真空微粒与真光子结构模型探索

摘要：在系统地介绍了20世纪以来的物理学对真空背景和万有引力研究成果的基础上，本文提出了三个相互独立的基本假设或原理。然后从这些基本假设出发，分别地讨论了真空微粒的结构模型、真空微粒的量子化参量和能量密度，真光子的结构模型及其发射过程等重大的前沿性的物理课题，从而证明了真空背景确实充满了传递相互作用的真空微粒，玻色子的凝聚态。这一理论结果，将为量子力学、量子场论、量子电动力学、以及统一场论的完善与发展提供一个全新的研究思路。

“时空需要物理实在”。——这是联合国科教文组织总干事、著名哲学家、思想家和科学家欧文·拉兹洛(Ervin Laszlo)在他的著作《微漪之塘——宇宙中的第五种场》中根据物理成果总结出来的，也是他提出的场理论寓言的核心部分。1999年11月，拉兹洛在他的新书《整体性，新科学的寓言世界——探寻正在显现的量子、宇宙、生命和意识的图景》一书中描述了场理论的基本前提：“真空层次上的量子场是时空中物理相互作用的媒介”。“这种场是像惯性、引力、质量和普朗克常数的基本物理现象的产生原因”。我们认为，“时空需要物理实在”其实质就是“真空需要物理实在”。从20世纪的科学发展来看，总是不断地表明真空并非“空无一物”。例如1912年普朗克从他的黑体辐射理论中推导出真空零点能的存在；1920年爱因斯坦根据广义相对论认为空间存在某种以太；1930年狄拉克提出费米子真空，量子真空会出现涨落，产生真空极化；1948年卡西米尔发现了真空能量效应——卡西米尔效应。1997年拉莫罗高精度地测量了卡西米尔力，进一步证实了真空零点能的存在；1947年兰姆和瑞瑟福用波谱学方法测得氢原子能级比高出约（cm^-1）。目前的实验值为（Hz）。这一现象称为兰姆移位（LS）。关于这个问题，用薛定谔方程和狄拉克方程都无法解释。虽说在量子场论中，LS被解释为原子中束缚态（S态）电子受电磁场的真空极化作用（即辐射修正）与电子自能修正共同作用的结果，但计算结果仍然偏小，没有从根本上解决问题；1987年到1993年间，普索夫（H. Puthoff）证明，原子结构的稳定性乃是电子和真空背景相互作用的结果；70年代中期，P.戴维斯和W.昂鲁在“关于当前工作所遵循的原则”的建议中，特别强调地指出在真空中的匀速运动与加速运动不同。匀速运动显示零点场是各向同性的，而加速运动将产生一种方向对称性被破坏的热辐射；1999年D.萨卡迪和L.博多尼用实验测量了大单摆运动中的微小偏差，经过无数次实验，最后证实：在质量不相等的情况下，万有引力满足通常的估算值。当质量接近相等时万有引力变小，在质量完全相等的物体间万有引力似乎完全消失。对此，萨卡迪和博多尼的结论是：牛顿的万有引力定律只对点状物体成立。而E.拉兹洛认为：这一现象表明万有引力不是质量物体的特性，而是由于真空场中物体间的相互作用造成的；1954年6月法国数学家、诺贝尔经济学奖获得者莫里斯·阿莱（Maurice Allais）在日全食时发现傅科摆的摆平面突然多转动了，持续2小时30多分钟，直到日全食结束。1970年美国科学家萨克斯尔（Saxl）和艾伦(Alien)得到同样的结果。1995年印度物理学家米什拉（Mishra）和拉奥(Rao)用重力计测出在日食期间地球重力加速度大约有ms^-2的变化；1997年3月我国科学家汤克云、武传真等人对发生在漠河的日全食进行了重力计测量，首次发现了“双重力谷”现象，即在初亏和复圆前、后各有15分钟左右的重力下降5～7微伽的现象（1微伽＝1cms^-2)。之后，汤克云等人又于2001年6月在赞比亚首都卢萨卡、2002年12月在澳大利亚两度观测了日全食，均证实了这一点。美国物理学家伊弗里姆·菲施巴赫（Ephraim Fishbach）认为：“阿莱的结论和其他关于引力的不解之谜告诉我们，我们还没有完全理解引力作用的方方面面”。正如我国科普杂志《科学世界》所说：“也许正是这些令人惊奇而又难于解释的观测结果背后隐藏着极有新意的引力场物理本质。”总之，所有这些现象和结论都要求我们否认“真空就是空无一物”的观点。

