論基本粒子結構模型及波粒二象性的統一

毛逢銀

(四川理工學院，四川自貢643000)

論基本粒子結構模型及波粒二象性的統一

毛逢銀

(四川理工學院，四川自貢643000)

簡述了基本粒子模型的研究現狀，分析了目前被普遍關注的模型所面臨的問題及困難。從物質有限可分出發，根據辯證法“虛”與“實”的對立統一原則和中國古代“元氣論”，提出了一種自然可理解的基本粒子模型，其結構為真空物質形成的“自旋儲能體”。該模型真正統一了微觀粒子的波粒二象性，并由此解釋了基本粒子的自旋、質量、電荷及四種基本作用力的本質。最后提出了驗證該模型的實驗方案。

基本粒子；電荷；波粒二象性；真空；新以太；自旋儲能體

引言

人們對于物質世界的認識，其中最重要的方向之一就是對物質微觀結構的探索。隨著希格斯玻色子的發現，被認為是基本粒子標準模型中具有決定性的最后一塊拼圖已經完成，應該說該理論獲得了巨大成功。但非常遺憾的是，對于標準模型提出的夸克，至今也沒有找到它單獨存在的證據。而且，這些基本粒子到底是什么形狀，沒有得到合理的說明，有人把它們處理成“點狀”粒子，但這無法闡釋粒子之間的相互作用，因此，有人又提出基本粒子還有內部結構，認為夸克是由更小的亞夸克組成。那么，亞夸克之間又是如何相互作用，如此，只能認為亞夸克又由更低層次的物質組成。沿這一思路，最終會認為物質是無限可分的，這樣就不存在基本粒子問題了。但是，認為物質無限可分，又將面臨以下問題：(1)這樣的命題既不能被證明也不能被證偽[1]；(2)根據大家熟知的事實，少數低層次結構物質會組成更多種的高層次結構物質。那么，有限的低層次結構物質通過無限層次的組合，應該構成無限多種的高層次結構物質，只構成有限的高層次結構物質無法被理解(如：只構成了有限的亞原子結構層次)。

此外，目前受到普遍關注的其他理論，如弦(超弦)理論[2-3]、圈量子引力理論[4]、M理論及其他理論[5-6]，都不能很好回答上述問題，都只是在解決“是什么樣”，而無法闡明“為什么是這樣”。即使有所解釋，但往往賦予了基本粒子“智慧”能力或一些奇怪的特征。因此，本文通過構建簡單、可以被理解的基本粒子結構模型，來探索基本粒子為什么具有各種奧秘將有著重要意義。

1 目前基本粒子模型理論面臨的主要問題

被普遍接受的基本粒子的標準模型及其他具有一定影響力的基本粒子理論，主要是圍繞“粒子譜”構建，重點是建立數學物理方程。看似主要任務已經完成。但實際上還面臨如下三方面的問題。

(1)沒有構建出合理的粒子圖像，以至于無法理解粒子之間的相互作用，特別是“力”的傳遞。也不能很好地理解粒子之間的相互轉化過程以及“質能轉化”問題。不能解決物質是有限可分還是無限可分的問題。

(2)基本粒子的一些重要行為也無法理解。比如：目前被廣泛接受的正統的量子力學認為，基本粒子具有“波粒二象性”，即基本粒子既是“粒子”也是“波”，當檢測其粒子性時就表現出粒子性，當檢測波動性時就表現出波動性。但不能說明基本粒子為什么會有這樣的表現。因為，就目前人們對“粒子”和“波”的理解，這種看似不可調和的兩種性質同時出現在基本粒子身上是無法理解的，甚至是有矛盾的。雖然有人聲稱已經解決了這一矛盾[7]，但實際上是沒有真正解決，而是回避了這一矛盾。

(3)基本粒子的很多性質仍然無歸屬。比如：電荷，電荷的本質到底是什么？特別是夸克的分數電荷如何理解，它與粒子本身是一體的嗎？物質質量的本質是什么？還有各種“場”的引入，如電磁場、引力場、強力場、弱力場、希格斯場等。真空中充斥著各種為滿足不同需要的“場”，這些“場”的本質是什么？

2 構建新的基本粒子結構模型遵循的原則

首先，應該遵循簡單、自然和可理解原則。即認為物質世界的構成應該是由簡單到復雜，由低級到高級的過程；同時微觀粒子世界是可以被人們理解、認知的。因此，必須認為物質是有限可分的。

