摘要

    万有引力可能源于真空极化虚电子 - 正电子对. 万有引力可能的转播子是两个虚光子. 真空极化虚电子 - 正电子对之间交换两个虚光子产生万有引力. 引力源是基于物体真空极化虚电子 - 正电子对所对应的引力荷.  基于这一假设, 我们建立了一系列的引力方程来描述引力. 基于该理论, 我们讨论了其在天文学, 星体磁场起源的应用, 推导出Blackett 关于星体磁矩与其转动惯量关系式[1], 并给出几个引力实验[2][3]的解释.

关键词

  引力，真空极化，力的转播子, 星体磁场

引言

    牛顿提出自然界物体间存在相互作用, 形式如下

其中G为常数, G =6.67×10^－11 m³·s^－2, M1 和M2 为两物体的引力质量.  r为两物体之间的距离. 该式称为牛顿万有引力公式.该公式取得巨大成功, 解释了天文学许多现象. 万有引力也成为四大自然作用力之一, G为普适常数.

但牛顿万有引力理论仍然留下疑惑

1.      该理论基于牛顿绝对时空.

2.      方程中不涉及时间, 力的传播速度无穷大. 该公式要求万有引力瞬时传递.

3.      牛顿万有引力公式只是静止物体间的相互作用, 不能描述运动物体间的相互作用.

4.      M是引力质量. 如何定义和测量? 人们发现物体的引力质量与其惯性质量成线性关系. 于是人们提出引力质量与其惯性质量等价假设. 但这完全是两个不同的概念. 完全等价是巧合还是必然?

5.      引力常数G的测量精度一直没有大的提高, 这是因为测量手段的不足还是因为其定义本身的模糊? 或是其根本就不是一个基本常数? 不同测量数据间的误差大于实验误差. 这些都暗示G不是一个基本常数.

6.      更重要的问题是, 万有引力的起源是什么?

7.      尚有许多不能用牛顿万有引力公式解释的物理现象.

有鉴于狭义相对论的成功, 人们确信自然界的时空必须是基于LORENTZ时空. 后来爱因斯坦基于两条基本原理提出广义相对论引力理论:

1.      相对性原理: 引力理论必须是协变的, 满足LORENTZ变换;

2.      惯性质量与引力质量等价. 引力现象与物体的结构无关, 可用独立于物体特性的通用形式描述. 爱因斯坦选取时空本身用黎曼几何描述引力现象.

广义相对论成功地解释了几个天文学现象, 推广了牛顿万有引力理论, 从而得到动态物体间引力的作用形式, 尽管其它几个疑惑仍然存在. 同时,  爱因斯坦的广义相对论理论又引入了新的困难:

1.      爱因斯坦选用黎曼几何描述引力.广义相对论将时空与引力场相关联, 其量子化必与时空量子化相关联, 已经证明时空量子化相当困难.

2.      人们在四大相互作用力的统一理论的追求过程中, 也已经证明, 纳入引力非常困难.

3.       广义相对论仍然没有回答引力的起源问题.

4.      广义相对论还有一个隐含的假设: 引力常数G是一个基本常数, 但在实验上得不到支持.

    现有的引力理论还受到其它挑战:

1.      引力的起源和本质是什么? 现代物理证明基本相互作用有传递媒介. 如电磁力是光子. 电磁作用是带电基本粒子以光子为媒介的相互作用. 广义相对论给出引力波解, 自旋为2的引力子可能是引力的媒介. 是什么发射和吸收引力子? 物质的哪个实体交换引力子?  如果引力质量与其惯性质量等价, 增加内能或结合能,  引力质量就会增加, 那么是内能的哪一部分导致更多的引力子发射或吸收?

2.      宇宙中的暗物资问题.

3.      星体磁场的起源问题.

4.      有实验证明, 物体的重量与其结构和状态有关, 如物体的温度增加,其重量减少. 这与物体的惯性质量等价其引力质量的假设矛盾.

新的引力理论:  双光子引力理论

    在现代物理理论中, 每个基本相互作用都有作用传递子. 类似于电磁相互作用, 静质量为０, 自旋为２的粒子是引力作用的候选对象, 也符合广义相对论的预言.

