不可思议的微观世界计算表明粒子半径与其质量成反比201609

1不可思议的微观世界：计算表明粒子半径与其质量成反比——以电子、质子为例丁荣培湖南省长沙市白沙路255号（410002）E－ｍａｉｌ:[e-mail]摘要：本文从γ射线在重原子核附近可产生正负电子对这一物理现象出发，分析了电子经典半径的由来及其存在的问题，提出电子与质子内部本质上就是量子化涡旋闭合电磁场的观点。再由麦克斯韦方程组导出的电磁场能量密度公式以及爱因斯坦的质能公式、电磁学中的电磁强度公式三个公式结合推导出粒子能量来源公式、粒子质量来源公式、粒子电荷来源公式和粒子质量半径关系常数odmrG及电子、质子半径公式等系列新公式并说明其物理意义。据此对现有一些疑难物理现象作出新的解释，并根据系列新的计算公式，计算出描述电子、质子有关物理特征的系列新参数，从全新的角度统一地解释物质的微观世界和宏观世界，并初步分析了可能由此对物理学带来的影响。关键词：量子化涡旋闭合电磁场粒子能量来源公式粒子质量来源公式粒子电荷来源公式粒子质量半径关系常数odmrG黑洞物理宇宙物理中图分类号：O41，O57文献标志码：A1.引言1.1.电子对的产生与湮灭中国物理学家赵忠尧首先发现了能量大于两倍电子静质量能（2m0c2=1.02MeV）的γ射线在重原子核附近可产生正负电子对。[1]物理教科书上估算的电子经典半径re≈2.8×10-15m，[2]质子半径rｐ≈1.2×10-15m。[3]质子质量约是电子质量的1836倍，按我们通常理解质子直径比电子直径大得多，事实恰恰相反；现有物理框架对此仍然无法作出合理解释。1.2.目前电子的经典半径的由来[4]及其存在的问题估算电子经典半径re≈2.8×10-15m基于以下设想：（1）设想电子是一个半径为re均匀带电球；（2）设想电子静止质量对应的能量2emc由静电自能提供。1.3.存在的主要问题（1）如果电子电荷是一个半径为re均匀带电球，为什么球内的点电荷不会因排斥而分开，那么这个球的内部结构是怎样的？2（2）为什么电子和质子所携带的电量恰好相等、电性相反？这有什么深层次原因？（3）电荷的本质是什么，电荷从何而来？电子的质量、能量本质是什么，或者说电子是以什么方式表现自己的能量和质量的。(4)目前，这种假定电子能量由静电自能提供的图景给我们看到的是一幅静态的电子图画，但是，我们所看到宇宙中的一切都在运动，大到星系、日月、星辰，小到分子、原子，连电子都在绕原子核不停运转。由此可见，电子内部也应当是处于不停运动之中，而不是静止不变的。2.电子与质子的本质就是量子化的涡旋闭合电磁场2.1.光子不可能有无限可分的结构，这样，由并非无限可分的γ光子对在经过重原子核附近时产生出的正、负电子同样不可能具有无限可分的结构。否则这一过程就如“幽灵的作用”一样神秘。物质每分到一个层次，则该层次粒子间必然存在未知的相互作用，随着粒子分层的深入，未知的力（相互作用）及未知的粒子也会越来越多。我们将永远不能搞清楚物质相互作用的规律，即会陷入“不可知论”的漩涡。2.2.《论微观局域时空弯曲状态下闭合弦量子振动形成基本粒子的动力学机制》[5]一文论证电子、质子内在本质就是携带能量的涡旋闭合电磁场。其中主要观点归纳如下：2.2.1.从电子对的产生与湮灭的过程看，电子内部的本质就是携带能量的涡旋闭合电磁场。2.2.2.电子、质子就是以一定频率在高速旋转运动并相互感生激发的涡旋电场和涡旋磁场形成的闭合弦。能量子运动具有“趋肤效应”，就象一个皮球，相对来讲里面是真正的“真空”。闭合弦振动的弯曲与闭合是由于高能量密度下空间自然弯曲的必然结果。2.2.3.γ光子对从电场角度看是两个旋向相反的涡旋电场。当光子对经过铅原子核附近时，在铅原子核（质子组成的带正电的核子团）的电场作用下，产生相斥、相吸这两个相反的作用效果，因而相互分离、发生实物化的突变生成为正、负电子对飞离出去。可以看出，正是因为涡旋电场方向的不同，形成的实物粒子有了正、负电荷之分。2.2.4.电子、质子内部不是静电场，而是涡旋电磁场。既然如此，那么可以得出结论：电子、质子内部运动规律、物理参数可以用麦克斯韦方程组、质能公式及其延伸出来的计算公式进行描述。