1．质量和能量是相互依存的。有质量就必然有相随的能量；有能量也必然有相随的质量。没有不包含质量的纯能量，也没有不包含能量的纯质量。

2．相互作用离不开中间媒质与时间过程。相互作用必须通过中间媒质，不存在任何超距的相互作用。并且，任何相互作用都需要时间过程，不存在速度为无穷大的“传播子”。

3．任何粒子都含有两种对立的物质场（和），它们具有“空间－时间反演”及“质量反演”的对称性。

基于上述假设我们推测：真空中充满了由正、反物质对所组成的、电中性的、静止质量为零的真空微粒，即玻色子凝聚态。正是这种凝聚态物质充当了传递相互作用的媒质。

在满足和的条件下，、的组合只有三种形式是独立的，又由于电力远远地大于斥力（万有引力），只有上图所示的结构才是稳定的。绕或绕共同的质心旋转的情况均与上图等同。这个微系统是稳定的，因为系统的总能量为负。速度和及原点如图所示。

式中的为电荷的最小单位，称为“量子电荷”；而是正或反物质质量的最小单位，称为“量子质量”。所有的，所有的，均为正负整数或零。

2．真空微粒的量子化参量。假定薛定谔方程也适用于这个微系统，则可仿照求解氢原子的方法求出真空微粒的量子化参量。假定在的库仑场中运动并处于束缚态，它的势能，为与的距离。此势能具有球形对称性且为定态，则有

同氢原子类似，也有主量子数，…，角量子数…，磁量子数…。

这是真空微粒在未受引力和电磁场（如带电电荷）影响下的基本状态。这时，其角动量由决定。在基态时，。——说明是球形对称的，它的波函数

式中相当于氢原子的玻尔半径（），同样有相当于玻尔磁子的“量子磁子”，以及“量子磁矩”。这些参量也都是量子化的。因为基态的能量

3．真空微粒的能量密度。如果真空微粒在单位体积内有个，由于真空微粒在不受外界影响下是全同的，所以单位体积内的能量密度（为负值）。在卡西米尔效应中，两个平行板均为正方形，边长为，相距为，两板间的微弱吸引力为

关于真光子的结构，在《广义时空相对论》中已有初步地描述，即：光子“中心有一个较为密集的‘静止质量’构成的‘核’，在‘核’的周围有限的空间范围上分布着‘连续的电磁场’”。这里将在此基础上作进一步探索，并提出真光子的产生过程以及形成下述结构得原因。因为真光子也是一种真空微粒，具有与的基本特征，所以它的结构应如下图所示：

1．真光子结构图说明。真光子核心带有等量异号电荷，而质量分为的两个部分，相距，相互围绕，“外部”为似球形的电磁场，真光子的“前进”方向如图所示。的走向大体与电子从高能级到低能级的“路径”一致。与电荷的一样，都是量子质量和量子电荷的整数倍，即、均为正整数。两个间依靠库仑力来维系，库仑力是它们之间相互围绕旋转的向心力。这个微系统的总能量也是负值，因而是稳定的，其能量。其中，是绕旋转的切向速度。

2．真光子的发射过程。让我们以氢原子中电子从为例来说明光子发射的具体物理景象和过程，以及为什么真光子必须具有这里所描述的结构模型。

（1）为什么处于上的电子会自发地跃迁到。由于电力远远大于万有引力（斥力），氢原子核心带正电的质子周围将布满真空微粒，在质子电场的作用下，真空微粒所构成的电偶极子的电矩（指向）将形成以质子为中心辐射向外的分布形状，即有了取向。因为真空微粒的内力远大于外力，所以虽有外场的作用，系统仍处于稳定状态。但是由于真空微粒的内部运动和外部电磁场或其他物质场（如引力场）的影响，会使真空微粒形成的“电偶极矩辐射场”受到波动，因此常有偏离稳定状态的情形。这样，处于上的电子受到轨道内圈的吸引和扰动，必然向质心方向运动。——这可能就是“最小能量原理”的物理本质。