其次，構建基本粒子模型應該合理解釋已經被證實了的物理過程和現象。如“波粒二象性”和“質能轉化”等。

最后，應充分重視真空不空這一事實[8]。特別是有部分學者提出應該恢復“以太”。如：早在1970年，狄拉克就指出：以太觀念并沒有死掉，它不過是一個還未發現有什么用處的觀念，只要基本問題仍未得到解決，必須記住這里還有一種可能性；愛因斯坦在以太問題上也曾猶豫不定，1920年，他在題為《以太和相對性原理》的演講中提出：根據廣義相對論，空間沒有以太是不可思議的。在這種(空虛的)空間中，不但光不能傳播，而且量桿和時鐘也不可能存在，因此也就沒有物理意義上的空間-時間間隔。因此，以太是存在的。

3 新的基本粒子結構模型及主要推論

綜上所述，再結合辯證法之對立統一規律(物質與空間、物質的實與虛的統一)和中國古代元氣論的思想“聚則成形，散則成氣”認為，自然、合理的基本粒子結構模型應該是充斥真空中的一種物質(這種物質不可再分，是宇宙物質的最小單元并處于不停的無規則的運動中，但它應該只具備最基本的屬性，如其大小接近于零，但人類無法通過實驗測量它的大小；它在空間上自由運動，相互之間發生完全彈性碰撞，而不應該賦予它非常特別的性質，與以前的“以太”相似但又不一樣，所以把它命名為“新以太”)的“新”的運動形式，即有一定長度的“自旋儲能體”(運動機理類似“龍卷風”)。能量在真空“新以太”中以光速傳播表現為“氣”，當它以自旋形式存儲能量時則表現為“形”，就是實物粒子。根據這一推測認為它的結構主要有以下幾種：

(1)大尺度“開式”自旋儲能體結構粒子(圖1 )。

圖1 大尺度開式結構粒子模型示意圖

在自旋平行(指自旋儲能體兩端)和垂直兩個方向上可以與周圍環境交換能量，即在平行方向吸收能量，在垂直方向釋放能量，相反，在平行方向釋放能量，則在垂直方向吸收能量；當然，兩個方向交換能量的方式完全不一樣，即在垂直方向是以波動方式交換能量，作用范圍是“長程”的(產生電磁力和引力作用)，而在平行方向則是以不穩定的“環形能量流”形式交換能量，作用范圍是“短程”的(產生強力和參與弱作用力)。因此，這種基本粒子參與已知的四種力的作用。當能量交換平衡時就成為穩定粒子，如質子和反質子；當能量交換不能達到平衡時就成為不穩定粒子，如某些不穩定的強子。

(2)小尺度“開式”結構粒子(圖2 )。

圖2 小尺度開式結構粒子模型示意圖

它在旋轉的垂直方向上與周圍環境的能量交換方式同前，而在平行方向上只存在弱的能量流交換，即在自旋體兩端存在弱能量交換。因此，這種基本粒子只參與已知的弱力、電磁力及引力的作用。當能量交換平衡時就成為穩定粒子，如：電子及正電子，當能量交換不能達到平衡時就成為不穩定粒子，如某些不穩定的介子。

(3)“閉合式”結構粒子(圖3 )。

圖3 閉合式結構粒子模型示意圖

要形成閉合結構，其儲能必須非常小，因此，它具有極其微小的質量，且結構非常穩定，一般不與周圍交換能量，因此以近光速傳播，并且不顯示電荷的特性，主要參與弱作用。如：各種中微子。

很自然，還應該存在一類短壽命的中性能量流，它將影響強作用與弱作用。至于光子的結構完全不同于上述基本粒子，需要另文專門論述。還可能存在更復雜結構的粒子，如分叉型開式結構，但這些應該是不穩定結構粒子。

4 結論或推論

(1)“自旋儲能體”的自旋是穩定基本粒子必需的屬性，而不是目前人們認為的存在更低一層次結構的證據；儲能的多少對應粒子質量的大小；垂直方向能量的不同交換方式(吸收或釋放能量)對應粒子的不同電荷，不存在特別的電荷物質。大尺度開式“自旋儲能體”粒子，從結構上看，應該是由自旋主體和兩端大小相同的“非穩定的環形流”組成，但很清楚的是這三個部分是一體的，不能獨立存在。“自旋儲能體”基本粒子模型與“弦”理論模型相似，但又有本質的區別，它不是一維弦而是一個有一定大小的三維弦。目前人們在處理微觀粒子問題時，沒有考慮粒子的大小(實際上，絕不可能為零)，自然會遇到無窮大等問題。人們所說的黑洞應該就是一個更大尺度的自旋儲能體，而不是一個大小為零的奇點。

