統一萬有引力與庫倫電磁荷力的新思路

司 今 （[email protected]）

現代物理學認為，自然界中存在四種基本力，那就是萬有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力。

萬有引力是由物體質量引起的力，電磁力是有物體所帶的電、磁荷產生的力，強相互作用力是由構成粒子的夸克之間所產生的相互作用力，弱相互作用力是指中子衰變成質子、電子與中微子或反電子中微子過程中所表現的力，其本質是一種弱電磁相互作用力。

目前的物理學已將電磁力、強相互作用力、弱相互作用力完成了統一，但始終無法完成萬有引力與電磁力的統一工作。

從本質上講，電磁力、強相互作用力、弱相互作用力其實質還是電磁力，這種所謂的“大統一”只不過是對麥克斯韋“粗糙”的電磁統一工作的“精細化”延續，這種統一方案還沒有觸及萬有引力與電磁力統一問題，而萬有引力與電磁力的統一才是“統一之王”。

可見，從十八世紀開始，人們就夢想著將萬有引力與電磁力統一的工作還沒有實質性進展，那麼，為什麼萬有引力與電磁力的統一這麼難呢？

我們認為，這是物理學沒有真正認清萬有引力與電磁力起源問題所致，如果想將萬有引力與電磁力統一，就必須像“電磁力、強相互作用力、弱相互作用力“的統一思路一樣，要將這二種力的起源與物理屬性納入”同類“才行。

一個真正合乎物體運動規律的“大統一”理論就應含對物質自旋與自旋磁場的論述，任何一個真正有物理意義的統一場公式也應包含自旋參量與磁參量......

鑑於此，我們做了一點嘗試性思考與探索，希望對有志於大統一研究的老師與朋友們提供一點有益的啟迪！

在歐幾里得幾何中，將空間物體的運動看作是一個點的運動，這個點是沒有空間大小的抽象點；牛頓力學是建立在歐幾里得幾何空間下的運動，因此牛頓研究物體運動時也不考慮物體空間大小，將物體運動抽象為一個點的運動，那就是質點。有了質點概念後，他進一步建立了質心、剛體等概念，從而完成了他的力學概念體系。

1 質點

質點是一種理想化模型。在研究機械運動時，若物體形狀和大小對運動影響可以忽略，我們就可以把它看作是一個具有一定質量的幾何點，稱質點。實際上，牛頓運動定律就是針對質點而言的，牛頓方程中加速度就是歐幾里得幾何中點的加速度。

能否將物體看作質點處理需要滿足以下條件的其中之一：

（1）物體各個部分的運動情況相同，它的任何一點運動都可以代表整個物體運動，即物體具有剛體性。

（2）物體大小和形狀對研究問題影響很小，可以把它看作一個質點。

（3）轉動物體，只要不研究其轉動且符合第2條，也可看成質點。

可見，質點是隻具有質量沒有空間大小或空間大小不考慮的幾何點。但不能把它和微觀粒子如電子等實體概念混同起來。若研究的問題不涉及轉動或物體大小跟問題中所涉及到的距離相比較微小時，即可將這個物體抽象為質點，如研究地球公轉時，地球半徑比日、地間距離小得多，就可把地球看作質點，但研究地球自轉時就不能把它當成質點。又如物體平動時，內部各處的運動情況都相同，就可把它看成質點。所以物體是否能被視為質點，完全決定於所研究問題的性質。

2 質心

空間物體所具有的質量被看作是集中在物體內某一點上，這個點就稱作是該物體的質心，這是一個假想點，用它就可以和歐幾里得的空間幾何點運動聯繫起來，從而和牛頓力學的質點運動統一起來。質心也僅是一個點，與物體形狀無關，能夠作質心處理的運動物體必須具有剛體性，即要求質心點的運動可以代表整個物體的運動。可見質心和質點概念是相通的，在研究空間物體運動時，質心本身就轉化為質點涵義了。

