张延年 - 暗物质与宇宙模型.pdf

平衡状态。当可见物质存在后，平衡状态被打破，需要建立一个新的平衡状态。可见物质的大量堆积，由于瞬时取向力和瞬时诱导力，使极小区域内的空间与电子偶极子的相互作用急剧升高，这使得可见物质周围的电子偶极子密度升高，致使原来的平衡被打乱，只有形成一个密度梯度才能使电子偶极子保持一个稳定的平衡状态。

具有很大质量的星体与电子偶极子的作用强度高，使电子偶极子密度大幅升高，进而对周围的电子偶极子的吸引力也随之提高。因此在星体周围，电子偶极子的密度具有一定的梯度，随着与星体的距离增加而密度降低(见图4.7)。质量越大的星体，电子偶极子的密度越大。另外，由于星体一般围绕另一个星体或星系运动，在一定半径范围内牵引电子偶极子随之运动，由于这种运动的半径加大，因此加速度较小，所以牵引电子偶极子随之运动的半径较大。还有一些星体还会自转运动，星体的质量越大，牵引的范围就越大，而质量较小的星体，牵引的范围就越小。在地球的表面上的一定范围内，地球牵引这电子偶极子随着地球一起转动。超过一定的范围后，电子偶极子随着星体自转的速度就存在了一定的速度梯度，范围再扩大，电子偶极子不再受到地球的牵引作用。但地球牵引电子偶极子自转的范围要远小于其绕太阳公转的范围。

在一定范围内，电子偶极子不断地与可见物质之间发生作用。电子偶极子的质量和体积都很小并且为电中性，因此电子偶极子的渗透能力很强，电子偶极子不仅能在气体中存在，也能在液体和固体内部存在，即电子偶极子不仅能在“真空”中存在，也能渗透到任何可见物质内部。由于电子偶极子与可见物质相互作用，而作用强度大于电子偶极子之间的相互作用，因此在可见物质内部，电子偶极子密度较大。

具有很大质量的星体可以在一定半径范围内与电子偶极子相互作用，因此，星体可以在一定的半径范围内牵引电子偶极子。由于星体对电子偶极子的吸引力作用很大，会克服电子偶极子之间的部分推斥力，使电子偶极子有变密的趋势，而这种作用随着半径的增大而减小，因此当靠近星体时电子偶极子相对较密，远离星体时相对较稀。即电子偶极子的密度随着与星体的距离变化存在着密度梯度。总之，电子偶极子的分布于可见物质有关，因此在一些星系团中，电子偶极子呈扁平盘状分布。在无可见物质的大尺度空间内，电子偶极子呈均匀分布。

电子偶极子与正负电子可以相互转化。电子偶极子可以在一定的条件下(足够的能量)可以电离成为一个正电子和一个电子。而一个正电子和一个电子在一定条件下也会结合成为电子偶极子，同时释放出一定的能量。通常情况下，电子偶极子的内能很低且十分稳定，质量小，不显电性，因此很难被发现。

电子偶极子与可见物质相互作用，星体的自转会在一定的范围内牵引电子偶极子随着星体转动。但电子偶极子被星体自转牵引的角速度不同，一般情况下，星体内部的电子偶极子与星体上的物质具有相同的线速度和角速度。离星体近的电子偶极子具有较大的线速度和角速度；离星体较远的电子偶极子具有较小的线速度和角速度。即电子偶极子的运动速度随着与星体的距离变化存在着运动速度梯度。同样，星系团的旋转也会在一定范围内牵引电子偶极子运动，并也存在着一定的运动速度梯度。但星体牵引电子偶极子自转的范围要远小于其绕系统公转的范围。

质量体积大的星体能够牵引其内部和周围的电子偶极子。质量体积较小的物体无法牵引其周围的电子偶极子，并且只能部分牵引其内部的电子偶极子。牵引的电子偶极子的比例与物体的质量、大小和速度有关。

