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物空一体论和万有引力的起源 第 8 页 共 8 页

物空一体论和万有引力的起源

王宏伟
5/4/2004

1. 引言

物理学研究到今天如果从纯物质的角度看，我们已经对我们所处的这个世界有了一个大概的图象:
1）这个世界的绝大部分是漫漫的虚空, 就是看似坚实的原子中也是如此。氢原子中绝大部分是空空如也,氢原子的尺度约在10-10m,电子的尺度为10-12m,而质子只有10-15m,电子和质子的尺度分别只有氢原子的百分之一和十万分之一，所占的体积就显得更小了,还要再来个3次方,简直就可以忽略不计了。每时每刻多得不计其数的来自太阳的以光速运动的中微子基本上是毫无阻碍地穿过我们的身体，穿过看似结实、但对中微子是透明的地球，奔向天涯的尽头（如果有的话）。
2）其间零零星星的分布着一些我们称之为基本粒子的东西(主要是质子、中子、电子和中微子)。
这些基本粒子据我们估计是诞生于150亿年前的宇宙原始炼丹炉之中，且是在第一秒之内。它们自150多亿年前诞生之初到现在变化不大，是这个世界上最最古老的结实无比的物质，想到我们每一个人都是由这些世界上最古老的接近永恒的物质组成，都是“活”的古得不能再古的“古董”，不免让人有一种很是惊异的感觉。
这些粒子在诞生之后开始团聚在一起形成各种集合，我们称之为基本的元素，然后构成大千世界的万事万物，包括我们自己，应该说我和我的电脑、写字台、台子上的一只龙泉青瓷瓶、窗外的柳树和叫喳喳的麻雀们，和其他的人，和泥塑的菩萨,和三光日月星等等在基本组成元素上是一模一样的，大家在这方面差别不大，所不同的只是在组成元素的数量多少和拓扑结构上;在此基本层面之上进行着是聚散离合、转化和轮回，以及无数的风花雪月的故事。
虽然我们在粒子对撞机上发现了很多的新的“粒子”，但寿命通常短暂如昙花一现，它们更象是某种激发态，并不能在我们这个现实的世界上存活多久，在比我们说的瞬间都要短得多的多的时间内就会衰变成我们常见的寻常粒子，它们不是构成我们这个世界的主体元素；反粒子也一样，它们的数量很少，在我们这个以正物质为主体的世界中，很快就会被湮灭成光子。不论是重子的八重态和十重态，是介子的八重态，还是其他一些什么，我们感觉到的是一个个圈子，每一个圈子的内部谁也不比别人更基本，圈子和圈子又处于不同的层面。随着加速器能量的不断提高，我们已经发现的“粒子”数目超过了百种，比化学元素的种类还多，于是我们改口称之为“粒子物理学”，而不再说“基本粒子物理学”。把我们知道的各种粒子在加速器中不断地提升能量并让它们撞来撞去,总会有点新现象出现,就象两个人相遇后多多少少总会有些故事发生。也让人感觉有一点“为赋新词强说愁”的味道，比如说为了让我们能达到普朗克长度（=(Gh/c3)1/2=10-35m）)而看见那一根一根的理论上的超弦，据估计我们建造的加速器需要有宇宙那么大；按照超弦理论推出的引力子超弦的张力竟有1039吨，可谓是强硬到了极点，我们
是不是应当让周围的真空空间分担一些引力，而不要让一根其细无比的弦来单独承受这么大的负担？
3） 在各个物质粒子（或是物质岛屿）间穿梭的是各种频率的电磁波们。这里有任何温度超过0K的物质团块都会不断发出的热辐射，有各种生物包括我们发出的生物电磁波，也有我们制造的各种无线电波和激光等弥漫于广大的空间。

此图象更象是非常朦胧的水墨画，本来就非常稀松的团团块块、斑斑点点间是更为巨大的留白。让人有了一种空灵之感，在此艺术和科学有了某种相通之处；也让人想起了多少诗人感叹的“如梦人生”，想起了逝风残梦般的如烟往事和似水流年。