3 剛體

剛體運動是建立在牛頓力學基礎之上但又不同於牛頓力學，因牛頓力學研究的是物體作直線或曲線運動的現象，但沒有涉及到物體自旋與運動的關係；剛體力學不僅研究直線或曲線運動且還研究自旋運動。牛頓力學和剛體力學研究的物體對象都是被作剛體這一屬性來處理的。

剛體：就是一種特殊的質點組，組成剛體的每個質點都受到完整的束，使得剛體上任意二點間的距離在運動中保持不變。

剛體定義很抽象，但我們可以這樣理解：一個物體不論其受力大小、方向如何，它產生運動變化時的形狀和大小始終保持完全不變性，這個物體就可稱作剛體。在實際運用中，剛體又有相對性和絕對性之分。

剛體相對性：是指由不同材料組成的二個物體，在受同樣大小衝擊力作用時所表現出的不同變形程度，將它們的變形程度相比較，變形小的相對於變形大的就可以稱為相對性剛體，例如，我們用木錘敲打一塊橡皮，則橡皮會表現出較大變形，而木錘就看不出有多大變形，這時我們可以說木錘相對於橡皮為剛體；如果用木錘敲打一塊鐵塊，則木錘就會表現出較大變形而鐵塊就看不出有多大變形，我們說鐵塊相對於木錘為剛體；其實二個物體向撞時都會發生變形，只不過鐵塊變形程度較木錘小而已。

剛體有絕對性：它包含二個方面含義：

(1)、牛頓力學所定義的質心概念，它的體積不受外力和運動變化影響，始終保持不變，因此它可以看做是絕對剛體，但它只是一個理想化的虛擬點。

(2)、最基本粒子概念，我們在處理微觀粒子運動時就表現出絕對剛體概念，如我們用電子撞擊質子、中子、原子核等試驗中，質子、中子、原子核等都會因電子撞擊而分裂出其他粒子來，電子則不會，因此可以說電子相對於它們有絕對剛體性，由此我們給出關於粒子分類的概念，即電子相對於質子、中子、原子核等就是基本粒子，而質子、中子、原子核等就表現出非基本粒子性，它們都可看作是由電子組成的複合粒子；由此推理，假如光子是電子的組成部分，那麼電子相對於光子而言就是複合粒子，光子就是絕對剛體。現代粒子物理學試驗證明，正負電子對泯滅可放出1、2或3個自由光子，因此將電子看作是光子複合體是合理的。這樣看來，絕對剛體概念就和物質組成中的最基本粒子概念相一致了，因此說，牛頓力學的質點、質心概念、剛體力學的絕對剛體概念、粒子物理學中最基本粒子概念都表示同一種含義，只不過它們對物質屬性的表達方式不同罷了。

就目前物理學來看，光子有質點性、質心性、絕對剛體性，另外還有自旋和自旋磁場，將它作為最基本粒子是可以的，除非以後能找到比光子更小的粒子才能改變光子這一最基本性。愛因斯坦在相對論中就規定，光子不變且任何物體運動都不可能超過光速，其本意也就是想定義出一個絕對的基本粒子概念，只不過他是用絕對速度概念代替罷了，因此他在討論物體運動時認為空間是可變的，卻從沒有涉及光子自旋和曲線運動論述。

物理學中，牛頓微積分思想承認物質有無限可分性，因此，微積分的物質體系內應不存在最基本粒子概念，即牛頓微積分思想不適用於處理最基本粒子問題，如剛體力學中將質點的自旋慣量定義為I=mr2，即將質點轉動慣量看做是半徑為r的超薄圓環的轉動慣量，這是在微積分思想下的無奈之舉。牛頓力學是建立在質點概念之上的運動力學，質點概念就是最基本粒子概念，因此說牛頓質點概念和他的微積分思想又是矛盾的。

4 旋轉慣量與質點自旋慣量

在剛體力學中，研究物體旋轉或平面平行運動時，引入一個轉動慣量概念；這個量是對剛體轉動時慣性的量度，其量值取決於物體的形狀、質量分佈及轉軸的位置；剛體繞軸轉動慣性的定量為J=∑ mi*ri^2，式中mi表示剛體的某個質點的質量，ri表示該質點到轉軸的垂直距離，可見轉動慣量是與空間大小有關的量。