由于星体与正反粒子偶极子的相互作用，而使正反粒子偶极子的密度提高，星体的质量越大，正反粒子偶极子的密度提高越多，星体的质量越小，正反粒子偶极子的密度提高越少；离星体近的空间正反粒子偶极子密度大，离星体远的空间正反粒子偶极子密度小。同样，物体或星体的质量越大，正反粒子偶极子的密度提高越多，物体或星体的质量越小，正反粒子偶极子的密度提高越少。由于物质对正反粒子偶极子的吸引作用，使正反粒子偶极子的密度变化，这样就形成了引力场。

正反粒子偶极子遍布整个宇宙空间，在“真空”中(或无可见物质，或正反粒子偶极子密度梯度变化较小)，正反粒子偶极子均匀分布。一定质量M的物质吸引正反粒子偶极子的能力是一定的，正反粒子偶极子间距缩小，间距小于平衡位置，正反粒子偶极子间的吸引力和推斥力均提高，而推斥力提高较快，质量M的物质的吸引力平衡掉推斥力与吸引力增量差值，形成一个新的平衡。这种吸引力是一种弹性力，由近及远，连续不断传递。在任何质量M的质心为球心的同心球面上的吸引力综合均相等，同心球面面积为(为同心球体半径)，各同心球面上吸引的正反粒子偶极子的数量均为(当引力强度相同是，如间距缩小的程度相同，则吸引的正反粒子偶极子数量相同；如间距缩小程度提高，则吸引的正反粒子偶极子数量会降低，如间距缩小程度降低，则吸引的正反粒子偶极子数量提高；这里只采用吸引的正反粒子偶极子数量表示吸引强度，本质是相同的)，各同心球面上单位面积上吸引的正反粒子偶极子为。

引力场本质上是正反粒子偶极子密度变化形成的，万有引力为正反粒子偶极子吸引强度：

                          (4.15)

式中，为引力场强度；k为系数，为常数；N为单位质量在同心球面上吸引的正反粒子偶极子数量，为常数；为圆周率；M为物质质量；为同心球体半径。

正反粒子偶极子吸引强度可简化为：

                            (4.16)

引力场是由正反粒子偶极子密度梯度变化产生的，吸引力始终指向正反粒子偶极子密度增加最大的方向。只要有可见物质，正反粒子偶极子的密度均会提高，因此宏观物质只表现为引力，而不表现为斥力。可采用正反粒子偶极子的密度变化率表示引力场强度，这反映引力场本质上是暗(实体)物质的规律变化，使暗(实体)物质与(引力)场物质合理统一。正反粒子偶极子吸引强度计算能准确反映引力场强度。

总之，采用正反粒子偶极子模型可以很好地解释电场、磁场、电磁波和引力场，实现了场论的统一。暗物质正反粒子偶极子理论建立在暗物质极化、定向偏转、震荡感应和密度变化的基础上，放弃了物质引起时空变形的弯曲时空理论。通过进一步的正反粒子偶极子模型研究，可以逐渐取代场论的概念，使场具有实体物质的物理含义。

实际上，在量子场论中的正反粒子偶极子是场的基态，而采用不同方法分解出的正反粒子对是场的激发态。

粒子分类

粒子的存在状态包括显现态和隐身态。只有对称的正反粒子偶极子才能处于隐身态，这是由于垂直于正反粒子偶极子偶极方向辐射最强，而平行正反粒子偶极子偶极方向辐射为零。如果把振动电子视为偶极，则在反射光方向辐射为零。也就是说，具有高度对称性的正反粒子偶极子只能向前传递电磁波，无法反射电磁波。因此，对称性完好的正反粒子偶极子可被称为隐态粒子或场态粒子。

实际上，暗物质是由隐态粒子构成的，而这些隐态粒子能够形成各种场。而这些粒子之所以能够成为隐态粒子主要由于对称性，而这些粒子实际上就是正反粒子对，而我们通常谈论的电偶极子实际上就是正反粒子偶极子，即：

