实物便是能量密度特别大的地方,场便是能量密度小的地方。但如果是这样的话,那么实物和场之间的区别,与其说是定性的问题,倒不如说是定量的问题。把实物和场看作是彼此完全不同性质的两种东西是毫无意义的,我们不能想象有一个明确的界面把场和实物截然分开。"这里,爱因斯坦所说的"实物"就是粒子,他所追求的"场论"应该是有连续介质的"流动场论"--尽管他没有说。"流动场论"的特征是以速度向量为主、以有关标量为辅、用含有速度向量对时间坐标的全微分的非线性偏微分方程组表示的流动场;而属于"系统论"的"量子力学"的最大弱点是"点粒子",除了"点振动(波动)"外,不知道该"点"内、外还有何物,其特征是用常微分方程、波动方程和薛定鄂方程等表示的相对静止的点或点群的振动(波动),尽管有"场",但没有流动介质。"
宇宙统一场方程
(2014-09-20 17:27:30)
宇宙统一场方程
http://www.duyuanfan.cn/cas/wsynet.htm
王守义 (湖北汽车工业学院 湖北 十堰 442002
)
摘要对宇宙物质的认识,从微观亚原子粒子到整个宇宙,与流体力学的服从Navier-Stokes方程(组)的湍流场比拟,本文提出了一系列与当今物理学绝然不同的观点,在此基础上,建立了宇宙统一场方程。据此,本文统一了四个相互作用(电磁相互作用,引力相互作用,强相互作用和弱相互作用)和整个大宇宙(包括暗物质,暗能量和黑洞等),合理地解释了当代物理学和天文学的大量的最重大的难题,同时,证明了宇宙的隐性"时间通道"存在的合理性。
关键词广义宇宙时空,相互作用,涡振子,夸克,湍流,暗物质,暗能量,黑洞,时间通道
当今科学家们要建立的"统一场论"是统一粒子的四个"相互作用"(电磁相互作用,引力相互作用,强相互作用和弱相互作用),但本文的宇宙统一场不仅可以统一这四个相互作用,而是从微观粒子到整个大宇宙的完美统一,所以,本文称为"宇宙统一场论"。
为什么当今物理学至今不能继承爱因斯坦的遗愿建立统一场呢?作者认为,原因如下:
(1)当今物理学基本是线性的,属于"线性思维",即使物理学有些非线性解,但人们不了解作者发现的"非线性特性"(未发表)[1],因此,理解和处理这些非线性解的方法仍然是线性思维。用线性思维解决不了"宇宙统一场论",必须用"非线性思维",非线性的中国古典哲学为我们提供了哲学基础[2]。非线性思维是整体思维,而线性思维是局部思维。
(2)上世纪初,爱因斯坦与波尔等人的"波-粒"二相性之争表面上是"波动性"和"粒子性"之争,但实质是"流动场论"与"系统论(包括静止'场论')"之争。争论的结果是,以《量子力学》为代表的"系统论"胜利了,使《量子力学》至今占住物理学的统治地位,而《相对论》虽然功不可没,但只是处于辅助地位。因此,爱因斯坦发出了追求"物质的本质"--"自然的最终描述"的感叹,他在与英菲尔德合著的《物理学的进化》(1936年版)中说:"实物便是能量密度特别大的地方,场便是能量密度小的地方。但如果是这样的话,那么实物和场之间的区别,与其说是定性的问题,倒不如说是定量的问题。把实物和场看作是彼此完全不同性质的两种东西是毫无意义的,我们不能想象有一个明确的界面把场和实物截然分开。"这里,爱因斯坦所说的"实物"就是粒子,他所追求的"场论"应该是有连续介质的"流动场论"--尽管他没有说。"流动场论"的特征是以速度向量为主、以有关标量为辅、用含有速度向量对时间坐标的全微分的非线性偏微分方程组表示的流动场;而属于"系统论"的"量子力学"的最大弱点是"点粒子",除了"点振动(波动)"外,不知道该"点"内、外还有何物,其特征是用常微分方程、波动方程和薛定鄂方程等表示的相对静止的点或点群的振动(波动),尽管有"场",但没有流动介质。"流动场论"不仅表示连续介质的流动,而且也包括流动的连续的点或点群的振动。对微观世界和广袤大宇宙的统一的整体研究,必须用这种非线性的连续介质流动场论,因此,仅用相对静止的属于系统论的《量子力学》(包括"量子电动力学"和"量子色动力学")不可能建立统一场论。
