物理學，換種思路尋統一

葉明山

一、終極理論夢難圓

統一地描述四種基本力，進而建立物理學的終極理論，是許多理論物理學家的夢想。現實情況卻是，各種統一理論都有各自無法克服的困難，統一之路仍然不知在何方。是道路崎嶇，還是走錯了方向?換個角度思考，也許會有全新的發現。

理論物理學家們已對基本力的本質進行了探究，卻并不能很好地將之統一在一起，筆者設想：如果改變一下思維方式，首先思考“假如沒有基本力，物質世界將會怎樣”這個問題，也許就會發現，建立終極理論之路就在眼前。

二、如果沒有基本力

如果沒有任何基本力，物質就不會有內部結構，不能形成“粒子”，而只是一些沒有固定的大小和形狀的物質微團；微團內部沒有最小的“不可分割”的組成部分；微團之間是虛空；它們在相互碰撞中被分割或聚合，不斷地改變大小和形狀。

如果沒有任何基本力，物質微團的運動形式只能是單純的位置移動，運動速度大小相等且恒定不變，運動方向在相互碰撞中不斷變化。物質微團的運動符合動量守恒定律。

顯然，沒有任何基本力的物質形態是一種特殊的氣體。由于它是最低級最簡單的物質形態，這里且稱它為“元氣”。

對于元氣，我們一方面可以借用物理學現有的相關理論進行一些研究，另一方面，也要考慮到元氣所特有的性質，去探索更合適、更有效的研究方法。下面，筆者對從元氣到電子的演化過程作一些粗略推測，以期拋磚引玉。

三、一種遐想：奇妙的渦環鏈

筆者遐想：元氣中偶爾會產生一些渦旋，如渦管、渦環等等。如果把元氣渦旋看作最低級的物質結構的話，那么維系元氣渦旋的力就是最初的基本力。

簡單的渦旋并不能組成更高層次的物質結構。原因是，元氣渦旋不能聚集成“固態”結構，而那些簡單的元氣渦旋也不能組成一個二次渦旋(即以許多小渦旋為內部組分的大渦旋)。兩個渦環在勻速直線運動過程中可能會互相套在一起組成一個渦環鏈，渦環鏈雖不能聚集成“固態”結構，但卻可能在一定條件下組成二次渦旋，進而一步步發展出世界萬物。

渦環鏈的兩個渦環有兩種相反的套連方向，從而構成正反兩種渦環鏈。任意規定其中一種為“正”，則另一種為“反”。正反渦環鏈之間不能相互轉化。

每種渦環鏈中的兩個渦環可以處于各種不同的相對位置。兩個渦環可以盡量靠近，也可以盡量向兩側伸展。它們能以不同的角度相交，相交狀態主要有線旋角動量近于平行、近于反平行的狀態和介于兩者之間的狀態。各種狀態之間可以相互轉化——只要一個渦環相對于另一個渦環轉動一定的角度。(見圖)

兩個渦環之間的相互誘導會使渦環鏈整體產生多種運動，其運動方式主要取決于兩個渦環的相對位置。兩渦環線旋角動量近于平行的渦環鏈會一邊前進一邊整體自旋，自旋角動量與渦環鏈平面相垂直，筆者在此將這種自旋稱為面旋。線旋角動量反平行的渦環鏈是一邊前進一邊自旋，但自旋角動量與渦環鏈平面相平行，稱這種自旋為體旋。線旋角動量相交叉的渦環鏈有可能作圓周運動，謂之周旋。此外，還有只前進不旋轉和只旋轉不前進等多種整體運動方式。正、反渦環鏈的各種自旋方向一一相反。渦環鏈與渦環鏈之間的磁撞會改變它們的前進方向或自旋狀態。

宇宙中，無數渦環鏈不停地運動，不時地相撞。具有不同自旋態的渦環鏈之間既相互轉化，又保持一定的數量比例，構成真空物質的第二個層次——基態的量子場。

四、對電子、電場和磁場形成的設想

渦環鏈既有正反之分，又有多個不同的自旋狀態，并且其運動方向和自旋按照一定的規律變化，在此初步推斷：它能夠組成更高層次的物質結構。為了便于敘述，以下稱渦環鏈為“旋子”。由于體旋態渦環鏈能夠組成電子和電場，所以稱體旋態渦環鏈為“電旋子”，并依據其自旋方向分為“正電旋子”和“負電旋子”。其他自旋態的渦環鏈統稱為“中旋子”，中旋子也有正、反之分。

1．電子和電場

電子是由大量電旋子組成的又一層渦旋(二次渦旋)。正電子由正電旋子組成，負電子由負電旋子組成。

電場是真空中的電旋子分布不均的結果。真空是大量旋子組成的“海洋”。通常情況下，正負電旋子均勻分布，它們朝各個方向運動的概率也相同，這時真空中沒有電場存在。但是，電子會影響真空中正負電旋子的分布密度和運動狀態，因而在其周圍有電場產生，此外，磁場強度變化也會影響真空中電旋子的運動狀態，所以也會導致電場產生。