暗物质=隐态粒子=场态粒子=对称粒子=正反粒子偶极子=电偶极子

除正反粒子偶极子以外的其他任何非对称粒子一定处于显现态，这是由于粒子的对称性破缺可以使电磁波反射，因此，对称性破缺的粒子可被称为显态粒子。

光子是一种电磁相互作用的媒介粒子，实际上是粒子间相互诱导力，粒子通过相互诱导传递能量，主要表现形式是电磁波。锁定场态粒子、半锁定场态粒子和自由场态粒子均可以传递电磁波。

胶子是强相互作用的媒介粒子，实际上是粒子中锁定场态粒子传递的电磁相互作用。由于电磁力同时存在吸引力和排斥力，在平衡位置吸引力和排斥力平衡，形成所谓的渐近自由；当大于平衡间距时，吸引力显著大于排斥力，进而形成禁闭现象。

W及Z玻色子是弱相互作用的媒介粒子，实际上是粒子间的半锁定场态粒子间传递的电磁相互作用，而半锁定场态粒子是弱相互作用粒子的组成部分，因此半锁定场态粒子不仅可以传递电磁相互作用，也可以相互传递粒子。

粒子共分为场态粒子、显态粒子和虚拟粒子3类。

场态粒子又称隐态粒子，场态粒子包括所有正反粒子偶极子，是一种对称粒子。场态粒子包括锁定场态粒子、半锁定场态粒子和自由场态粒子。

显态粒子是除正反粒子偶极子以外的其他任何非对称粒子。属于对称性破缺粒子。对称性破缺包括电荷对称性破缺、质量对称性破缺、运动状态对称性破缺等。

虚拟粒子是相互作用的媒介粒子，不是真实存在的粒子，仅仅是粒子间某种状态的相互作用，也可以理解为粒子间的能量交换。

虚拟粒子本质上是粒子间的相互作用，长期以来被称为粒子，这是为了衔接现有理论而提出的。虚拟粒子对于粒子的动力学研究至关重要，但物质与相互作用有着本质区别，虚拟粒子的概念将会被逐渐弱化，相互作用的概念会逐渐被强化并取代虚拟粒子而成为规范性描述词语。

量子场论的物质基础

在过去，大部分人认为正反粒子相遇便化为乌有，或凭空产生正反粒子对，这是由于他们不了解暗物质的本质。实际上，粒子是相互转化的，仅仅是一种物质转化为另外一种物质而已，物质并没有产生或消灭。

“场”这个名词是物理学家认识物质的历史产物，过去一直认为电荷间相互作用是由电磁场产生。光子是一种虚拟粒子，是粒子间相互作用的媒介粒子，是粒子间某种状态的相互作用，同时通过相互作用交换能量。量子电动力学就是采用这一思想建立起来的。量子点动力学采用光子交换来解释电荷间的相互作用，这就将显态粒子、场态粒子、虚拟粒子和场的概念统一起来。

然而，关于重力场的产生原因，至今没有得到本质解释。也有人提出重力场是由于物质间交换重力子所致，而重力子是否存在，尚无法肯定。

粒子间交换的光子实际上是通过粒子间的相互作用而交换的能量，而重力子本质上也是粒子间相互作用而交换的能量，只是由于场态粒子空间分布密度的梯度，致使场态粒子的空间对称性破缺，由于密度对称性破缺致使相互作用即交换能量产生差异，进而产生了差值。在这种意义上，重力子也是一种虚拟粒子，且是一种作用状态或能量交换的差值。

总之，场是粒子的表现形式，即场是粒子产生的，场的本身是粒子间伴随能量(光子)交换的作用传递。严格地说，尝试不同类型粒子的对称性破缺而产生的伴随能量(光子)交换的作用传递。由此可见，场论就是研究粒子的理论，场论的具体研究内容包括：

