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二十一世纪前沿物理学探秘 ——《唯象物理学》
发表时间 2018-04-12 10:55 来源 网络
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  作者简介:

  徐万民 1964年生人,吉林省蛟河市人,现为国家机关工作人员,中国专家学者协会理事。从20世纪80年代起,业余从事物理学理论研究。由于走的是一条独立探索之路,思想上不受传统物理学观念的束缚,因而能够独辟蹊径,运用一种新的思维理念,解决研究过程中遇到的各种难题。在粒子物理、原子物理、分子物理、天体物理、地球物理和时空理论诸领域,取得了丰硕的研究成果,发展并构建了一个新的物理学理论体系。

  主要著作:《时空新解:21世纪前沿物理学探秘》吉林人民出版社(2006);

  学术论文:论时间的本质(《科学研究月刊》2006.6);论引力场内的时空效应(《科学研究月刊》2006.7);新时空宇宙演化模型(《现代学术研究杂志》2006.1) 。

  相关研究成果和介绍收录在以下文献中:中国国际科技促进会编撰的《迈向世界的中国科技》(2010年);中国未来研究会编撰的《学术之路》(2010年);中国专家学者协会编撰的《中华百业功勋人物大典》(2011年);中国高科技产业化研究会编撰的《发展高科技 实现产业化 ——辉煌20年》(2012年);中国国际经济技术合作促进会编撰的《时代力量》(2013年);中国互联网新闻中心(中国网)编撰的《时代先锋》(2013年) 。

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  《唯象物理学》是一部关于物理学基础理论研究和探讨的学术性论著。本书以二十世纪物理学发展状况为背景,为了克服现代物理学所面临的疑难问题,在粒子场和时空性质两方面,大胆地进行了理论突破和创新,提出了两个新的学说,一是形态场假说,二是质能场时空理论。

  形态场假说研究的是微观粒子“场”的结构,认为带电粒子是由一维线性电场和二维平面质量场组成的。这一学说不仅解决了长期困扰物理学界的波粒二象性问题,而且在电磁学、分子物理、原子物理、原子核物理、粒子物理等领域,也颇有建树,创立了一系列衍生理论。在探讨物质性质方面,对于金属的导电性问题,提出了Q 键电桥说;对于物体的透光性问题,提出了M 键链接说;对于分子的结构力问题,提出了Q - M键理论。在探索物质结构方面,建立了复式原子模型,原子核壳层结构模型,形态场粒子模型,万有引力模型。在实验方面,对塞曼效应,斯塔克效应,旋光效应,法拉第效应,电流的磁效应,电磁感应现象,超导现象,穆斯堡尔效应,康普顿效应,正负电子对的生成与湮灭效应等,都重新进行了剖析和阐述。

  质能场时空理论论述的是宏观物质系统的“场”与时空变换效应的关系,是一个新的时空理论假说。这一假说不仅合理地解决了狭义相对论的理论不自恰性问题,而且还发展了相对论的成果,推导出了一组新的时空变换效应,揭示了时间的本质。在广义相对论方面,该假说重新论证了引力频移效应,阐述了发生宇宙学红移的原因,在否定空间膨胀的基础上,推翻了大爆炸宇宙学说,建立了一个新的宇宙演化模型。

  纵观全书,以形态场假说和质能场时空理论为核心,构建了一个新的物理学理论体系,取名唯象物理学。这一理论从实像的角度,而非抽象的、数学形式,对物质世界进行了清晰而透彻的描述,把人类的认识推上了一个新的台阶。物质的组成由结构性粒子,上升为形态场的结合体;时间与空间不再独立存在,而是通过场的交换与物质系统联系起来,整个宇宙成为一个相互联系的有机体。

  《唯象物理学》概论

  二十世纪,物理学的发展取得了辉煌的成就,建立了以相对论和量子力学为框架的现代物理学理论体系,为人类了解微观世界和探索宏观宇宙,打开了一扇窗口。但是,现代物理学并不完美,还有许多疑难问题没有解决;就理论本身而言,还存在着不自洽性问题。例如,相对论中的光速不变原理,就与经典的速度叠加原理相违背;量子力学中的测不准原理,则与传统的粒子运动行为相背离。而这两个原理,恰恰是构成现代物理学大厦的两块基石。由相对论和量子力学引发的天体的超光速运动和量子纠缠等问题,困扰着一大批物理学家,挑战着人类的认知底线。这些问题表明,现代物理学尚存在着理论缺陷,还有待于进一步发展完善和提高。

