力被认为是与核放射有关的相互作用，它表现出一些其它三种力所没有的特殊的对称性。与电磁力和强力明显不同的是，一种粒子和它的反粒子的弱力规律是不同的(电荷共轭C 不守恒)，一个散射过程和它的空间影像的弱力规律是不同的(宇称P 不守恒)，一个散射过程和它的时间反演的弱力规律也是不同的(时间反演T 不守恒) 。所有的夸克和轻子也可以通过弱力产生作用。
标准模型与其说是一种理论体系不如说是一种高能实验数据的总结，能元素周期表体现原子的组成和结构一样，标准模型体现的是基本粒子的组成和结构。把光子，胶子Z 子和W 子认为是力的携带者并没有充足的理由，所以，实际上并没有解释各种力产生的原因，也没有解释基本粒子产生的原因，它只是对已知粒子进行了归纳和分类成基本粒子的“周期表”。所以，标准模型还不是统一场理论模型，真正的统一场论理论应该自然而合理地解释自然界所有的力和基本粒子的特征，而不应该只是用现成的实验测定数据。它必须能计算所有粒子的质量、轨道半径以及所有相互作用规律。
3 宇宙空间的质磁自旋模型
质磁自旋结构模型是宇宙空间和基本粒子的基本模型，这是一个统一所有物质规律的模型。在这一模型中，宇宙空间充满着物质基本衰变反应辐射的质磁波子，质磁波子是宇宙中唯一的传递力的粒子，它不受引力的作用，但它占据着宇宙的绝大部分的质量（90%以上），使宇宙成为一个高速流动性的非牛顿流体系统。虽然质磁波子不受引力作用，但宇宙系统存在压强，所以它将受到宇宙系统压力的作用，宇宙系统的压强等于系统边缘处的压强并处处相等。另外，因为磁力是由系统自旋运动产生的与自旋角动量和科里奥利力有关的相互作用，作为组成物质的最基本元素的质磁波子虽然不受引力的作用但却受磁力的作用。在宇宙系统压力场和系统自旋产生的磁场（磁旋等效原理）的共同作用下，质磁波子产生涡旋运动而形成基本粒子。基本粒子之间通过质磁衰变可逆反应对质磁波子的辐射和吸收产生各种类型的相互作用，基中的万有引力是基本粒子吸收质磁波子引起的动量变化而产生的切向加速度的反映，电磁力则是自旋粒子辐射和吸收自旋的质磁波子引起的角动量变化而产生的径向加速度的反映。
这样，充满宇宙空间的质磁波子与实物粒子之间以及实物粒子之间建立了整体上的联系和统一。这种联系和统一是通过粒子的最基本的衰变反应来实现的。宇宙系统的总质量是恒定的，前面的章节已经精确地计算出为kg 53106.1 。质磁波子在受激发的情况下产生涡旋运动就形成了正反粒子，表现出正负电荷属性。正反粒子相遇时涡旋运动消散导致粒子湮灭，涡旋中的能量密度在堙灭时向空间中的质磁波子气体中的波动传播就是光波。可见，空间中的质磁波子在一定的条件下受激发产生涡旋运动形成粒子，粒子的组成成分和质量都来源于空间中的质磁波子。粒子涡旋消散导致粒子堙灭时质量并不是消失了，而是变成