①研究粒子（包括场态粒子和显态粒子）的性质；

②研究粒子运动规律；

③研究粒子（包括场态粒子和显态粒子）间伴随能量（虚拟粒子或称光子）交换的相互作用；

④研究粒子（包括场态粒子和显态粒子）间相互转化的概率。

实际上，量子电动力学就是研究场态粒子、显态粒子通过交换虚拟粒子相互作用和相互转化的学问，是场论的重要内容。量子点动力学获得辉煌成就，它能够定量说明场态粒子、显态粒子和虚拟粒子的许多现象，特别是用量子点动力学的理论计算出来的电子附加磁矩和氢光谱能级，得到了实验的精确验证。但早期的量子电动力学还存在严重的缺点，就是用量子电动力学的理论计算出的电子自能，电子本身的质量、电荷等是无限大的，只能采用重整化消除这种无限大。而重整化的假设并没有包含在量子点动力学的原始理论和原始方程式中，因此破坏了逻辑的完整性。

量子场论为描述多粒子系统，尤其是包含粒子产生和湮灭过程的系统，提供了有效的描述框架。粒子产生和湮灭过程本质上就是场态粒子和显态粒子的相互转化过程。

实际上，量子场论是经典场论的自然推广，它能够解释所谓的粒子诞生与湮灭，而这些过程在量子力学中并不存在，而且量子场论能够“神奇地”解决量子力学中的因果问题。量子场论中最为简单实用的是量子电磁学。本质上场态粒子不断被激发而不断是正反粒子创生与湮灭。

在量子场论中，人类认为是粒子的物质其实是量子场自身的激发。实际上，是暗物质粒子，是正反粒子偶极子，是场态粒子，本质上就是场物质。

最被熟悉的电场和磁场，就是场态粒子之间伴随不断能量交换的作用传递。而这种能量传递以电磁波的形式交换传递，而这种以电磁波传递的能量是被熟知的光子，是一种虚拟粒子。

量子场是个复杂的体系。原因一部分在于其涵盖了物理学所有领域：量子场能够描述大量粒子以各种不同方式进行相互作用。另一个原因是量子场论的深奥。

海森伯测不准关系意味着量子场并不是静止的。相反，它会产生泡沫并沸腾，就像是由粒子和反粒子形成的一锅沸腾的汤，不断产生与毁灭。量子场论深奥之处就源于这一过程的复杂性，即便是理解量子场论中的虚无都十分困难。随着向真空中添加粒子，它会以各种有趣方式扭曲。大部分有关量子场论研究的目标在弄明白这种扭曲、弄明白扭曲是如何引起粒子间相互作用的，以及最终，粒子的相互作用又是如何形成各种美丽自然现象。这些理解过程并非易事。尽管距离量子场论的发现已经过去了几十年，想要理解量子场论中所有的精妙之处，前方仍有漫漫长路。

物质既不消灭，也不创生，其量总是守恒的，这就是所谓的物质守恒原理。物理变化中不论物体的形状、状态、位置如何变化，所蕴含的质量不变；物体分裂成几个部分时，各部分质量之和等于原物体质量。在孤立系统中，不论发生何种变化或过程，其总质量保持不变。质量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律之一。它表明质量既不会被创生，也不会被消灭，而只会从一种物质转移到为另一种物质，总量保持不变。

物理变化质量守恒：物理变化中不论物体的形状、状态、位置如何变化，所蕴含的质量不变；物体分裂成几个部分时，各部分质量之和等于原物体质量。即使当物体加减速运动时，动质量也不会变化，动质量恒定等于静止质量。