  著名物理学家费曼说:科学是一种方法,它教导人们,一些事物是怎样被了解的,什么事情是已知的,了解到了什么程度,如何对待疑问和不确定性,证据服从什么法则;如何思考事物,做出判断,如何区别真伪和表面现象。爱因斯坦告诫人们,发展独立思考和独立判断的一般能力,应当始终放在首位,而不应当把专业知识放在首位;如果一个人掌握了他的学科的基础理论,并且学会了独立思考和工作,他必定会找到自己的道路。

  一、形态场假说的起源与理论贡献

  如何破解现代物理学面临的疑难问题呢?笔者经过长期的思考发现,在以往物理学的研究中,人们忽略了一个基本问题,那就是对微观粒子作用“场”形态的考量。到目前为止,人们对粒子所携带的场的认识,仍停留在十八世纪本杰明·富兰克林定义电荷的时代,这种描述电荷性质的电场(库伦场)呈球对称状,与地球的万有引力场相类似。在麦克斯韦电磁理论中,运动的电荷能够产生磁场,电场和磁场之间存在相互感应的关系。

  为了解释电荷的磁效应,笔者做了如下尝试,把带电粒子所携带的场进行拆分,分解为电场和磁场。在形态上把电场设定为线性场,磁场设定为平面场,二者取名为形态场。在结构上,以粒子为原点,令线性电场垂直穿过磁场中心,如此一来,就构成了一个三维结构粒子场模型。后期研究发现,磁场与物体质量存在着密切联系,在原子尺度,把磁场改称为质量场更为合适,这就是形态场假说的起源。

  形态场假说阐述的是一种新型的粒子场之间的作用关系,那么,对于现代物理学来说,形态场假说能够解决哪些问题呢?现简要介绍如下:

  (1)在电磁学领域,形态场假说合理地解释了电磁感应现象和电流的磁效应;并对静电屏蔽、金属的导电性、超导现象和电磁波传输原理等,重新进行了分析和阐释。

  与传统的电磁学理论不同,形态场假说认为,许多电磁现象都是由原子核引起的,而不是核外电子。以金属的导电性为例,过去理论上认为,金属导体中存在着大量自由电子,在电压的作用下,自由电子定向移动形成电流。而形态场假说则认为,在电压作用下,金属原子的原子核线性电场联接起来,构成了电桥,外部输入的电场能沿着电桥传导形成电流。电流是一种能量传输,而不是电子流动。

  (2)在量子力学领域,形态场假说成功地解决了波粒二象性问题,为历时百年的“波爱之争”画上了一个圆满的句号。

  量子力学的核心,就是以波的形式对粒子的运动行为进行描述。基于电子的双缝干涉实验,海森伯提出了测不准原理,认为微观粒子的运动轨迹具有不确定性;以此,在学术界形成了以波尔为首的哥本哈根学派。

  爱因斯坦终身反对量子论,他提出了一个又一个的思想实验,企图证明量子论的不完备性和荒谬性。爱因斯坦认为,海森伯原理违背了确定性原则。为此,他说了一句很有名的话:“上帝不会掷骰子!”

  形态场假说证实了爱因斯坦的观点,指出电子的“波性”,是电子的质量场在运动过程中形成质量波,之后产生的干涉效应。电子并没有转化为波态,仍然保持着粒子的属性;电子运动轨迹是固定的,不存在任何不确定性,波粒二象性是一个虚假的命题。

  费曼在他的《费曼物理学讲义Ⅲ》中说,量子力学的全部理论都取决于不确定原理的正确性。但是,如果一旦发现一种能够“推翻”不确定原理的方法,量子力学就会得出自相矛盾的结果,因此,也就不是自然界的有效理论,而应予以抛弃。

  其实不然,虽然海森伯测不准原理被证明是错误的,但是,量子理论所建立的原子结构体系并没有崩塌;只不过形态场假说用质量波行波谐振原理代替德布罗意波定态驻波原理,设立了核外电子的运动轨道,量子力学建立的原子能级依然成立。

  (3)在原子物理学领域,形态场假说在波尔原子模型基础上,建立了一个复式原子模型。这一模型的结构特征是,原子核呈双层圆盘状,核外电子运动在上下两层圆周轨道上,取代了电子云的概念。

  与量子力学不同,复式原子模型以形态场的作用模式,而非抽象的数学方式,对原子的磁场、原子精细结构、塞曼效应和斯塔克效应,重新进行了分析和阐释。

  (4)在分子物理学领域,形态场假说提出了Q—M键理论,解决了分子的结构力问题;并以此为基础,对物质的物理性质和化学性质进行了概括和阐述。

  原子是如何组成分子的呢?现代物理学研究认为,原子是通过静电作用,即化学键结合成分子的。而复式原子模型则认为,原子是通过电场和质量场双重作用结合成分子的。借用化学键的概念,把原子间电场作用称为Q键,质量场作用称为M键,简称Q—M键理论。