3．麦克斯韦方程组与斯托克斯公式结合的启示：电子、质子外部的电位移通量必然对应电子、质子内禀涡旋电磁场的存在3.1.麦克斯韦方程组【6】及其意义3.1.1.麦克斯韦方程组是英国物理学家麦克斯韦在19世纪建立的描述电场与磁场的四个基本方程。方程组的微分形式，通常称为麦克斯韦方程。在麦克斯韦方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。该方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。3.1.2.麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流假说的核心思想是：变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场（也是电磁波的形成原理）。麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来，建立了完整的电磁场理论体系。这个电磁场理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。33.1.3.麦克斯韦方程组（Maxwell'sequations），是描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。它由四个方程组成：描述电荷如何产生电场的高斯定律、论述磁单极子不存在的高斯磁定律、描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律、描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律。从麦克斯韦方程组，可以推论出光波是电磁波。麦克斯韦方程组和洛伦兹力方程是经典电磁学的基础方程。从这些基础方程的相关理论，发展出现代的电力科技与电子科技。3.1.4.麦克斯韦方程组在电磁学中的地位，如同牛顿运动定律在力学中的地位一样。以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论，是物理学最引以自豪的成就之一。它所揭示出的电磁相互作用的完美统一，为物理学家树立了这样一种信念：物质的各种相互作用在更高层次上应该是统一的。3.1.5.麦克斯韦方程组的积分形式：这是1873年前后，麦克斯韦提出的表述电磁场普遍规律的四个方程。其中：（1）描述了电场的性质。在一般情况下，电场可以是库仑电场也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。（2）描述了磁场的性质。磁场可以由传导电流激发，也可以由变化电场的位移电流所激发，它们的磁场都是涡旋场，磁感应线都是闭合线，对封闭曲面的通量无贡献。（3）描述了变化的磁场激发电场的规律。（4）描述了变化的电场激发磁场的规律。变化场与稳恒场的关系：当时，方程组就还原为静电场和稳恒磁场的方程：(inmatter)在没有场源的自由空间，麦克斯韦方程组的积分形式反映了空间某区域的电磁场量(D、E、B、H)和场源(电荷q、电流I)之间的关系。3.1.6.麦克斯韦方程组微分形式：在电磁场的实际应用中，经常要知道空间逐点的电磁场量和电荷、电流之间的关系。从数学形式上，就是将麦克斯韦方程组的积分形式化为微分形式。利用矢量分析方法，可得：（1）注：(1)在不同的惯性参照系中，麦克斯韦方程有同样的形式。4(2)应用麦克斯韦方程组解决实际问题，还要考虑介质对电磁场的影响。例如在各向同性介质中，电磁场量与介质特性量有下列关系：在非均匀介质中，还要考虑电磁场量在界面上的边值关系。在利用t=0时场量的初值条件，原则上可以求出任一时刻空间任一点的电磁场，即E(x,y,z,t)和B(x,y,z,t)。3.1.7.麦克斯韦方程组的主要意义：3.1.7.1.经典场论是19世纪后期麦克斯韦在总结电磁学三大实验定律并把它与力学模型进行类比的基础上创立起来的。