在最基本的物质层面上看我们这个世界就是这么简单而且单纯，似乎没有什么其他神秘的东西了。
不过我们还有些不知道的事情：
1． 占据了最大“空间”的虚空是由什么组成的？我们有时是过多地关注了那些粒子“明星”们而忽略了为了更准确地叙述故事所需的大背景，没有大背景的故事片容易让人感到有点不真实。
2． 虚空和粒子是不是有某种界面？还是一体的？
3． 几种基本力的起源是什么？
我们已经有了描述几种基本力的一些数学公式和体系：
象万有引力我们有牛顿万有引力定律和广义相对论；
电磁力有库仑定律、电动力学、电磁场理论等；
分析从物质团块中发出的光谱我们有了颇为繁琐但相当有效、精密的量子力学、量子电动力学。观测仪器越来越精密使我们有了更精细的时间和空间的“尺度”，我们也发现了越来越精细的光谱结构，随之而来的是我们的数学体系越来越繁琐和复杂；也因为这些微观的东西比尘埃还要渺小得多得多，我们的测量探针经常象是行驶的一艘大船，会把水面上的一些浮萍荡开，我们有了“测不准原理”或者也可说是“瞄不准原理”。
我们也有关于局限于原子核内部的强力（一种短程的饱和力）和中子衰变的弱力等一些理论。
……
也有了试图把各种已知的粒子、各种作用力全部统一在一起的、象是某种包罗万相的终极理论“超弦理论”。

这些物理理论或学说就象是飘浮在各种形形色色的实实在在的物质岛屿上的由物理概念和模型、数学公式和物理常数组成的一朵朵的浮云，有时给人的感觉比物质本身还难以把握。我们的左手是理论，右手是实在的物质，我们不断地修改和磨合着我们的理论，调整着数学构架，总想让它们和我们由不同的而且是越来越精细的测量“尺子”(空间、时间、质量、电荷、能量)得到的物理事实（主要是经过了仪器的“转化”完成一种数学的变换或是跟尺子比对得来的数据）尽量匹配起来，总想作到“剑心合一”，这是一种“互动”的游戏，也象某种猜迷的活动。当然象我们描述自己和世界的各种理论一样，因为这些是我们人类自己发明的语言体系，上帝和外星人（如果有的话）描述这个世界用的语言估计和我们是不一样的，地球上的其他的动植物和我们的思维方式的差异一般来说也是很大的,尽管都是原始的单细胞生命进化而来。我们是以我们定义的尺度来衡量和对世界进行某种格式化，这些理论本质上是属于上层建筑一类的东西，它们比稍显虚幻的物质世界虚幻的级别应该更高一些才是。再准确的素描或是模型也跟实物不是一回事。

不过我们现在对很多东西还是知其然，不知其所以然。为什么有这些定律或是数学体系？
一轮明月孤零零地悬挂在天际,地球透过看似空无一物的虚空吸引着月球傻乎乎地绕着它转动。真的是一片“虚空”吗？
什么是万有引力？我们更想有一个物理的解释或是理解而不仅仅知道描述其规律的方程，我们需要理解为什么 F=GMm/r2？放弃对物理本质的追求而只是满足于“自然哲学的数学原理”或是当我们面对未知的东西就简单地归结为“上帝”的作为，都会让我们感到有一些不太甘心，难道真的是“道可道，非常道”？
本文在此只探讨一下万有引力的起源。

2． 真空空间和物空一体论

要描述一些具体的事物我们可以有很多的词汇，比如要写大熊猫，我们可以写出厚厚的一本书。要描述一个看似空空如也的真空好象用不上什么词汇，似乎一个 “空”字就足够了。
不过我们还是从已知的各种物理事实中看到了一些端倪：
1）真空并非空空如也。你如何设想在两个粒子间或两块物质间是绝对的空无一物,是如此的隔绝，它们之间还能发生引力？是仅仅是两者之间交换了某种应该是很常见的但到现在我们还没找到的“引力子”吗？量子场论中的真空极化的假说也认为真空是某种“物质”。
2)既然真空中是某种东西，那么是一种什么组成呢？思考良多，结论是我们不太可能知道是些什么，至少目前是这样，只是有如下的一些概念：
l 真空不可能是由某种非常微小或是大一些的“粒子”组成的，分布得稠密也罢、稀疏也罢，否则我们的质子、中子和电子在其间运动必然会受到某种“阻力”或是杂散力，不可能保持一种匀速的状态。
l 不论是高能的γ射线、太阳光的赤橙黄绿青蓝紫，还是从我们身体中不停地向外辐射的生物电磁波，一直到到我们自己制造出来的各种形状（不论是正弦波、矩形波还是其他奇形怪状）的无线电波们和更精细的激光，它们都以完全相同的速度C 运动，而且和光源的速度无关。
这是狭义相对论的物理基础，在广义相对论中的引力波也是以光速传播。这似乎显示了真空媒质具有某种“刚性”；而且光波和水波很象,两列波相遇可以穿行而过而不发生碰撞。
真空好象是一种一望无际的连续的“物质”，和物质粒子一样具有机械的、介电的性质；
l 万有引力也颇有玄妙之处：
忽略空气阻力时，在地球上的同一高度放上随便什么东西，不管其形状和内在结构，是奇形怪状的太湖石、人、还是一朵花，或是一个微小的中子等基本粒子，都以同样的加速度g下降。