（2）真光子的大小及其电磁场的空间范围。由于上电子的“径向速度”为零，上电子的径向速度也为零，这是不会发生跃迁的。因此，上的电子在从跃迁的过程中，必然在径向上有个先加速、后减速、最后等于零的过程。对于半径从nm到玻尔半径nm的径向距离，利用这一不确定关系、并代入，可得出（s）。如果电子从向方向加速就会引起真空微粒的响应即发生电磁扰动，而后的减速过程也同样引起电磁扰动。假如取（s），电子从到的时间内，真空微粒向外扰动的速度设为，则该电磁扰动（即电磁波）的范围为，约为nm（nm），所以真光子的“大小”为 nm左右。能级差愈大电子穿越的空间距离就越大，真光子的大小也就愈大。比如光子（ nm）的大小约为0.8～0.9 nm。在为0.1nm的似球形范围内电磁场的能量密度是不均匀的，其中、后部有重叠，因此中后部真空微粒的电磁扰动激烈且能量密度较大。

（3）真光子电磁能量和相对静止质量的来源。真空微粒的电磁扰动（或真光子电磁场）的能量不是由运动电子提供的，而是在电子加速或减速的过程中，从电子跃迁路径上真空微粒（）的湮没中产生的，其数量的多少由电子加速度和减速度的大小及其所用时间来确定的。可以认为在电子从的极短时间内其加速度和减速度的大小及其作用的时间相差无几。由此可以认为，在加速时或减速时电子都要失去各的静止质量，这些质量散落在一条近似的直线上。在这个过程中，电子散落质量所携带的电荷符号是不一样的，加速时共获得，而减速时共获得。因为两个重心间的距离必然小于0.1nm，所以真光子的核始终被电磁场所包围。这样我们就得到了上述关于真光子的结构模型。总而言之，一个真空微粒的湮没会提供与各一个，同时提供的电磁能量。由于真光子的电磁能量为，因此。其中，为湮没的真空微粒的个数，即。由此得

（4）一个不可回避的问题。即：两个为什么以同样的速度（）向一个方向运动？我们认为：真空微粒的聚散速度就是光速，真光子并不是在真空微粒中“穿行”。真空微粒的电磁扰动和聚散过程就像在空气中传播的声波一样，“声子”并没有在空气之中穿行，仅仅是空气分子的振动和聚散形态传递着振动。同样的道理，真空微粒的不断聚散形成两个等效的，看上去就好像是两个以绝对速度传播似的。至于光速的方向，我们认为，真空微粒似乎有一种抵抗加速度（或减速度）的性质，加速时与加速度的方向相反，减速时与减速度的方向相同，所以真光子的传播方向与其路径的方向相反。在太空中真光子的传播速度，会因为传播路径上“太空微粒”的状态不同，而受到一定程度的影响（如传播方向的改变等）。

上述讨论证明：真光子不仅具有不等于零的静止质量，而且还存在着内部结构。通过对真光子与真空微粒内部结构的定量讨论表明：真空的确不是“空无一物”的绝对真空，而是充满着传递相互作用的物质媒介（即玻色子凝聚态）。承认这一点，就可以从根本上解决现有理论无法解决的诸多问题，克服现有理论根本无法克服的各种逻辑谬误，就有望从根本上解决“统一场论”这个困扰了物理学多年的大问题。

参考文献

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Author: Ervin Laszlo, The whispering Pond, Translator: Qian-Zhaohua, pages 183～193, and 358~371.
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Xia-Xingguang, Generalized time-space theory of relativity, Beijing，pages 196~197.

Abstract: This article, firstly points out three essences supposes which they are independence each other, on the basic of the importance results have been discussed to the vacuum background and universal gravitation by the physics of 20^th century, that they have been introduced by above authors. Afterward start from these essences supposes, discussed separately to the structure model of vacuum quantum, the quantization parameter and the energy density, the structure model of genuine photons and its process of emission etc. that they are importance problems included in physics of light. Thereby, indicating that there are vacuum particulates which are transfer reciprocity in around the vacuum background, i.e. the boson’s condensed state. This result of the theory offers a newly study orientation for the consummate and development of the quantum mechanics, quantum field theory, quantum electrodynamics and the uniform field theory.

Key words: physics of light discuss to structure model of the vacuum particulate and genuine photons quantization parameter energy density unification field theory