但麦克斯韦的主要功绩恰恰是他能够跳出经典力学框架的束缚：在物理上以场而不是以力作为基本的研究对象，在数学上引入了有别于经典数学的矢量偏微分运算符。这两条是发现电磁波方程的基础。3.1.7.2.我们从麦克斯韦方程组的产生,形式,内容和它的历史过程中可以看到：第一，物理对象是在更深的层次上发展成为新的公理表达方式而被人类所掌握，所以科学的进步不会是在既定的前提下演进的，一种新的具有认识意义的公理体系的建立才是科学理论进步的标志。第二，物理对象与对它的表达方式虽然是不同的东西，但如果不依靠合适的表达方法就无法认识到这个对象的存在。由此，第三，我们正在建立的理论将决定到我们在何种层次的意义上使我们的对象成为物理事实,，这正是现代最前沿的物理学所给我们带来的困惑。3.1.7.3.麦克斯韦方程组揭示了电场与磁场相互转化中产生的对称性优美，这种优美以现代数学形式得到充分的表达。但是，我们一方面应当承认，恰当的数学形式才能充分展示经验方法中看不到的整体性(电磁对称性)，但另一方面，我们也不应当忘记，这种对称性的优美是以数学形式反映出来的电磁场的统一本质。因此我们应当认识到应在数学的表达方式中发现或看出了这种对称性，而不是从物理数学公式中直接推演出这种本质。3.1.7.4.静电场是有源无旋场，稳恒磁场是无源有旋场。非静电电场是无源的旋度场。当电流流过导体（以金属为例）时，金属导体呈现电中性，但由于电感应效应，它两端可认为非别带了等量的正负电荷，此时端电荷激发的电场，从正端回到负端，这部分电场就是无源有旋电场。涡旋电场是指（vortexelectricfield）变化的磁场在其周围空间激发的电场，即感生电场。涡旋电场是一种非保守场，其电场线是无始无终的闭合曲线。所以说，电场得依据情况来分别它是否有源。磁场，就目前而言它是无源的旋度场，但是如果找到了磁单极子，那么它激发出来的磁场又是有源的了。一个场的旋度和散度，其实并非场的固有属性，它不是由这个场的名称决定，而是由它被激发的原因决定的。3.2.高斯公式与斯托克斯公式3.2.1.高斯公式与通量和散度【7】高斯公式的数学形式如下：()SVAdSAdV（2）其中，V对应于闭合曲面S所包围的体积。意义：A称作散度，SAdS称作通量。公式的右端可解释为单位时间内离开闭区域S的流体的总质量。由于我们假定流体是不可压缩的，且流体是稳定的，故当流体离开S时，S内部5必须有产生流体的“源头”产生出同样多的流体来进行补充。因此，高斯公式左端可解释为分布在S内的源头在单位时间内产生的流体的总质量。3.2.2.斯托克斯公式与环流量和旋度【8】斯托克斯公式的数学形式如下：()LSAdlAdS（3）其中，S是以闭合曲线L为边界的曲面面积，且L的积分循环方向与S曲面上面元的法线正方向构成右手系。意义：A称作旋度，LAdl称作环流量。斯托克斯公式现在可叙述为：向量场A沿有向闭曲线L的环流量LAdl等于向量场A的旋度场通过L所张的曲面S的通量，这里L的正向与S的侧向应符合右手规则。3.3.从高斯公式、斯托克斯公式出发对麦克斯韦方程组的进一步理解从高斯公式与斯托克斯公式的结合，可得：()()LSVAdlAdSAdV（4）以电场高斯公式为例，可得：()SSqDdSEdS(5)电位移的高斯定律意义：通过任意封闭曲面的电位移通量等于该封闭面包围的自由电荷的代数和。这说明电位移(电通密度)只取决于自由电荷Q而与电介质中束缚电荷无关。根据（4）式，电通密度D（或称电位移、电感应强度）的通量()SSDdSEdS必对应环量LAdl，将（5）式代入（4）式，得：()SSLqDdSEdSAdl（6）综上可得：22ADrEr（7）定义该向量函数22ADrEr为电位移极矩;ADE（8）()A（9）其中为体电荷密度。3.3.1.电位移极矩的物理意义：3.3.1.1.电位移极矩的存在是电子、质子产生能量、质量、电荷的根本原因，或者是电位移极矩是本质，能量、质量、电荷是物质的表象。3.3.1.2.对电子、质子来说，其内部电位移极矩的环量等于电位移通量，并等于电子、质子电量的绝对值。63.3.1.3.通俗地说，电荷的存在是因为电子、质子内部本质上就是量子化的涡旋电磁场。3.3