空间任一点的加速度是由场本身决定的，不同物体的加速度一样看来是因为这些东西是“捆绑”在有些刚性的真空空间上的。一个形象的比喻就是: 把一块地毯放在地板上，无论地毯绣上什么图案，或是固定上什么东西，从地毯的一头以某一速度或加速度拖动，这些和地毯结合在一起的东西会有完全相同的运动。因为真空空间的一体性，引力就成了万有的，也是“隔离”不了的了。

若考虑到地球的自转，可作如下假设：地表的真空空间（至少在一定的高度）是和地球一起转动的，地表的“以太”（真空空间）和地表的静止物体没有相对的运动，任何外来的光到了这里让我们测到的还是C。太阳光在穿越这一层时会略微转转弯，但是因为光速太快，地球的转动又很慢，这一转弯很难被察觉。相对于超过一定海拔高度的真空空间，也就是太阳系的真空空间，地球的确是“转动”的。

也让人想起了牛顿感叹的“第一推动力”，为什么各大行星刚刚好好就以恰到好处的速度绕着太阳旋转？这大概是由于太阳的自转带动着周围的真空空间一起转动，在太阳系中v2r=GM=常数，太阳系是一个巨大的涡漩，各大行星的轨道角速度肯定是小于太阳自转的角速度；当然地球的自转也会产生一个小的旋涡，月亮在其中运动。这里是大旋涡中套着小旋涡。

还有问题，物质粒子在某种具有刚性的媒质中运动，如何可以保持匀速？似乎唯一的假设就是：
物质粒子是真空空间中的局部形变，它们和真空空间是一体的，是捆绑在一起的，大家都是“浸没”在空间之中的。或者更准确地说物质粒子只是漫漫虚空中分布得稀稀拉拉的一些容易受到我们关注的“奇点”，它们的运动只是某种局部空间形变或是奇点的“移动”，一般来说这种移动的速度跟光速相比起来是非常小的，更象是缓慢的“蠕动”。当然一般物质粒子的速度不可能达到光速，就象我们在加速器中对质子和电子加速时所看到的那样。
在没有其他外来干扰的情况下，在空荡荡的真空空间中，这种形变的“移动”会始终保持在一种状态，具有惯性，类似某种“孤立子”或是“孤立波”。由此动量和能量守衡理解起来也很自然了。

关于 物质粒子的波动性λ=h/mv,也可理解如下:
在物空一体时,粒子以v移动,但会影响附近的空间以C波动,形成某种波长λ；在Δt
的时间之内，粒子运动了λc，而波传了λ：
应有 Δt=λc/v= λ/c, 式中λc=h/mc 为粒子的康普顿波长(也就是粒子的尺度)，于是λ= λc c/v=h/mv
这里沿运动方向的波对碰到的粒子会产生一种排斥力，这也就是氢原子中电子不会落到原子核上的原因。没有这种斥力就很难解释总是相互吸引的正负电荷为什么粘不到一起。

自然在最基本的层面上是统一的。这一物空一体论的假说简单而平和，而且好象也不是很出乎我们的意料。

那么引力是如何产生和作用的呢？
把一根银筷子横放竖放都是g，所以万有引力不是某种媒质的浓度梯度造成的力；一个金戒指可以打成一块很大很大的金箔，但从理想状况来看，它们的重力加速度和受到的力都是完全一样的，于是引力子的观念也是不好成立的，因为从场源发出的引力子产生的引力和吸收引力子的截面积有关。
到88层金茂大厦的54层的咖啡厅去喝咖啡，此时若是杯子掉落地上，其加速度还是g, 尽管其中隔开可那么多层的钢筋水泥的楼板。万有引力会“隔山打牛”，跟静电不一样，是屏蔽不了的。地球中心的铁核发出的引力波照样会穿越层层的地壳对我们施加着引力。
那么这引力波来源于何处呢?肯定是来源于作为引力场源的粒子无疑，而且是来源于粒子的内部运动，物质粒子的内部运动是产生外在运动的原因，是“源头”。这似乎是一句“废话”，但真理好象就是由一些不言自明的废话组成的，比如各种守恒定律。