  Q—M键理论认为,物体的物理性质和化学性质,都与Q—M键的作用效应有关。如物体硬度和延展性,金属的导电性,物体的透光性,以及物理变化和化学反应等。

  以透明物体的导光性为例,像水晶这类物体,其透光性就属于M键的作用效应。具体地说,可见光是M场性质的波,只能依靠相同性质的媒介质进行传导。按照Q—M键理论,在物质内部普遍存在着M键作用,但是,并不是每种物体都具有透光性,只有原子的M键相互链接,构成一条光的传导通路后,才能传导光波。光介质的这一传导原理与金属的导电性相类似,又称M键链接说。

  M键链接说开拓了一个新的光学研究领域,它从物质结构的角度,对光的折射与偏振现象,以及旋光效应和法拉第效应等问题,进行了剖析和阐述。

  (5)在原子核物理学领域,形态场假说以质量场作用和电场作用为结构力,建立了层状原子核模型,成功地解决了原子核的衰变机制问题。

  不稳定原子核发生衰变,其衰变方式有三种:α衰变、β衰变和γ衰变。原子核为什么会发生衰变呢?层状原子核模型认为,α衰变是原子核质量场产生的一种作用效应,β衰变是原子核电场产生的一种作用效应,而γ衰变则与核子的能级跃迁有关。

  在以往的理论研究中,把α粒子强度随能量的分配,称为能谱;认为α能谱的分立性,反映了原子核能级的不连续性。然而,在β衰变中,当测量电子的能谱时,发现它是一个连续谱,这一结果与原子核能级的不连续性相矛盾。为了解释这一现象,泡里提出一种假设:在β衰变中,除了放出一个电子外,还放出一个不带电的质量很轻的粒子,称之为中微子。中微子与电子的能量之和为常数,原子核每放出一份能量,都要在电子和中微子之间分配,这样电子的能量就是一个连续谱。

  而按照层状原子核模型的观点,无论是α能谱,还是电子能谱,都与原子核的能级无关,只有γ能谱反映了原子核的能级。因此,关于中微子的假设失去了理论前提,所谓中微子是不存在的,这是层状原子核模型挑战现代物理学,推出的一个重要结论。

  (6)在粒子物理学领域,形态场假说摒弃了夸克模型,创建了一个新的粒子组成体系——形态场粒子模型。

  形态场粒子模型认为,自然界中除光子以外,所有粒子都是由电子组成的复合粒子。电子间通过形态场作用组合在一起,电子电场串联,构成了粒子的纵向结构,比照原子的结合力,称电场作用为Q键。电子质量场并联,构成了粒子的横向结构,称质量场作用为M键。Q场的作用量度为电荷,不存在分数电荷的概念。

  根据粒子的衰变方式和衰变产物,可以推演出粒子的结构和组成,又称结构图谱。反过来说,根据粒子的结构图谱,可以推断出粒子衰变方式和衰变产物。例如:中子是由一对正电子和一对负电子通过M键组成的复合粒子。根据结构图谱推断,中子有两种衰变方式,第一种衰变方式生成质子和电子,第二种衰变方式生成反质子和正电子。第一种衰变方式早已为人们所熟知,而第二种衰变方式从未在理论上讨论过,有待于实验予以验证。

  总之,形态场假说以粒子形态场模型为主线,在基础物理学领域,取得了丰硕的研究成果,建立了复式原子模型、层状原子核模型、形态场粒子模型和万有引力模型,构建了一个新的物理学理论体系。形态场理论模型的最大特点就是直观性,以唯象的手法把微观粒子结构及其作用关系展现出来,故称之为唯象物理学。

  二、质能场时空理论简介

  时间是什么?在一般人的思维理念中,时间是指能用时钟度量的,用以描述事物发展变化的一种空间存在的延续。时间是绝对抽象的,独立于物体之外而存在,时间的流逝与自然界中其他任何事物无关,其中包括自然界存在本身。

  1905年,爱因斯坦在一篇《运动物体中的电动力学》的文章中,提出了后来被称为“狭义相对论”的理论,打破了这一传统观念,认为时间和空间不是绝对不变的,在高速运动的参考系内,将发生时空变换效应,人类第一次向经典时空观发出了挑战。然而,分析发现,相对性时空观并不是完美的,在时间效应方面,存在着严重的理论不自洽性问题。为了破解相对性时空观面临的理论疑难,笔者摒弃光速不变的假设,提出质能场交换原理,对时空效应重新进行了论证,进而推导出一组新的时间、空间和质量变换关系,这就是质能场时空理论的起源。

  (1)关于光速不变原理的讨论

  狭义相对论的理论出发点是两条假设,一是相对性原理,二是光速不变原理。其中,光速不变原理描述的是光的一种自然属性,那么,这一假设是在怎样的背景下提出来的呢?