(3)"超弦理论"已发展为当今物理学的前沿主流理论之一,这种理论认为,任何粒子之中都有一根"弦"在振动,"弦"可以被截成许多小弦,可以两头对接为"圈",弦的各种复杂振动可在超几何的10维空间中表示。"超弦理论"涉及较复杂的几何学和其他数学前沿,因此,形成了用数学的抽象思维代替具体物理意义的局面,虽然它表面上研究的是"量子"并牵强附会地解释当代物理学的某些"难题",但它的深奥内容更多的是抽象数学,而不是具体的物理学。这种用数学代替物理学的先例始于爱因斯坦,这就是他的广义相对论的纯几何的引力场方程(后面将指出它的缺陷并用"宇宙统一场方程"描述包括引力场的全部统一场),所以,仿爱因斯坦,不仅物理学家,而且,许多著名数学家纷纷涌入这一时髦领域,形成了一股世界潮流。作者认为,数学永远是研究物理学的"工具",研究物理学,就是研究具体问题,数学的抽象是必要的,但必须用来说明具体的物理实质,因此,这种用数学代替物理学的潮流是错误的。而且,"超弦理论"主要属于相对静止的"系统论",同样没有流动介质,对上述严格意义的非线性"流动场论",因在数学上长期没有解非线性的Navier-Stokes方程的方法而停顿,致使当今物理学的"流动场论"也止步不前,形成了物理学的严重危机,也是可怕的"数学危机",对此,当今的数学家们似乎无能为力且熟视无睹。现在,当人们谈论"非线性科学"时,往往只指相对静止的"非线性系统论",好像没有"非线性流动场论"一样。因此,用这种静止的,片面的思维方式同样不可能建立统一场。
作者认为,要更快地发展物理学并迅速解决当代物理学的许多危机,必须大力发展"非线性流动场论",整体流动地描述从微观粒子到整个大宇宙的"宇宙统一场"。本文就是用这种整体流动思维的方法描述"宇宙统一场"的一种尝试。其主要内容是:将微观粒子和整个大宇宙与流体力学的非线性湍流场比拟;假设宇宙的流动介质是"涡振子",整个宇宙都充满了连续的流动的涡振子,涡振子可被视为流场介质的"质点",但又是"涡"--它必有波动性,而不是相对静止的抽象的点和点群的振动(或波动)或点中的"弦振动";这种流动的"涡振子场"可以被量子化,但不仅仅是相对静止的电磁场的量子化。
下面,根据我们对微观世界和大宇宙的了解来建立这种非线性的"宇宙统一场方程",并根据流体力学比拟和该方程,本文将指出微观粒子,包括电子、光子、夸克、质子、中子的内部流动结构和夸克禁闭的原因,指出微观粒子、暗物质、暗能量和黑洞如何组成统一的大宇宙;特别指出没有宇宙大爆炸,我们这个可见宇宙外还有更大的宇宙--"天外有天"。
不过,在建立"宇宙统一场方程"之前,必须建立一套不同于流体力学(属牛顿力学)流场的、也不同于"量子场论"的、可称为广义宇宙统一场的新机制,即物理学的崭新机制。
1,宇宙统一场的结构--流体力学的湍流场比拟
作为"量子力学"奠基者之一的海森堡在世时曾说:他希望死后上帝能给他解释湍流运动。原来他已预感到,不仅可用湍流的湍涡比拟微观粒子,而且可用湍流场比拟整个宇宙。当今"理论物理学"早就有用流体力学作比拟的先例,例如"孤立子理论"。作者发现,所谓"孤立子"并不是该理论所谓的"孤立波",而是"孤立涡管",该理论用"孤立波"(实际是"孤立涡管")比拟微观粒子,比如光学孤子,并成功应用于光学通讯等实际。
在流体力学[3]