3.万有引力的起源
3．1 关于基本粒子的模型
对光子我们有如下的公式：
E= mc2 和 E=hγ
即 mc2=hγ
考虑到正负电子、正负质子等相遇时会湮灭为光子，电子、质子等其他基本粒子好象就是一堆束缚的能量；考虑到具有零静止质量、零电荷的光子只是真空空间的一种形变，那么其他几种“基本粒子”也应该是真空空间的一种特殊形变（特殊的卷绕，对外表现出质量、电荷等特性），所有这些“粒子”的“组成成份”和真空空间应该没什么区别，于是上述等式推广到电子、质子等也应该是成立的。
那么如何理解这一等式呢？ 似乎可作如下的模型：
基本粒子的尺度为其康普顿半径 rc= h/2mc, 基本粒子以某种频率和光速作振荡收缩和扩张，象一个个振荡的心脏生生不息，以超高频率拨动着宇宙的琴弦,发出节奏强劲的鼓点儿。
这样可计算它的频率为： γ = c/（2rc）
于是 hγ= hc/（2rc）=hc/(2h/2mc)=mc2
于是我们有了如下的图象，质量为m的基本粒子以内在频率γ和光速作收缩和扩张的
振荡，同时牵扯着周围的真空空间以同样的频率振荡，所谓“文武之道，一张一弛”。当然其频率之高，波长之短，是令人惊叹的，远非一般的电磁波可比。我们的基本粒子就象是一个个振荡的小宇宙，这和我们猜测的我们的大宇宙也会在爆发和收缩之间轮回好象有某种相似之处。
我们知道越是微观就越有高速的运动，比如表面平静的水面有高速的分子布朗运动，氢原子中有更高的离光速不远的电子运动，中子衰变时会甩出以光速运动的中微子。于是上边的假设粒子内部有等于光速的运动应该是合理的。
这一模型似乎和现有的一些关于粒子的性质和模型不太一致,比如粒子的自旋和夸克模型:
l 自旋: 我们的质子、中子、电子和中微子都具有1/2h的自旋，似乎有一种很奇怪的内部旋转运动，在磁场中我们会发现粒子束的分裂。
应该说电荷是什么我们到现在还不是很明白，但可以认为是存在于粒子之中的某种东西。如果在上述振荡模型中假设粒子中的电荷也只是随粒子振荡的一种往复运动，那么在有外来磁场时，电荷的往复运动会在磁场的作用下形成一种忽左向忽右向的旋转，这是不是所说的1/2 h? 在没有外来磁场、我们不测时粒子可能不存在旋转运动。
这样一来我们的上述模型还是合理的。
l 粒子的夸克模型：认为我们的强子（包括质子和中子）是由几种带分数电荷的夸克
组成的。不过我们到现在也没见过自由的夸克，理论上也说夸克是“幽闭”的。也许
所说的夸克和分数电荷只是一种数学上的分解的结果。

3．2 万有引力的起源

根据上述基本粒子的模型和物空一体性的假设我们对万有引力可作如下假设：
万有引力就是起源于上述的振荡波，这是某种球面的纵波，由此与 1/r2成正比也就有了某种根据了。
还有一个考虑，如果收缩和扩张是对称的，也就不会造成引力场中粒子的移动，只会产生某种在平衡位置的振荡。于是进一步假设万有引力起源于收缩和扩张有某种不对称，收缩略大于扩张。这种假设应该是合理的，因为既然能形成某个物质粒子，造成真空空间的某种局部聚集形成奇点，则必有这种不对称存在，这一动力和趋势诞生于混沌初开之时，并延续至今。
下边作一些计算：
考虑到物空一体性，物质粒子的收缩量会等量地传递到周围的真空空间，下边的等式应该是成立的：
4πrC2 ΔA= 4πr2 Δr （1）
其中 rc = h/2mc，是粒子的康普顿半径，也就是粒子的大小
ΔA 是粒子一个振荡周期内收缩和扩张的差异（也就是粒子的净收缩量）
r 是空间某一点到粒子的距离
Δr 是此空间点在一个振荡周期内在引力下的位移（当然也是收缩和扩张的差异）
不考虑粒子的初始速度，在一个周期内仅由加速度造成的位移为：

Δr =1/2aτ2
其中τ 为振荡的周期，应等于τ=1/γ=h/mc2
a 为加速度，应有a = Gm/r2
l 注：我们这里仍以牛顿的万有引力定律为准，因为在可以忽略引力波的光速影响的小宇宙尺度和引力不是极端强大、光线弯曲微弱得难以察觉的场合（象太阳系）中它是相当精准的；广义相对论在研究大宇宙尺度时才用得到。引力波的传播速度也只是个引力产生后的传播速度而已，我们信赖的“光尺”在引力场中弯一点点儿对我们衡量引力的大小有影响，但这两点对研究引力是怎么发生的也应该没什么太大的关系。

