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前沿问题(14)物理定律能否统一?

已有 930 次阅读 2019-6-28 13:33 |系统分类:论文交流

                       物理定律共同的基础                                            

                              晏成和yych66@126.com

《SCIENCE》杂志,发表了全世界最前沿的125个科学问题 。《科学前沿》在转载时扔下一句话:敢来挑战么?

以下按原题号进行阐释、应战。 

5、物理定律能否统一?

物理定律(Physical law)是以自然事实和重复实验为基础总结出来的物理规律、并在科学领域内得到普遍接受和认可的典型结论。

定律揭示发生了一些事实及其规律,是经验观察的总结。定律一般是建立在理论之上,而理论则在于解析这些规律发生的原因,科学理论一般比定律复杂、细致、依据事实、注重逻辑。定律表示发生了一些事;而理论则解析一些事为何及怎样发生。

为了探究事实的规律及发生的原因,建立科学理论,人们对事物分门别类、以利深入钻研,这就有了分科探讨、分科而学,字面上的解读——科学。

自然科学被宏观的分科:物理学、化学、生物学等学科。而在每一学科之内又有分枝散叶的细分,近代物理学较为普遍的分支是:力、热、光、电、磁、核。长期以来,这些分支各自独立,各自成为专门的学科,有专门的研究团队。

科学是分科而学,物理定律是分科而建。然而此标题是物理定律能否统一?这(分)科与统一(合)直接矛盾,出此题目、是不是要叫板科学?当然不是,出题者实为高人,有灵敏的科学直觉、有渊博的科学知识,预感到物理定律存在共同的基础、存在着内在根本的联系、存在统一的必然根基。

科学的这些分支是人为而分的,一般物质往往是集多种分支的特性于一身,具备并表达着综合的宏观特性(我上篇文章就讨论了铁钉的8种性能)。这全部特性:力、热、光、电、磁,都是与其基本构成和运动密切相关。

世上万物,性能迥异。但是归纳起来这所有万物都是由一百多种原子构成,进一步追根溯源,所有原子都只是由质子、核外电子这两种基材构成;尽管这些元素有金属、非金属;常温下呈现为固态、液态、气态;性质、性能千差万别、物理学特性各不相同。但是其根本的归宿只能是此:质子、电子。那么,物理学各个分支就只能是由同一个“本——质子、电子”所派生的各种性能,探索者就应该握住这个主杆、提纲挈领把物理学各个分枝有机地联系起来,探析它们共同的源头、寻找内在统一的规律。

 

可是,现代物理学已经沉寂90年,到现在仍在波、粒的泥潭挣扎;继承着“电子云、自由电子”等先入为主的理论;困顿在“测不准原理、波粒二象”的思想囹圄;禁锢着对核外电子线路、速率的探索。物理思想仍然停留在90年前的器物时代,茫然不知电子运动伴生电磁波。

由于核外电子的运动规律是禁区,科研不敢涉及这个根本。物理学几个分支自编自演,分别在各自的基础上研发:热学依托分子热运动、磁学钻研电子自旋、电学依傍能带、力学立足于宏观。物理性质的载体从宏观到分子、从电子到自旋,玻色子、费米子。各人摸象的感觉成就了各自的理论、自圆其说、渐行渐远,连建立正常联系都无门、企盼找到共同的根-统一,更是遥遥无期。

 

然而科学前沿提出“物理定律能否统一?”是有其哲学依托、有逻辑根据。物理学的“根”既然存在,多种物理定律就应该在根本的周边互联、达到统一。我们就该依据大自然的蛛丝马迹、搜索证据,在思想没有束缚中追根寻源。

物理,是在“物”的基础上求理,自然万物有很多,大的落脚点就是元素。周期表中每一族的元素,有基本相同的物理;其最明显的特征是价电子数相同。那么,价电子的个数(及其运动)就是导致物质的物理特性关键因素。这个逻辑指引我们:探讨物质特性、统一物理定律、首当其冲就是要紧扣核外电子-价电子及其规律运动这个纲。

物理新视点依据质子-电子及其规律运转是物质特性的形成和联系的机理,发现核外电子的规律运动与物质物理特性休戚相关、是物理机制的起点和根源。电子运动的线路、速率不仅解释了诸多物理现象,而且:电子的运动把物理学各分支中的力、热、电、磁、光、核 有机地联系起来了,是物质物理学的根基和纽带,发现物理学各个独立的分支真是有一个共同的源头-核外电子的规律运动、由此可以构建一个系统的整体。

 