中有"位势场","无旋场","有旋场"和"湍流场",现有流体力学理论基本是分别讲述这些"流场"的,没有有机统一起来。这是因为现有的流体力学没有解开非线性的Navier-Stokes方程,也就没有根本解决湍流场问题。当今流体力学的湍流理论是将该方程简化,将一个未知数分解为两个未知数,即平均值和脉动量,这样,一定使仍然是原方程数的方程组不封闭,很难处理这种方程组的封闭问题。即使有一些由Navier-Stokes方程简化的非线性方程(如雷诺应力方程),但因在数学上没有解非线性偏微分方程的理论,也只能得数值(近似)解,因此,用传统的湍流理论只能了解湍流问题的一些局部现象,不能解决湍流的本质,更不能达到上述四种"场"的统一。很久以前,作者找到了非线性的Navier-Stokes方程的解法[12],求出其解析解,进而可以合理解释湍流的发生机理。这样,就把上述四种"场"统一成一个场。在数学和物理学中,只有前三种"场",而没有湍流场,这是因为湍流场是一个非线性流场。作者的这些流体力学的主要论文尚未发表。
在流体力学的三维空间(场)中,有两种流动速度,一是有势速度,一是有旋速度。
假设是位势函数(
不是机械的位势能),那么,用其梯度
(1.1)
表速度向量,其中,i,j,k是坐标x,y,z轴方向的单位向量,这里取"-"号表速度向量从高
位置指向低 位置。 的量纲是 ,是动量矩的量纲(本文不用质量的概念),因此,位势函数是标量,可称为"扭量",但不是旋度向量。如果 ,即速度向量
,那么,就是一个绝对静止和均匀的,没有方向的标量场,可称为"原始位势场",在这个场中,时间、空间和因果关系都没有意义。有势速度向量就是无旋(或有势)层流,亦即
(1.2)
根据数学定理,无旋层流场可包含多个位势场(含原始位势场),有势流恒无旋。
如果有另一速度向量的旋度(或涡度)不等于零,即
(1.3)
那就是有旋层流,有旋层流不是有势流或无旋层流。
无旋层流(含有势流)的速度向量和有旋层流的速度向量
的合成向量
(1.4)
可满足非线性的Navier-Stokes方程(组),只有用此合成向量作为该方程的解才能正确描述流体流动场,这样,时间,空间和因果关系开始完全生效。更进一步,如果我们对非线性的Navier-Stokes方程(组)求湍流解,那么,我们会发现,流场中不仅有无旋层流(含位势场)和有旋层流,而且还有复杂的湍涡,这就是湍流。湍涡也是有旋流,其流速较大。虽然有旋流和无旋流(有势流)并行满足Navier-Stokes方程(组),但在三维线性空间中,它们好象互不相干,然而,在非线性空间中,作者的非线性计算表明并不如此,特别是,下面将指出,在4-时空的非线性宇宙统一场中,它们的能量可以互相转换。
根据作者对湍流的研究,湍流场的特征是:"流场的某区域有许多'湍涡','湍涡'是两端非线性自封闭或环形封闭的大、小涡管(见图8~12),此即湍流区域。在一个流场中可有多个相互独立的湍流区域。不仅一个湍流区域之外包围着较大范围的有旋层流和无旋层流,而且在湍流区域内的大、小涡管之间也夹杂着范围较小的有旋层流或无旋层流,这些'流'中涡管的能量密度较大,涡管与其他"流"之间没有绝对的界面分隔,它们是连续的流动介质,而且不停地相互交换能量,因而,这些微小涡管具有不同的随机变化的形状、尺度、方向和涡管强度,它们不仅有较稳定的较大'拟序结构',而且有杂乱无章和自生自灭的微小涡管;单个涡管之间不能无条件地交换位置,一般来说,湍流区随流场一起流动。"
作者在研究形成湍流的"转捩"过程时发现,当涡管与涡管在侧面接触时,在两涡管断面涡旋流线之间要发生"异旋相消、同旋相涨"的相互作用。见图1:"异旋相消"(图1.a)的结果是,两涡管之一被截断并同时产生有旋层流,或者,两涡管全被截断并同时产生无旋层流,这样产生的无旋层流或有旋层流就是湍流研究中被称为"喷射"的奇特现象,被截断涡管在截断端能非线性自封闭;"同旋相涨"(图1.b)的结果是,产生许多断面更小的涡管,或者合成断面更大的涡管;无旋层流、有旋层流和涡管之间也可以发生类似"异旋相消、同旋相涨"的相互作用。如此继续相消相涨下去,形成各种湍涡、各种湍流区域和整个湍流场。这就是湍流发生的主要机理。
这样,本文将上述四种场统一成一个场--湍流场。诚然,流体力学属于牛顿力学。
图1
涡管断面流线间的相互作用:a 异旋相消;b
同旋相涨。