    另一方面, 量子电动力学(QED)精确地描述了光子的行为. 其中, 对Lamb位移和电子反常磁矩的实验测量以及理论计算高度吻合, 揭示QED理论的基石稳固.

    考虑导致高阶QED过程的三个修整之一, 真空极化: 虚光子产生虚正负电子对, 该电子对随后湮没成虚光子

    进一步考虑下一阶修整, 虚正负电子对在湮没成虚光子前发射光子对. 如果许多光子对中极少数光子对的动量成线性关系, 它们组成光子对一起运动, 这对光子对即形成引力子. 它们将被另外的虚电子对吸收, 从而在两个虚电子对间产生相互作用, 该相互作用又通过实带电体间的相互作用(图中的 )传到给带电体.

    我们称虚正负电子对为极子(Q-PAIR), 光子对为Q子(queton). 两个极子间通过交换Q子相互作用.

    两个带点体间有电磁相互作用,  其相互作用产生真空极化形成一个极子, 该极子与其它极子交换光子对产生相互作用, 这就是引力相互作用. 引力相互作用源于极子, 极子是引力荷, 物体引力相互作用的大小由其极子的数量决定.  虚电子正电子对分别发射虚光子, 在所有的虚光子对中, 只有非常少量的光子对的动量成线性关系, 在其后的运行过程中形成一个整体, 参与和其它虚电子对交换, 形成两个虚光子对间的相互作用, 从而产生引力, 正是因为发射一起运动的两个虚光子(自旋为2), 这两个虚光子才能够突破核外绕行电子的电磁屏蔽, 发射到原子外. 这是一个高阶费曼过程, 根据量子电动力学理论, 能发射引力子的极子(虚电子对)与两带电体间的电磁作用强度(设为A)成正比(A与两带电体所带电荷成正比及其相互间的距离成反比), 与 ( 是精细常数 )成正比, 与所有发射的两虚光子对形成一起运动的虚光子对的几率(设为 µ) 成正比.

    凡是有电磁作用的地方都将产生极子. 通常的物体可由几个部分产生极子: 质子和中子内部可产生极子, 因为在质子和中子内部有带电的夸克, 因为此时的电磁作用强度极大(因夸克间的距离非常近), 产生的极子数目最多. 其次是原子核内质子间电磁作用产生的极子数, 该数目小于质子和中子内部产生的极子数. 原子核外电子与原子核间的电磁作用也产生极子数,  但数目小于上述两种情况产生的极子数. 原子间的电磁作用也产生极子数, 因此时的电磁作用强度少, 从而产生的极子数也少. 物体的极子数由上述的极子数相加的总和. 任何上述的电磁作用的改变都将改变极子数, 也将导致引力的改变, 从而改变物体的重量.

    严格的计算涉及上述费曼图的QED计算且极为复杂, 但在静止状态下, 相互作用类似于库伦作用, 可写成:

   其中 为库仑常数,  = 8.987×10⁹ Nm²·C^－2,  和  为两物体的引力荷.  r为两物体之间的距离. 该式是因为引力的传播子是静质量为0, 自旋为2的引力子, 与电磁力传播子是光子类似, 故力的大小与距离平方反比,这是此项: 的来源. 公式(1)的推导, 基于真空极化虚电子 - 正电子对交换静质量为0, 自旋为2的力传波子,运用量子场论方法, 与量子场论推导库仑力完全类似, 故有常数 , 而引力荷量子场论计算将极为复杂, 可用 表示, 其单位为电荷C. 因为引力传播子静质量为0, 自旋为2, 静电子不能与其自旋为2的粒子相互作用,故通常引力与电磁力不同, 也暗示静止电子不参与引力作用. 两真空极化虚电子 - 正电子对交换静质量为0, 自旋为2的引力传波子, 相互作用可能为引力, 也可能为斥力, 但引力的能态低于斥力, 故通常表现为引力.