客观事实坦露了大自然内在机密,是我们研究、探索的依据和原始出发点。

我们来回顾两个司空见惯的自然事实:热发光,温度高、物质热发光频率高。这是自然在火光及光色中谆谆告诫着我们:核外电子的速率是随着温度变化的、核外电子的运动是规律的;还有事实:奥斯特实验,自然之神在小磁针的摆动中反复地提醒着我们:电子的运动伴生着(电磁)波。

两条事实,涉及到物理学的热、光、电、磁、力。事实的出发点都是电子,由此看到:在质子场牵引下的核外电子规律运动是物质物理的始作俑者、是物理机制、物理定律的缔造者。物理特性来源于价电子;物理定律也必定与核外电子的规律运动密切相关。

以下我们就分别对物理学的六大分支分别进行研讨,探究质子-电子的运动在各种特性的形成中是发挥的关键作用。

 

    力有重力、构成物体的力、自然四力 等等。

著名的力学定律是牛顿力学三定律,质量是其核心。原子量计算告诉我们,质量来自于质子,质量的根源是质子伴生质子场,形成最原始的力-质子场力。所有质子伴生着场与地球质子相互吸引,产生重力加速度,形成重力,可以度量,于是有质子就有质量(电子质量小,暂时忽略)。

 

构成物体(物质)的力。列车飞驰、大厦巍峨、桥梁挺拔……能御外力,靠的是材料的强度、刚度,靠的是材料顽强的内聚力。

物质构成晶体、材料的力,是质子对价电子引力的外延。还有一个派生力就是电子运动形成的电磁力。

质子相互吸引相邻的价电子形成了结构元。价电子大于3的,能够形成4+个结构元,形成共价晶体(金刚石、硅)化合物晶体;金属晶体(铁、铜、铝)只有1-3个价电子,靠的是结构元之间的电磁力结合构成。

物质晶体的形成,物体的脆性、塑性、弹性、延展性、记忆合金等诸多力学性质,也与价和电子的运转息息相关。

 

力学有个课题是自然界的四力:引力、弱力、电磁力、强力。其实这个四力是人为分的。四力的根源就是一个,原始力-质子场力。在核内因为距离极小,按平方反比关系,呈现为巨大的强力;在原子内,尺寸比核内大了近5个数量级,呈现的电磁力比核力小了20个数量级;在分子之间至常观距离更大、呈现为重力(弱力);在天体之间,距离很远,呈现为万有引力。

核外电子的运动能够形成静力(强度、刚度);电子的运动也能产生动力。热机所提供的动力多数来自于气体的膨胀,实际上也是电子与电子之间的场力。电动机的动力来自于电子的宏观运动和相互作用就有目共睹了。

 

    热是温度、是能量。热与材料的强度(内力)密切相关,是因为热改变了价电子运转的线路,使得电磁力方向不稳。

大自然在火光中揭示:温度高-物质热发光频率高-核外电子速率高,反之亦然。温度实际上是核外电子运转的快慢程度;热能实际上是核外电子运转的动能,速率高-热能量大、反之亦然。

某物质温度高于环境温度,运转较快的核外电子发生由高速向低能级的跃迁,向周围幅射出相应频率的电磁波(热光源),同时降低温度;反之,若物质温度低于环境温度,则吸收能量-原子吸收周围电磁波,导致自身的核外电子的速率升高(升温)。原子系统就是这样:用电子运动及伴生的电磁波与外界进行交流和互动,由此才有电磁波辐射(所谓的热辐射)、才有“热总是由高温度物质向低温度物质传播”的热力学第二定律。

热能够加快核外电子运转的速率,使原来不能进行的化学反应发生:燃烧,剧烈的氧化反应,导致高速率的氧气降低温度-形成热发光。

热能够使物质发生相变,改变内聚力,例如金属的熔化。主要是由于高温下,价和电子运转加速、线路从平面跃升到立交,电磁力方向不稳,内聚力减小。

人们利用热来做功,实质上是利用物质的核外电子的运动、利用相变来做功,如热机:蒸汽机、内燃机、燃汽轮机。相变是因为价和电子速率进一步增加,运转路线由平面进入空间形成空间球面,利用分子表面电子与电子的斥力推动机械做功。

 

    人们所说的电,一般是指宏观移动的电荷-电流。金属物体导电性能好不是因为有什么自由电子,而是金属物体的价电子少,原子周围比较空,有较大的电子通路。

电压是一种驱使电子定向运动的电磁波,导电首先是电压波在物质的电子空位间的传导。在电压波的引导之下,电子在环路中换位移动形成电流。金属导电、半导体导电、液体导电共此一理。