電子不斷地與周圍空間的旋子相互作用，既能夠使周圍的異性電旋子轉變成中旋子，又能使周圍的同性中旋子轉變成電旋子，從而使周圍的同性電旋子多于異性電旋子，產生一個以電子為中心，向外輻射擴展的電場。

當這個電場中的電旋子遇到別的帶電粒子時，就與這個帶電粒子內的電旋子相互誘導，結果雙方的電旋子都改變運動方向。這時，如果是同性電旋子相遇，帶電粒子內的電旋子的運動方向就向粒子內部偏轉，帶動粒子整體移動，產生同性相斥的效果；如果是異性電旋子相遇，則帶電粒子內的電旋子的運動方向就向粒子外偏轉，產生異性相吸的效果。

2．磁場及電磁感應

真空中，各種旋子的分布密度和運動狀態大體上是均勻和各向同性的。但是，也可能會由某些原因使旋子形成群體流動，而這種群體流動即是磁場，流動方向即是磁場方向。旋子群體流動的原因可能是真空中的隨機性漲落，但這樣產生的流動通常規模很小。更主要的原因可能來自帶電粒子中電旋子的有序運動對周圍真空中旋子運動方向的影響。

磁場也反過來影響帶電粒子中的電旋子的運動方向。在磁場中，如果電旋子的前進方向與旋子群體流動方向垂直，這時，電旋子會由于自身的體旋，一側順著磁場方向轉動，阻力較小，另一側逆著磁場方向轉動，阻力較大，從而電旋子整體就向阻力較大的一側翻滾。由于正負電旋子的體旋方向相反，所以它們在磁場中翻滾的方向也相反。磁場對電旋子的這種作用會使帶電粒子產生整體運動，這就是磁力的本質。

磁場也會影響真空中正負電旋子的分布狀態。在磁場中某處，如果一個正電旋子和一個負電旋子同向前進，并且前進方向與磁場方向垂直，那么如前所述，它們將側向翻滾，且正電旋子的翻滾方向與負電旋子的翻滾方向相反，結果是兩個電旋子向兩側分開。這說明，磁場會使得真空中原先均勻分布的正負電旋子分離開來，產生電場。不過在穩定的磁場中，這種作用雖然存在，但卻不能顯現出來。因為對于穩定磁場中的某一點來說，當該點的一側有一個“正向”電場移過來的同時，另——側也有一個“反向”電場向該點移來，兩個電場正反相消。也就是說，磁場中處處都能分離出電場，但又都與相鄰之處分離的電場正反抵消，顯現不出來。只有在磁場強度變化時，分離的電場才能顯現出來。

五、對宇宙背景輻射的猜想

真空中，旋子的分布密度和運動狀態在大范圍上是均勻和

各向同性的。但在小范圍內，此起彼伏的不均勻性始終存在。這種不均勻會導致磁場和電場的產生。當某處朝某方向運動的旋子多于其它方向時，便形成了旋子的群體流動，也就是磁場。這個磁場又使原本均勻分布的正、負電旋子分開，產生電場；新產生的電場又在自身周圍激起新的磁場：磁場和電場這樣交替產生并向外傳播，形成電磁波。一般地說，這樣產生的電磁波的能量是很小的。真空中處處都可以自發地產生電磁波，形成宇宙微波背景輻射。

自發產生的磁場和電場在某些條件下還可能形成虛粒子，這些虛粒子成對產生，又很快湮滅。此外，實物粒子也可能從真空中自發產生，但其幾率是非常之低的。

六、對河外星系光譜線紅移的推測

元氣中的物質微團在相互碰撞中被分割或被聚合，當元氣的物質密度(這里特指單位體積的元氣中，物質總體積與虛空總體積之比值)等于某一臨界值時，物質微團被分割與被聚合的速度相等。如果密度小于臨界值，分割速度就大于聚合速度，反之，亦然。

設密度臨界值等于1。從對稱性及其他方面推測，宇宙物質(包括元氣及其渦旋)的總平均密度應該等于1。但由于在渦環鏈中，其環管是中空的，即渦環鏈中的物質密度小于周圍空間中元氣物質密度，所以元氣物質密度就略大于1。因此，元氣中物質微團的體積趨于增大，進而導致新產生的渦旋體積增大，由渦旋組成的更高層物質結構的質量和體積也相應增大，從這些物質結構中發出的光子的能量也相應增大，光譜線就逐漸紫移，而從遙遠的河外星系中發出的光就相對地出現紅移。

七、終級理論的必由之路

用一個或一組數學方程對包括引力在內的四種基本力進行統一描述是不太可能的事情。筆者認為：不能把某種有特定形態的物質(如粒子或“弦”等)當作最基本的物質形態。因為“特定形態”必須由基本力維系，所以它不可能是最基本的物質形態。因此，從沒有任何基本力、沒有任何特定形態的元氣著手，去揭示基本力的微觀機理，探究物質結構的發生和發展，也許是建立終極理論的可行之路。

最后要指出的是，終極理論既不是萬物理論，也不是終極真理。宇宙具有層次式結構，而終極理論只是關于底部幾個層次的理論。并且和其它科學理論一樣，終極理論也有一個建立、發展和趨于完善的過程。