    普通物质的基本单元是由原子核与核外电子组成的原子, 原子核又由质子和中子组成. 根据基本粒子理论, 质子由兩個上夸克和一個下夸克组成, 中子由一個上夸克和兩個下夸克. 上夸克代+2/3e电荷, 下夸克代-1/3e电荷, 电荷间的电磁作用产生极子, 极子数将与原子中的质子和中子数成正比,故与惯性质量成正比.

  与此同时, 核外电子与原子核间有电磁相互作用, 也会产生真空极化,形成极子从而产生引力. 但相比较质子和中子内部夸克间的强电场, 核外电子与原子核间的极子要弱得多, 故其产生的引力也小很多. 如果改变原子外层电子状态, 就可改变核外电子与原子核间的极子,从而影响物体间的引力大小, 但无法影响原子核中质子和中子产生 的引力, 故仅仅改变原子外层电子状态而因此产生的引力改变不大, 需要精确仪器测量.

  物质的极子数由其原子核的极子数加上核外电子与原子核间的电磁相互作用产生的极子数, 而后者少得多, 物质的极子数主要是由其原子核内产生的极子数决定的.

    我们假设, 极子(Q-PAIR)是引力的起源, 类似于电荷是电磁力的起源一样. 引力的媒介是Q子, 自旋为2, 静质量为0. 引力的本质是电磁力. 万有引力与电磁力同源.

 牛顿万有引力近似成立, 物体的惯性质量与其组成的原子数正比, 原子质量与其质子数正比, 质子数与其能产生的极子数正比. 从而导致物体引力与其惯性质量成正比. 没有引力质量的概念. 牛顿万有引力公式是极子相互作用的最低级作用, 其中极子是原子以及原子核内真空极化产生的高阶费曼图过程效应. 引力常数G不是基本常数, 与Q子数以及原子结构相关. 可由费曼图计算出(计算非常复杂, 并且G与物质的电磁结构有关,而且与环境的电磁性质有关).

    因为引力其本质是电磁力, 我们可以提出类似电磁场的引力场理论. 因为引力源是极子, 引力媒介是Q子, 如同电磁力源是电荷, 电磁力媒介是光子一样, 引力场是Q子场, 描述的是Q子场与极化子的相互作用.

    引力场方程:

  与电磁力相似, 引力势

   引力场含引力和类磁力,

    其中  ϕ是标势，A是矢势. P 是极子(Q-PAIR) 密度, J是极子(Q-PAIR) 流密度矢.

    静场:

    对比牛顿万有引力公式,可以更清楚地理解上述引力关系式.

    牛顿提出自然界物体间存在相互作用, 形式如下

    其中G为常数, G =6.67×10^－11 m³·s^－2, M1 和M2 为两物体的引力质量.  r为两物体之间的距离. 该式称为牛顿万有引力公式.

对比两个公式(1)和(8), 有关系式:

其中 是引力荷, 单位是C, 产生引力E, 静电子对引力E没有作用. 因为引力荷的电磁属性, 运动的引力荷与运动的电荷一样可以产生磁场,服从相同的规律.  因公式(9)的因子 , 质量M对应的引力荷非常小. 故其产生的磁效应也不明显. 对引力荷产生的磁场的反应可分为两类, 运动电荷和运动引力荷, 尽管它们都服从相同的电磁规律, 但因公式(9), 质量M对应的引力荷非常小, 故引力荷对磁场的反应非常微弱, 所以引力场中的磁效应非常微弱, 即,运动引力荷对磁场的反应非常微弱,并被物体所带电荷引起的磁反应掩盖. 而星体质量较大, 其引力荷也大, 运动引力荷产生磁场是星体磁场的来源.

    与电磁力理论一样, 引力以光速传播, 引力也有推迟势, 引力场是协变的, 满足洛仑茨变换.