  古希腊时期,哲学家亚里士多德认为,光是通过媒介质传播的,这种媒介质被称为以太。十九世纪,人们为了寻找以太做了大量实验,其中最著名的莫过于迈克尔逊—莫雷实验,该实验证明地球上不存在以太风。

  人们为什么要寻找以太风呢?那是因为当时的人们认为,光的媒介质像声波的媒介质——空气一样,是一种弥漫于整个宇宙的流体,为此,要确定一个相对于以太静止的参考系。在天文观测中,光行差现象似乎告诉我们,太阳系就是这样一个参考系;而迈克尔逊—莫雷实验证明,地球上又没有以太风。在如此矛盾的前提下,人们被迫放弃了以太的概念,也正是基于此,爱因斯坦提出了光速不变原理。

  光速不变原理可简单地概括为:光在真空中的运动速度总是各向同性的,与光源的运动速度无关。如果承认光速不变原理,在地球表面光速当然是各向同性的,于是迈克尔逊——莫雷实验结果的解释,便成为不言而喻的事情了。但是,这条原理同一个优越的以太静止参考系的存在,同经典物理中的绝对时空观,却是背道而驰的。

  相对论问世以后,在学术界引起了巨大的争议,许多研究者提出质疑,光速不变合理吗?在经典物理中,这一假设是绝对站不住脚的,因为它违背了速度叠加原理,任何相对运动的两个参考系,在测量第三者运动速度时,不可能得出相同的结论,但是,在这里光速却是一个例外。直觉告诉我们,光速不变原理与量子力学中的海森伯测不准原理一样,有悖于最基本的物理学常识,是一个荒谬的假设。

  光是一种电磁波,遵循波的基本传播规律,它不是粒子,不能脱离媒介质而存在。在形态场假说中,电磁波分为质量波和电场波。质量波是一种平面波,具有偏振性;电场波是一种线性脉冲波。研究表明,这两种波像声波一样,必须依靠媒介质进行传播。光在透明物体中传播,传导质量波的是M键链接,一种质量场性质的媒介质。电磁脉冲在金属物体中传播,传导电场波的是Q键电桥,一种电场性质的媒介质。可见,无论是质量波还是电场波,都只是一种能量形式,必须借助于相同性质的媒介质来进行传导。

  那么,光在真空中是如何传播的呢?粒子的质量场作用效应,在宏观上表现为万有引力场,参见本书第四章《万有引力模型》。宇宙空间是一个质量场交织汇聚场所,各种天体就是通过万有引力结合在一起的。万有引力场的质量场特性,决定了万有引力场具有传导质量波的功能。因此,可以确认,光在宇宙空间中,是通过万有引力场进行传播的,万有引力场就是人们寻觅已久的媒介质——以太。

  万有引力场不同于空气和水这类媒介质,它不是流体,而是以物体为中心的场性物质。光是粒子质量场或电场产生的一种波动,它始终相对于光源(粒子)以光速c向外传播。换句话说,光的传播对光源有依赖性,光速与光源的运动速度有关。在地球表面,光的这一传播性质与迈克尔逊——莫雷实验结果并不矛盾;在天文观测中,光行差现象也证明了这一点。

  (2)质能场时空变换效应

  在狭义相对论中,为了阐述自然界物体的运动规律,采用了参考系,参考系是一个与系统质量无关的假想的时空坐标系统。在这一坐标系中,爱因斯坦根据光速不变原理和洛仑兹变换,推导出了时空相对性效应。然而。在运动的参考系内,为什么会发生相对性效应?爱因斯坦并没有做出解答。

  为了揭示时空的性质,笔者用物质系统代替参考系,对时空变换效应进行了考察。所谓物质系统是指相对独立的物质实体,如粒子、地球、太阳系等,各物质系统之间存在着质能场作用关系,质能场指具有宏观作用效应的场,包括万有引力场和电场。而参考系只是一个时空坐标系,各参考系之间只能靠光讯号进行联系。