而且轉動慣量I的大小隨物體形狀和旋轉軸位置不同而不同，如球體繞中心軸旋轉時I=2mr2/5，繞切線軸旋轉時ID=7mr2/5，這是運用牛頓微積分數學得出的結果。

對於超薄圓環和質點自旋，剛體力學中則給出這樣的定義：現在物理學將質點的自旋慣量定義為IZD=mr2的思想就是將質點質量看做是均勻分佈在半徑為r的無空間大小的圓環上（圖-1）。這種定義是沒有拋開牛頓微積分思想的做法，它即不形象又背離了質點不可分性的本義，因此它是不優越的。

在研究物體運動時，將物體運動的動量描述為質點動量P=mv，這是一個和物體存在空間大小無關的量，即將運動物體看作是質點。我們在研究物體作閉合曲線運動時，將繞體運動動量用角動量J=mvr=mωr2來代替，角動量表達的涵義是繞體被看作是質點，其質量m就像是集中在r端點上在運動（圖-2），如果令I公= mr2，則有J=mv公r公=m r2公ω公=I公ω公，可見，角動量涵義與薄圓環、質點轉動慣量涵義有密切關係。

牛頓微積分思想的精髓就在於它可以將任意大小的物體分割成無限小、無限多個體，即承認物質是無限可分割的，因此不存在最基本粒子概念，但他在建立物理學大廈時卻給出了一個質心概念，質心是沒有空間大小或空間大小忽略不計的理想點，以此來試圖取代最基本粒子概念。

對於最基本粒子或質點概念而言，由於它們不存在可任意分割的量，因此利用牛頓微積分思想是無法定義或確定它自旋慣量大小的，所以說牛頓微積分思想不適合於定義最基本粒子或質點的轉動慣量，為此我們必須找出一個適合描述最基本粒子或質點轉動特性的表達式，這個表達式要求既能描述自旋又能描述公旋，即自旋和公旋的共同表達式：Pm=mω，這是一個和物體存在空間無關的旋轉表達式，它與P=mv一樣，都體現了物質運動的質點特性。

運動物體自旋或公旋角量是不受物體本身空間和公旋空間大小限制的量，用Pm=mω描述物體自旋或轉動有以下優越性：

（1）、突出、明瞭地表達了物體、粒子或質點自旋或轉動的變化共性。

（2）、拋棄了牛頓微積分思想，建立了最基本粒子或質點存在的概念；

（3）、能與萬有引力F=GM1M2/ R2和電磁學中F= B0Pm相融洽，使萬有引力和磁力統一起來，從而看清了力產生的本質；

（4）、能充分體現自旋物體作閉合曲線運動時總動能守恆和轉化的本質。

用牛頓微積分求得轉動慣量來描述物質自旋或旋轉是不優越的，因微積分求得的自旋或轉動慣量都與物體存在空間大小有關，這會使自旋或轉動動量、動能問題變得複雜化，就不會像P=mv、EK=mv2/ 2那樣簡單明。

在剛體平面運動中，計算剛體自旋動能時只能將自旋體看作是一個質點在運動，而不能用牛頓微積分求出它的轉動慣量再來計算自旋動能，因為物體的平動被看作是質心點在運動、對於它的自旋也只能看作是一個質點在自旋。

目前物理學的缺陷是一方面把物體的平動看作是質心運動，另一方面卻把物體的自旋看作是一個與其存在空間大小有關的非質心運動，盲目引入牛頓微積分來確定物體的轉動慣量，其結果不但背離了牛頓原有的質心運動思想，還使對物體運動描述變得更復雜。

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經典物理學對自旋物體描述和定量是用轉動慣量概念來進行的，但轉動慣量概念是一個與空間大小有關的“非質點”概念；當我們研究微觀自旋粒子時，轉動慣量概念就不能與質點概念很好地銜接起來，因為我們對自旋粒子的討論是建立在“點粒子”概念之上的，這是一個與粒子空間大小無關的概念。