根据湍流发生机理,涡管的断面流线(涡旋)有两种类型:(i)汇流式涡管断面,如图2所示,其中心一定有一个流速较高的汇流圈,是湍流中最大或最小的涡管,大者如非对称"涡街"的涡管,小者如那些时生时灭者,图1.b的"同旋相涨"所形成的就是这种小涡管。(ii)封闭式涡管断面,封闭流线有的是圆(图3.左),有的是任意封闭曲线(图3.中),这种封闭式断面的涡管是汇流式断面涡管发展而成,比较稳定,如上述湍流特征中的"拟序结构",所谓稳定是指这种涡管如孤立子一样,两个涡管在低速碰撞之后仍会恢复到碰撞前的原状。值得注意的是,这两种涡管断面的中心都有汇流圈,只不过是"圈"的大小不同而已。
图2
图3
如果用流体力学的湍流场对大宇宙进行比拟,可以认为,整个宇宙是一个大能量湍流场,是一个没有空隙的连续体,它有四种场结构,即"位势能","无旋层流","有旋层流"和"湍涡",由它们构成了宇宙统一场。在微观世界,可以像孤立子理论用孤立波(实际是涡管)比拟微观粒子一样,用湍涡比拟各种微观粒子,显然,这些粒子不是坚实的颗粒,也不是"点",而是涡管,涡管内部是流动能量较大的"涡旋"。不仅湍流区外是大范围的"无旋层流"(含"位势能")和"有旋层流",而且湍流区内的微观粒子也在连续介质场--"无旋层流"和"有旋层流"中流动,不仅有涡动(波动),而且有线动,这些"流"之间都是连续的。而湍流区域之外的广大区域是"位势能","无旋层流"和"有旋层流",它们分别与组成大宇宙的黑洞,暗能量和暗物质对应,但不是简单的对应,请详见后述。
2,广义宇宙时空论
宇宙时空是为了能量的度量需要而引出的,是能量存在的属性,因此,时空是相对能量而存在的,随着人们对物质运动的认识深入,时空论随时代而变。物理学经过了由牛顿的狭义绝对时空论向爱因斯坦相对时空论的转变,这是科学的一大进步,相对论在亚光速范围内是正确的。但是,现在看来,时空论又要向前发展了,这就有本文的"广义宇宙时空论"。
相对论的相对运动是相对于观察者而言的,可以有不同的参考系,观察者处于某参考系中观察某事件,所以,相对论有许多令人费解之处,但是,如果观察者能够"天人合一",把宇宙当成自己的身体,"自己"体验自己体内的运动"信息"--这种信息传递按量子靴袢效应(见下述)进行,不需要时间,那么,自己的身体就是广义宇宙时空,当然不需要什么相对参考系,也不需要任何特定坐标的"变换"。因此,如果将宇宙的某一点作为坐标原点,就可建立广义宇宙时空坐标系,在这个坐标系中,物质(能量)运动速度都是绝对运动速度。因此,在广义宇宙时空中,相对论的闵可夫斯基时空不适用。闵可夫斯基时空是
或
其中,。此式是根据
来决定相对论惯性系中两"事件"的间隔ds的。在相对论惯性系中,光速c=299792458
m/s不变,任何物体的运动速度不能超光速。但是,在广义宇宙坐标系中,光速c暂可视为不变,然而,发光体和光的波动(传播)伴随着高速定向流动的无旋层流或有旋层流一起流动,因此,速度向量v的绝对值可大于c,也可小于c,这样,上式中jc应改为v在时间坐标轴上的投影
,上式应改为
(2.1)
其中,(2.2)
这里,,是待定系数,由后面的宇宙统一场方程组的解确定。在相对论的惯性系中,ds一般视为不变量,但在宇宙的广义绝对运动中,v可能是随时间而变的变向量(非定常场),因此,与相对论不同,间隔ds可能在加速时有微小变化。以下令
(2.3)
其中,称为时间坐标轴,其余三个称为空间坐标轴,此三个空间坐标轴维持迪卡尔直角坐标关系。关于时间坐标轴与空间坐标轴的关系,请详见下述。
显然,这是一个绝对时空坐标系,但与牛顿绝对时空不同的是,(2.1)式不仅继承了相对论的时空观,即时间和空间是一个统一的整体,物体的形状和几何尺寸与物体的速度向量v有关,而且说明时间坐标有丰富的内涵,因此,可让
(2.4)
则这种新的时空包含闵可夫斯基时空和洛伦兹变换,也就是包含相对论时空,它当然也包含牛顿绝对时空和原始位势场的没有时空,不仅如此,还有下述的"隐性时间通道"。