  与光速不变原理不同,质能场作用遵循以下规则,以各自的质能载体(物体或荷电粒子)为核心,场与场之间以光速 c进行能量交换,并发生作用。质能场这一作用规则,又称质能场作用原理。

  根据质能场作用原理推演,时空变换效应不仅与物体的运动速度有关,而且还与物体的运动方向有关。在质能场交换条件下,不仅产生了时间变慢、空间收缩、质量增大三种相对性效应,而且还产生了时间加快、空间舒张、质量减小三种反相对性效应,这就是质能场时空理论。

  在质能场时空论中,光速不具有特殊意义,它只代表了物质系统间质能场的交换速度。如果说系统间质能场的交换速度不是光速,那么,在时空变换公式中,光速c将被质能场的传播速度所取代。质能场时空论强调,发生时空变换效应的物质系统之间,必须存在着质能场联系,是彼此间质能场交换量的变化,导致了时空效应的发生。如果离开这一前提,无论两系统间发生怎样的相对运动,都不可能产生时空变换效应。

  宇宙中有许多相对于太阳系高速运动的天体,根据多普勒效应计算,有些天体的运动已接近光速。按照狭义相对论的观点,如果在这些天体上观测地球所在的参考系,一定会得出时间变慢的结论。而实际情况又是怎样的呢?难道说仅仅因为它们的运动,地球上的时钟就变慢了吗?当然不是,这只是相对论得出的一种观测的效应。

  关于时间的本质问题,质能场时空论认为:时间是自然界物质之间,进行质能场交换频率大小的尺度,时间值与质能场的交换频率成正比,它决定着物质系统内诸事物发展变化的节律。

  (3)引力场内的时空效应

  1916年,爱因斯坦通过等效原理把相对性时空效应推广到引力场中,建立了广义相对论。但是,由于狭义相对论的理论缺陷,不可避免地给广义相对论效应带来了偏差。

  在质能场时空论中,引力场内发生的质量和空间变换效应与广义相对论一致,即空间长度收缩、物体质量增大效应;而时间变换效应却恰好与之相反,广义相对论给出的是时间变慢效应,质能场时空论给出的是时间加快效应。如何验证哪一种结论是正确呢?

  引力频移效应解决了这一问题。对于天体的引力场来说,按照时间变慢效应,只能推导出引力红移效应。而天文观测表明,天体周围发生的是引力紫移效应,与时间变快效应相对应。事实证明,质能场时空理论的观点是正确的。

  在宇宙演化研究方面,通过观测引力频移效应,可以捕捉到早期宇宙时空结构的信息。物质系统质量的增减,直接导致时空结构发生变化。如果宇宙早期物质总量小于现在宇宙的物质总量,那么,在现在看来,早期宇宙天体发出的光将产生红移效应,类星体的红移现象就属于这类效应。在大爆炸宇宙学说中,把类星体红移现象解释为天体退行产生的多普勒效应,并被作为宇宙膨胀的主要证据之一。其实,宇宙学红移反映的是宇宙早期的时空结构特征,与天体的运动无关。过去,天文学家根据哈勃常数的倒数来计算宇宙的年龄,一直没有得出一个确定值。而根据类星体的红移值计算和推测,宇宙年龄近似地在160 — 170亿年之间。

  简言之,质能场时空理论是一部阐述时空性质的假说。它克服了狭义相对论的理论局限性,修正了广义相对论的引力频移效应,揭示了时空变换效应的本质。

  综上所述,形态场假说和质能场时空理论与学术界主流观点大相径庭,它们以物质“场”为研究对象,在基础物理学领域,实现了理论新突破。

  在现代物理学研究中,往往只注重于物质与能量,而忽略了对“场”的考察,这是物理学发展过程中缺失的环节。场是物质与能量的中间态,质量和能量相互转换,就是借助场来实现的。相对于量子力学而言,通过对微观粒子场结构的研究,形态场假说把物理学从抽象的、繁杂的数学描述中解放出来,使人们对原子、原子核和基本粒子的结构和作用关系有了更为明晰、直观的认识。而质能场时空理论通过对物质场交换规律的阐述,使人们从相对论的逻辑循环中解脱出来,对于时空变换效应,不仅知其然,而且知其所以然。大道至简,这也是物理学家们一直以来追求的理想和目标。

  形态场假说和质能场时空理论的问世,撼动了现代物理学大厦的两块理论基石。风雨过后,乌云散去,物理学的天空已经晴朗起来,二十一世纪物理学的春天正悄悄地走来……

  (本文节选自《唯象物理学——引论》略作改动)