對此，我們是不是可以從牛頓質點動量公式P=mv中得到啟示：撇開自旋物體空間大小，專注它的質量m與自旋角速度ω，這樣，我們就可以找到一個能夠反映質點自旋量大小的公式p=mω，且用現有物理理論可以證明，p=mω就是物體自旋所產生的自旋磁荷量大小，它與慣性質量起源、動質量變化等緊密相連。

以此為基點，我們結合剛體運動，得出：自旋物體在運動變化中遵守總動量、動能守恆，即E=mv²+mv自²，P=mv+mv自守恆；並推理：如果E、P守恆同時成立，則有v.v自=k常數存在；我們將這一推論運用到 “地球橢圓運動及自旋季節性變化成因”的探討中發現：地球在遠、近日點的v、v自變化符合v v自=k常數規律，即地球在遠日點公轉速度較慢、自旋速度較快，在近日點公轉速度較快、自旋速度較慢，這實際上正是地球自旋與公轉運動遵守總動量、動能守恆規律的體現。

根據質點含義和自旋量p=mω定義，結合總動量、動能守恆，我們可以提煉出另一組類似於總動量、動能守恆的新守恆，即Γ=mΩ²+mω² Λ=mΩ+mω守恆；並由此得出：對於有自旋、公轉的物體運動而言，如果Γ、Λ守恆均成立，則Ωω=k也是常數；我們將這一推論運用到陀螺進動問題研究上去，發現，目前教科書給出的陀螺進動方程Ω=gl/ωr²與Ωω=k常數的思路是一致的，這說明陀螺進動也遵守總動量、動能守恆。

我們將p=mω與高斯定理、萬有引力定理結合，可以得出：

這說明，萬有引力與自旋物體間的自旋磁荷力相對應，萬有引力本質應是自旋磁荷力；為此，我們可以用教科書給出的地球、太陽自旋值計算得出：

（注：關於G常數物理量綱不能夠與現代物理學量綱體系相銜接的問題，由於篇幅所限，我們會在另一篇文章中作專門論述，這裡就不在熬述了）.

此外，我們還得出另一個推論：ω太ω行=k也是常量，說明每個行星繞太陽作橢圓運動時，它們的自旋角速度變化遵守Γ′=mω太²+mω行²、 Λ′= mω太+mω行守恆；但這種守恆與陀螺進動中Ωω=k守恆物理含義不同：這種守恆反映的是自旋體的自旋週期會因選擇的自旋比較基不同而不同，但它們相對的自旋週期之積不變，這說明週期有二面性，即相對性和守恆性。

同理，因時間的本質是週期的延伸，因此，時間也應有相對性和守恆性；但愛因斯坦在他的相對論中，只考慮了時間相對性，沒有考慮時間守恆性，結果，用他的理論常會推理出動量、動能守恆不自洽的結論。可見，任何相對性都必須建立在守恆性基礎之上，否則由這個相對性建立的理論體系將是不自洽、嚴謹的。

同時，我們注意到，如果“物體自旋會產生自旋磁場”命題成立，那麼，對任何自旋物體而言都可以將它們看作是一個自旋磁陀螺來對待；這樣，我們就可以通過深入研究磁陀螺在磁場中運動的一些規律來指導、模擬、解釋、揭示宏觀自旋星體、微觀自旋粒子在宇宙、自然空間中運動所產生的一些物理現象的本質。

按照這一思路，我們通過對自旋磁陀螺運動的實驗和研究發現：運動的自旋磁陀螺通過磁場空間時會產生曲線運動，這說明磁陀螺在磁場中運動與自旋電子的洛倫茲運動及其衍射等現象有可比擬性，它們從物理機制上講應與自旋磁陀螺在磁場中運動的規律相類似；再作更深入思考還發現，光的干涉、衍射現象的物理本質是一種“光子洛倫茲運動”行為，也遵守磁陀螺運動規律。