新的引力理论的证据

1.  中国计量所的科学家[2], 以及俄罗斯科学家Alexander L. Dmitriev[3]实验证明, 物体温度升高其重量有微量的下降. 该实验违背了广义相对论的物体惯性质量与引力质量等价的原理. 物体温度的升高, 导致其内能增加,增加的内能转化为惯性质量, 惯性质量也应增加, 如果惯性质量与引力质量等价, 引力质量也将增加. 实验结果却是减少, 该实验违背了广义相对论的物体惯性质量与引力质量等价的原理. 即使物体温度升高, 导致其内能增加,增加的内能转化为惯性质量, 因质能关系有因子 (c = 2.9 x  10⁸ m/s 为光速), 所改变的惯性质量在目前的实验条件下是无法测量的, 但实验结果是, 测量到万分之几克的重量改变, 如果惯性质量与引力质量等价, 与改变的惯性质量对应的能量将是 10⁸kg(m/s) 量级, 而实验中显然没有用到这么大量级的热能. 实验中加入的热能只能改变物体的分子或原子的电磁属性, 从而验证我们关于引力源于电磁作用的高阶效应, 并且实验数据的量级也符合我们理论的预期.

2.  Blackett Effect[1]:

   星体磁场起源是一个尚没有完全解决的疑难问题. 1947年, P. M. S. Blackett[1] 依据几个天体数据提出假设, 转动的物体都附有磁矩，磁矩在大小和物体的转动惯量成正比, 公式为:

    其中, G是引力常数,k_e是库仑常数, P是磁矩, U是转动角动量.

   下面,我们来推导Blackett公式:

   引力质量M可根据公式(9)换算成为引力荷 Q_q.

   Q_q 本质上是电磁属性, 与电子一样当其旋转也能产生磁场并遵循相同规律.

   假设质量元拥有引力质量荷 计算其围绕定轴旋转产生的磁矩和角动量, 可得余下方程:

为旋转角速度. 可得:

    根据 (12) 式,得

    因为k_e 是常量, G大体也是常量, 各微元相加, 总的磁矩和转动惯量的关系:

    这就是Blackett 时的公式:

    Blackett公式中有个无量纲常数 , 级为1( <1), 因为天体并非为刚体, 用刚体假设计算的公式(14)必须给予修正,这就是无纲纲常数 的意义. Blackett也许给出星体磁场真正的来源: 任何星体自转是星体磁场产生的根源. Blackett指出的未知物理原理可能是本文章所提示的: 万有引力与电磁力同源.

月亮绕地也可产生磁效应, 类似于带电体环绕运动产生磁场一样, 可用毕奥—萨伐尔定律计算月亮绕地在地球产生的磁场,这也许可以解释太阴日变化L, 将在另文讨论.

  星体磁场问题,也许是揭示引力本质的问题,正是因为人们普遍认为引力和电磁力是两种完全不同的力,妨碍了人们对星体磁场本质的正确认识.

  尽管由于种种原因Blackett放弃了他的公式, 后人发现更多的星体满足Blackett公式, 见下图:

    来源: http://www.kokus.net/magnetism

    越来越多的实验数据符合Blackett公式, 至少说明其有合理成份.  当然, 星体磁场显示更多的复杂性, 暗示影响星体磁场还有其它因素.

讨论

万有引力起源是电子间电磁真空极化间的相互作用, 不存在引力质量概念. 引力子是由虚双光子组成. 引力波是双光子组成的电磁波. 真空极化是引力的作用源, 真空极化发射和吸收虚引力子从而产生物体间的引力. 万有引力的本质是电磁力的一种.

原子间交换双光子也可导致相互排斥, 因相互吸引比相互排斥能量更低, 通常是相互吸引产生引力.

万有引力常数G是不是一个基本恒定的, 它涉及与原子电磁结构和环境.

星体磁场的偶极场是由星体转动形成的, 因物体由引力荷组成, 本质上引力荷是电磁属性.

任何原子层面的电磁改变, 导致核外电子分布改变会影响引力荷的改变, 从而改变物体引力质量. 如加热, 外加电磁场等 .

参考文献

[1] The magnetic field of massive rotating bodies, P. M. S. Blackett, Nature 159, #4046 (May 17, 1947), pp. 658-666

 [2] Wuqing Liu, ENGINEERING SCIENCES. 2010,12(2):9~11

[3] Alexander L. Dmitriev , World Academy of Science, Engineering and Technology Vol:7 2013-07-24