于是Δr=1/2( Gm/r2) (h/mc2)2
代入（1）式：
4πrC2 ΔA= 4πr2 Δr=4πr2 （1/2）(Gm/r2)(h/mc2)2
求解后得：ΔA= 2Gm/c2
很巧的是这正是广义相对论中求出的粒子的引力半径，即施瓦西半径rg= 2Gm/c2，于是，施瓦西半径的现实物理意义并不是一引力奇点的半径，而是粒子在一个振荡周期内收缩和扩张的净差，在现实物理世界中应该不存在引力奇点，这是一种数学内推的误导（自能无限大也是），在地球和月亮的中心好象没有这么个“奇点”。
也可以这么说，在场中的粒子既受到引力，又受到斥力，我们的“万有引力”只是引力和斥力之差。
当然还有一点需要进一步说明：按照振荡模型，引力场中的的粒子似乎应该有某种幅度不小（其速度比加速度来得还快）的来回振荡，但实际上我们没有看到这种现象，这是因为我们的场源如地球一般来说都是由大量粒子组成的，它们发出的振荡波的相位杂乱无章，平均下来是互相抵消的，当然真空空间总的收缩还是各粒子收缩的叠加。从这一点说万有引力定律是某种统计规律。
地球周围的真空空间是在不断地向地球收缩，而地球引力场中的自由落体们随此收缩而动，它们和正在收缩的真空空间没有相对运动，粒子和背景同步运动，是相对静止的。在这里，引力场中的物质粒子成了“示踪粒子”，物质块也是如此，它们告诉我们暗流的存在。
于是万有引力定律也就得到了比较自然的理解了。

另外也有几点推论或猜想：
l 此模型把强力也含了进来。
其实强力也不完全是引力，否则在如此强大的引力下，没有理由不相信两个中子不会合而为一，强力其实是幅度差不多的强引力和强斥力，之所以强是因为作用的时间与粒子的非常短的振荡周期相当，作用的力程是粒子的康普顿半径左右(因而是短程的饱和力，只和附近的核子发生作用)，其强度和万有引力之比为 (h/2mc)/ (2Gm/c2)=hc/4Gm2= 2.65×1038；万有引力是粒子的强力延伸出来的“残余”力，为强引力和强斥力之差。强力是个别粒子直接作用于个别粒子，这跟万有引力定律的统计性质是有区别的。
也有一猜测：发生强力的粒子的振荡相位刚好相反，一个扩张的同时另一个收缩，形成某种稳定的结构；这可能是某些原子核稳定，而另一些原子核不稳定而裂变的原因。
l 也有一推论，我们的物质粒子都处于尺度变小、质量增大的过程之中，只不过由于rg 远远小于 rc, 这一效应不容易观察出来，如中子的rg 约为 10-54m, 而 rc 约在 10-15m。这是一种逐渐加速的过程，不过为了简单起见，这里先按匀速收缩估算一下：
1秒钟的收缩量=( 2Gm/c2)× (mc2/h)= 5.65×10 –31 m
经计算一万年的收缩量为：
10000×365×24×60×60×5.65×10-31
=(3.15×1011)×(5.65×10-31)=1.78×10-19 m
仍远远小于rc,可以说就是经过上万年也不会有明显的变化。当然粒子的质量也在缓慢的增加。要说我们的基本粒子自150多亿年前诞生之后就一点儿都没变化，好象也不太合乎情理，万物皆变。
我们的地球、月亮和太阳在万有引力的作用下也一直在不断地缩小着，只不过有着电磁力和热辐射的顽强抵抗。
l 还有一个问题是很有趣的:
我们知道氢原子的基态结合能 E1= -me4/ 8ε02h2,如果古老的氢原子质量比现在小,那么其基态结合能的绝对值就小（氢原子的玻尔半径也大一些）,所对应的谱线的波长也就长一些,即有某种红移。
我们发现距离我们越远的星系其谱线的红移越大，并根据多普勒效应认为是宇宙在膨胀，各星系都在远离之中。
但是否也可以这样想，由于光速的有限性，我们现在接收到的都是一些“古老”的光谱，距离越远就越古老。而根据上述的推理，越是“古老”的氢原子，其谱线的波长就是要“红”一些。这至少是“红移”的一部分原因。
这种想法需要而且值得进一步思考。

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