用核外电子规律运动、电子运动伴生波、金属导体导通电压波的观点,解读了变压器原理;电感器通直流电,阻交流电;电容器通交流电,阻直流电的原理。

 

自然雷电是因为地球表面的游离电荷被吸引到水蒸气分子周围,随着H2O气体上升到天空,遇冷,H2O凝结成水雾,电荷被挤出H2O,成了云层中的电荷,聚集多了,电压升高。击向大地或别的云层,形成雷电。

 

     奥斯特发现了直流电导线外小磁针的偏转,这个实验告诉我们,电子的运动伴生着磁场,大自然的磁性来自电子的运动。

磁性材料的共同特征都是二价过渡元素,当二价金属在受到外磁场的作用时,其部分可以摆动的尾结构元顺应外磁场、把自身调整到与外磁场力相适应的方位,形成平行同向的价和电子运转,构成同向的价磁力。于是这样的二价金属能够被外磁场吸引;当外磁场撤去以后,这些尾结构元的价和电子保持其运动惯性和方位,构成了物体的磁性。

当外界温度升高,价和电子速率加快、线路变化。价和电子线路晃动导致伴生的磁力晃动,物体的磁性就减弱。当温度升高到居里点时(铁770℃)。原先平行同向的价和电子脱离平面线路,使得价磁力方向紊乱,磁性材料的磁性也就消失。

霍尔效应、磁致伸缩,都是在外磁场作用下电子运动线路发生相应改变所发生的效应。

 

     光是有一定波长的电磁波。电子线性运动伴生着磁场。如果电子振动、使伴生的电磁脱离场源,就成为辐射的电磁波(发光)。所以与发光息息相关的是电子的振动。

在光谱实验中,经过分光镜,不同元素的光谱各自呈现。钠光谱是两条明亮的黄线;钾光谱是一条突出的紫色线。光谱颜色表明了该元素在本生灯中价电子速率、谱线的条数就是该元素价电子的个数。光谱实验清晰地告诉我们,光(电磁波)的发生与电子息息相关、是电子振动所发出辐射。 致使电子振动有以下几种情况:

当物质温度高、环境温度较低时,核外电子发生由高能级向低能级的跃迁运动,跃迁是电子的振动,辐射出相应频率的电磁波。这就是热光源。

电子在强磁场、高压电场作用下或在半导体中也会发生振动,电子振动所的辐射的是不同频率的光。电子振动的频率构成了光波的频率,大量电子振动所伴生的电磁波辐射形成了冷光源。

激光的形成是核外电子规律运转有力的实验证明:激光材料的核外电子吸收外界电磁波辐射、定向的波在材料内整合,才能发射出频率稳定、相干性好的激光,

 

    要探讨原子核,必须全力关注来自核内的信息、紧扣来自核内的线索,放射现象——从放射性元素原子核内放射出的三种射线:α射线,β射线,γ射线。这可是大自然提供的原子核的内部资料。

 α射线, 由2个电子紧密环绕4个质子,结构正好是氦原子核的粒子流。氦核结构非常稳固,在核爆炸时也不分开。

β射线,高速的电子流。电子被高速放射出来,说明放射性元素的核内存在着高速运转的电子,应该注意到这是α射线之外的电子。

γ射线,频率极高的电磁波,频率在3X10^18。高频电磁波说明放射性元素核内存在着极高速运转的电子,才有如此高频的辐射。原子核的直径是原子的万分之一,所以核内电子运转半径极小、速率极高,每秒3X10^18转,因而跃迁时辐射出γ射线。

三种射线,给出了核物理的基本内含,质子、电子,电子运转的线路、极高的速率。同时 ,核内电子极高的速率具有极大的结合能,这个能量构成了部分的原子能。

 

 自然界的力、热、电、磁、光、核,看似风马牛各自自成体系,互不相及。然而以上的论述,不约而同地涉及、归结到其基础:核外电子——它们共同的根,物理学定律统一,也就有了基础。物质各种特性的内在机制就在于电子的运动,核外电子规律运动构成了物质的本质属性。以质子带动核外电子规律运动为脐带,孕育了物理学独立的几大分支,把自然界的各种能量也联系起来了,找到了能量守恒的内在原因。

电子的规律运动,不仅把物理学各个独立的分支整合、还原成一个系统的整体,并且达到内在的逻辑一致性。电子的规律运动也将是化学、生物学科学统一的研究基础。

                                     2019/6/28  整理发表




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