化学反应质量守恒：化学反应因没有原子变化，质量总是守恒的。化学反应中的质量守恒包括原子守恒、电荷守恒、元素守恒等几个方面。

核反应的质量守恒：由于锁定场态粒子、半锁定场态粒子与自由场态粒子相互转化，锁定场态粒子和半锁定场态粒子位于显态粒子之中，这里存在着场态粒子和显态粒子的相互转化，表面上看，显态粒子的质量发生了变化，但本质上，仅仅是场态粒子和显态粒子的相互转化，质量仍守恒。

量子场论认为粒子可以凭空产生和消失，从此认为物质守恒定律被打破。而实际上，并不是粒子真的凭空产生或消失，而是场态粒子的对称性破缺与恢复的往复变化过程，也就是量子场论中场的基态和激发态的往复变化过程。场态粒子的对称性破缺而形成显态粒子，而对称性恢复又形成了场态粒子。量子场论认为的粒子凭空产生和消失本质上是场态粒子和显态粒子的相互转化，仅仅是粒子存在状态的变化，物质没有创生，也没有消灭。实际上，场态粒子是量子场论的物质基础。

场的本质

没有显态粒子(可见物质)或场态粒子(暗物质)，就不会有场。只有场态粒子时，场态粒子通过相互作用而不断交换能量，这种相互作用而交换的能量为虚拟粒子。若不存在显态粒子，场态粒子处于均匀分布状态，场态粒子会保持良好的对称性，场态粒子的各种相互作用也是相对对称的，因此不会表现为场的特性。但场态粒子与周围的场态粒子不断相互作用交换能量，这种相互交换的能量只能通过微波背景辐射的形式表现出来。

虚拟粒子是场的表现形式，不是真实存在的粒子，仅仅是粒子间某种状态的相互作用，这种作用即包括显态粒子间的相互作用，也包括场态粒子间的相互作用，更包括显态粒子和场态粒子间的相互作用。总之，虚拟粒子是各种粒子间的相互作用，但这种相互作用在量子层级上主要通过交换能量来表现，而宏观上主要表现为场，即表现为显态粒子与显态粒子的“超距”相互作用。所有的场都是通过场态粒子以不同的作用形式传递的，因此，显态粒子的相互作用是不能超距的，只能通过场态粒子以不同场的形式传递。

当显态粒子出现在场态粒子中，由于显态粒子的不均匀分布、电荷的不均匀分布以及运动状态的不均匀，场态粒子存在的对称性破缺，进而产生不同势能，并形成各种场，即各种场是场态粒子的不同势能。

当场态粒子中出现显态粒子时，显态粒子一旦出现电荷对称性破缺，就会引起场态粒子规律性地电荷对称性破缺，场态粒子出现规律极化，进而产生电势能，并形成电场。场态粒子由于显态粒子的电荷运动状态出现对称性破缺，场态粒子内部电荷轨道偏转，进而产生磁势能，并形成磁场。场态粒子或显态粒子的势能变化一定伴随着粒子的相互作用，即虚拟粒子参与粒子间的相互作用，进一步地，如果没有虚拟粒子（相互作用或能量交换），粒子的运动状态或能量状态不会改变，场的状态也不会发生改变。由于电荷对称性破缺而进行的能量交换以电磁波的形式传递，光子就成为了相互作用而传递能量的虚拟粒子。

显态粒子质量对称性破缺，就会引起场态粒子规律性质量对称性破缺，进而产生场态粒子整体密度对称性破缺，场态粒子密度变化产生引力势能，并形成引力场。引力场也是通过场态粒子通过相互作用交换能量的电磁波传递，但由于场态粒子的密度分部不均匀，密度梯度引起受力不均匀，即引力场是密度分部不均匀形成的差值，而这个差值与密度梯度相关，因此引力远远小于电场力和磁场力。一般情况下，场态粒子密度梯度较小，场态粒子通过密度规律性变化传递引力波。由于场态粒子密度变化很少突变，且密度变化传递的电磁波差值是体波，能量衰减更快，因此，引力波很难探测到。