采用爱因斯坦的约定:如果某一项中的有关符号的上标或下标同时出现相同的字母时就表示要对那个指标求和,那么,(2.1)式可以写为张量形式
(2.5)
其中,上标表逆变,下标表协变,是度规矩阵
(2.6)
在相对论中,爱因斯坦认为任何物质运动都不能超光速,这就不能不限制物理学的发展。如果这样,地球人永远只能做惯性移动,不能超光速,不能进行自由的宇宙旅行,也引发了一系列的物理学危机。按照爱因斯坦相对论观点,如果超光速,因果律将被破坏,逻辑学不成立,问题就不能继续研究下去。我们完全没有必要害怕因果律被破坏!按照作者发现的"非线性特性"[1],这只不过是逻辑学的前提条件--非线性微分方程的定解约束条件发生了变化,如果解决了这个前提条件,逻辑学仍然有用,只不过是另一重意义的因果关系,与前一重意义的因果关系没有直接的逻辑关系,因此,问题仍可以继续讨论下去,这就是逻辑学的相对性。因此,光速不应该也不可能限制物质的运动速度,"超光速"不应该成为问题。
3,涡振子场和能量场
在流体力学中,连续流体介质是流体(液体和气体);作为比拟,本文假设,在宇宙统一场中,连续流体介质是"涡振子",整个宇宙充满了"涡振子",它们是流动的宇宙能量场的"质点",但又不是"点",而是"涡旋"(图3.右)。这种"涡振子场"与系统论哲学家拉兹洛(E·Laszlo)提出的Ψ场相似[7],可以说有"零点能",但不是"点粒子";这种"涡振子场"也与历史上的"以太场"相似,有像水流或气流一样的局部群体连续流动,但不是以太"质点"的坚实颗粒,且质点之间无摩擦,对这种"质点"我们不用质量的概念。
"涡振子"是体积极其微小的虚粒子,图形如图10所示的光子型球形中性涡管,其尺度很小,可能在以内,角动量是小幅"弱对称"震荡型,见图3.右,其涡动像机械手表的"摆轮","涡旋能"接近于零,但不等于零。它们因是涡旋(或"波")而相互干涉,如图4所示,因而可以用少数的涡振子储存大量信息,它们之间没有间隙,是连续的,无摩擦,因此,它们有亲和作用--不可分离--连续性。与Ψ场的观点一样,涡振子场承载着整个宇宙的过去,现在和未来的信息,是一个具有整体性的全息场。宇宙中任何一个涡振子的微小变化(线动和角动),都会引起整个宇宙涡振子场的所有涡振子的全息响应,信息到达任何地方不需要时间并被全息场永久地记忆下来,此即"量子靴袢效应"。"靴绊理论"是G
丘(G. F.
Chew)在海森堡S矩阵理论基础上提出的一种假设,这种假设不承认任何单独的坚实"块状实体"物质,认为整个宇宙的所有物质都是联系在一起的,它们处于宇宙的某种"网络"之中,网络上任何一节点的运动都会像牵动"靴绊"的靴带那样,引起"靴绊"的各个部分一起运动,这种信息传递几乎不需要时间。尽管本文的涡振子场与G
丘的靴绊理论的网络不同,但作者欣赏G
丘的创造性"整体思维",作者仍将本文的整体涡振子场的"全息响应"称为"量子靴绊效应"。事实证明这种"全息"理念是对的。
图4
因此,尽管涡振子的能量很微小,但却具有微弱的辐射量,这正是宇宙背景辐射2.726K所反映的能量,这是人类获取宇宙信息的源泉。反之,如果涡管的旋转角动量恒等于零,那就不成其为涡管,也就没有涡振子,所以,涡振子是准量子,具有量子的特性。涡振子也是大能量的载体,因为"能量场"的能量按场分布"加载"于涡振子场上,因此,涡振子场就是能量场。这样,可以认为,整个大宇宙就是由"位势能","无旋层流","有旋层流"和"湍涡"等能量结构组成,不过,在引入涡振子场的情况下,它们具有更深层次的含义,这就是:
(1)"位势场"的位势函数是,可认为是量子力学的波函数,或称"扭量",是能量的表现之一,的形态就是涡振子,它本身含有微弱的能量,但又是大能量的载体。前面在介绍流体力学时,有位势场(1.1)式,但是,在广义宇宙4-时空中,(1.1)式应改为
(3.1)
其中,是时间坐标轴
方向的单位向量, 是3-维空间的笛卡尔坐标系的三坐标轴
方向的单位向量,因此,宇宙位势场包括时间位势场
(3.2)