至此，我們對電子、光子的干涉、衍射現象形成的物理機制“豁然開朗”：物體都是由帶有自旋磁場的粒子組成，在它們“身上”開出的小孔或窄縫空間也應有磁場存在，且在一定空間範圍內表現明顯；當帶有自旋磁場的光子或電子通過小孔或窄縫磁場空間時，就必然會產生類似於磁陀螺在磁場中作曲線運動的現象，這就是它們產生干涉、衍射現象的物理本質所在。

為此，我們用不同材料製成相同小孔或窄縫，當用同束光通過這些小孔或窄縫時，會得到不同的衍射、干涉圖案，這說明不同材料製成的小孔或窄縫，其空間內形成的磁場有強弱不同的差異，因此，光子在此空間作“洛倫茲運動”時會產生曲率不同的運動軌跡曲線，故此會得出不同的衍射、干涉圖案。

可是，目前物理學在研究電子、光衍射、干涉等問題時，到是忘記了電子、光子等具有自旋和自旋磁矩性，同時也忘記了小孔或窄縫空間的磁場性，只一味地去強調粒子具有所謂的“波動性”，這不能不說是一種“唯現象論”的本末倒置做法。

再將宏觀天體運動與磁陀螺運動相比擬，我們還發現，“地—太”系運動符合一個叫“楊燕實驗”的磁陀螺運動現象，即地球公轉規道平面與太陽自旋赤道平面之所以存在夾角，那是因為帶有自旋磁場的地球自旋軸上下端會受太陽自旋軸向磁場影響，產生力矩不相等作用，正是這種作用才能促使地球保持繞太陽公轉不停，同時也才能保障地球公轉時的自旋軸指向不變，等等，這些現象的形成都與磁陀螺在磁場中的運動規律相一致；同時，地球繞太陽作橢圓運動是銀河中心體自旋磁場影響的結果，也就是說，行星繞太陽作橢圓運動是一種“三體運動”，是三個自旋星體的自旋磁場相互影響的結果。

另外，我們通過洛倫茲力公式F=Bpm=qvB，得出pm=qv；將它與p=mω結合，可以得出庫倫電荷力與磁荷力具有等價性的一面。

（注：關於洛倫茲力與磁場磁荷力是否相等問題，即F=Bpm=qvB是否成立？我們在另一篇文章中有論述，結論是相等的，因本文篇幅所限，這裡不再熬述）.

至此，我們可以將萬有引力、庫倫電荷力、庫倫磁荷力用一個統一公式來描述，那就是：

F=Bpm= p1p2/S=p1p2/πr².

1、令1/π=km可得：F=kmp1p2/r²，其中km=1/π.

2、由p=mω可得：F=Gm1m2/r²，其中G=ω1ω2/π.

3、由pm=qv可得： F=keq1q2/r²，其中ke=v1v2/π.

這說明，萬有引力、庫倫電荷力本質都是自旋磁荷力，質量、電荷、磁荷概念在牛頓力體系下通過自旋磁荷Pm=mω可以統一；同時也表明，這些概念差異是由於力描述中對“荷”的定義與測定方式、方法不同所致。......

【附錄】：

為了讓朋友們更直觀瞭解《自旋場理論》內容，我們這裡選錄了幾幅相關文章裡的插圖，以供大家參考：

1、太陽自旋有分層性，從而產生分層磁場，這些分層磁場是自旋行星繞太陽產生量子化軌道分佈運動的根本原因，這正體現了“內因決定外因，外因體現內因”的哲學原理：

2、自旋磁陀螺繞中心磁體公轉與“地—太”系、“質—電”系中地球、電子公轉原理相同：

3、電子的洛倫茲運動同磁陀螺在磁場中進動原理一致，且電子的雙層洛倫茲運動與原子、原子核的形成及核外電子量子化軌道分佈與運動有密切關係：

4、地球繞太陽橢圓運動及其自旋季節性變化是銀河中心體自旋磁場影響的結果：