显态粒子一旦出现运动状态对称性破缺，就会引起场态粒子规律性运动状态对称性破缺，形成惯性势能。场态粒子粒子惯性势能的规律性变化传递惯性波。

场态粒子和显态粒子的作用都是通过虚拟粒子传递的，虚拟粒子本质上是各种粒子间相互作用交换能量，总体上是以电磁波的形式传递力和能量，即粒子间的相互作用可以采用波的形式进行描述。

粒子与场辩证统一

确认能够以自由状态存在的各种最小物质统称为粒子。电子、中子、质子等是最早认识的一批粒子，陆续发现了大量的粒子的数目达数百种，粒子是物质存在的一种基本形式。

场是物质存在的另一种形式，这主要在于各种正反粒子偶极子是弥散于全空间并形成各种不同的场，它们互相渗透和相互作用着。正反粒子偶极子的不同势能对应不同形式的场，场的激发表现为正反粒子偶极子电离或粒子对显现，不同激发态表现为粒子的数目和状态不同。场的退激发表现为粒子对结合或正反粒子偶极子隐身。场的相互作用可以引起激发态的改变，表现为粒子的各种反应过程，也就是说场是物质存在的另一种基本形式。

而物质处于显现态时主要表现为粒子性，处于隐身态时主要表现为场的特征。因此，物质的粒子和场是辩证统一的。

场态粒子内部的对称粒子时刻运动，偶极矩不断变化，产生各种不同的瞬时偶极。另外，场态粒子之间的瞬时偶极也会相互诱导，粒子间也会产生诱导偶极。场态粒子的各种运动状态的概率相同，因此整体上具有良好的对称性。

当只有场态粒子时，场态粒子电荷、质量、密度、状态等都是均匀的，具有良好的对称性。在没有显态粒子时，场态粒子对称性不会自发破缺。

当场态粒子中出现显态粒子时，显态粒子一旦出现电荷对称性破缺，就会引起场态粒子规律性地电荷对称性破缺，形成电磁场。即电磁场是由于显态粒子电荷对称性破缺引起场态粒子规律性电荷对称性破缺产生的。

显态粒子质量对称性破缺，就会引起场态粒子规律性质量对称性破缺，进而产生场态粒子整体密度对称性破缺，形成引力场。即引力场是由于显态粒子质量对称性破缺引起场态粒子规律性质量对称性破缺产生的。

当显态粒子一旦出现运动状态对称性破缺，就会引起场态粒子规律性运动状态对称性破缺，形成惯性场。即惯性场是由于显态粒子运动状态对称性破缺引起场态粒子运动状态对称性破缺产生的。

只有显态粒子或只有场态粒子都不会形成场，只有显态粒子和场态粒子不断地相互作用才能产生场。场是场态粒子和显态粒子相互作用形成的，粒子和场是辩证统一的。有的时候我们专注于粒子的粒子性，有的时候我们专注于粒子的场的特性，但二者是无法分割的，因此场具有粒子的一切特征，包括质量、动量和能量。

物质是力的本体，任何力都不能脱离物质相互作用而单独存在，不存在无物质的力。虚空或时空不能成为施力物体，只有物体才能作为施力物体。

物质是力的受体，力一定存在施力物体和受力物体之间。虚空或时空不能成为受力物体，只有物体才能作为受力物体。

时间是提供事件发生顺序和物质运行周期信息的物理量，空间是提供物质位置、体积和形状信息的物理量，无论怎样，时间、空间或者时空都不能作为施力物体或受力物体。

相对论认为物质引起时空变形的弯曲时空理论是不合理的，实质上是可见物质引起了暗物质空间密度梯度变化，而这种梯度变化与距离相关，在相同球面上密度相同，离星体越近，密度逐渐提高，时空仍然是平直的。万有引力实质上是物质对物质的作用力，不仅合理解释了万有引力的超距作用，也揭示了为什么万有引力只表现为引力而不表现为斥力的内在原因。