(2)該模型真正把基本粒子的波粒二象性統一了。即微觀粒子是同時具有粒子性和波動性(而不是人們理解的一會兒是“波”一會兒是“粒子”)。它的能量主要集中在空間一定的區域，但又與空間及物質之間以波動方式保持無限聯系。如電子在通過雙縫時，電子的自旋主體確實是通過了某一條狹縫，但它的能量卻是同時通過兩條狹縫的(與徳布羅意的“導航波”詮釋相似)。另外，可以理解物體在新以太中做勻速運動時為什么沒有阻力，也不會拖曳新以太，只有在物質粒子能量集中區對新以太的密度有一定的影響(以前人們的認識錯誤在于把真空物質和實物粒子截然分開了，所以需要賦予以太非常奇怪的性質)。還可以很好理解處于自由狀態下的基本粒子不是絕對靜止的。

(3)不存在負能量及負質量物質。目前所說的某粒子的“反粒子”是指儲能的大小一樣，與周圍空間能量的交換不同，表現為電荷相反，質量壽命相等。磁現象則是所謂帶電粒子運動的結果，因此，不存在磁單極子。

(4)穩定的基本粒子應該只有四類(包含光子)，其他不穩定粒子是它們的復合粒子或“共振態”(不穩定的中性流除外)，如：自由中子，應該是復合粒子，它的穩定性與環境有一定相關性。可以通過實驗來驗證：自由中子的平均壽命會隨環境溫度的變化而略有變化，即環境溫度越低，其平均壽命略微變長，環境溫度越高平均壽命略微變短。因此，在目前找到的不穩定基本粒子的能量區間內還能找到更多新的粒子。

(5)四種作用力都通過“新以太”物質進行傳遞。引力和電磁力的傳播是由“新以太”中的波動能量實現，因此，它們的傳播速度為真空中的光速(不存在超距作用，在較大尺度上表現出均勻性)。可以推論：各種電磁相互作用都會影響物體的重量，如磁場、電場及熱作用都會改變物體的重量。反過來，重力場也會影響電磁作用，但這種影響十分弱小，除非是在引力場相差很大的情況下才能觀察到這種效應；強力和弱力是通過交換不穩定的“新以太流”實現，它很快就與周圍的新以太融合，所以作用距離很短，表現為短程力并具有方向性。這為大統一理論的研究提供了依據。當然，這種大統一不是統一為一種力，而是四種力統一在一種“新以太場”中。說明長程的電磁作用可以影響短程的弱作用。另外，不存在宇宙斥力，目前檢測到宇宙在加速膨脹的原因將另文論述。

對于該基本粒子結構模型可以通過實驗進行驗證。質子與質子或反質子與反質子微小角度散射實驗(圖4 )。

圖4 質子或反質子小角度散射示意圖

其作用距離及強度會與目前的實驗不相同，還可能會出現質子的“二聚體”(這一點是該模型的主要判據實驗)，只要條件合適，甚至會出現多聚體。而反質子則不會出現上述情況。如果實驗得到證實，就可以真正破解反物質消失之謎。另外，該模型能很好解釋目前所做的高能對撞實驗中只產生很少的有效事例(其原因是電子或質子等在運動方向的垂直面上有方向性，而用它們進行對撞實驗時，沒有考慮保持在該平面上方向性一致性的問題，所以絕大部分只是發生彈性碰撞，當然在“小角度散射”實驗中也應該考慮這一問題)。

5 結束語

本文從哲學的高度出發并依據一些已知的關于微觀世界的實驗事實，構建了基本粒子“自旋儲能體”結構模型。由于條件的限制，目前缺乏判據性實驗支持，因此，未作深入的推斷。但如果被實驗證實，它將對基本粒子、高能物理、量子力學、宇宙學甚至是相對論等領域的研究產生廣泛的影響。最重要的是，在現階段的物理學前沿研究中，換一種思路探索微觀世界一定會有新的發現。

[1]薛曉舟,張會.現代物理學哲學問題.開封:河南大學出版社,1996.

[2]POLCHINSKI J.String Theory.London:Cambridge University Press,1998.

[3]GREEN M B,SCHWARY J H,WITTEN E.Superstring Theory.London:Cambridge University Press,1999.

[4]沈致遠.圈弦之爭：基本粒子研究進入戰國時代.科學,2007(3):42-45.

[5]馮詩齊.11個物理難題牽涉的11種基本粒子.科學世界,2012(5):12-15.

[6]姚遠.統一論的物質基礎.科學前沿,2010(16):66-78.

[7]邵建軍.論光子和粒子的物理圖像.湖北教育學院學報,2000(5):21-28.

[8]薛曉舟,張會.粒子物理學和哲學物質觀.自然辯證法研究,1992(10):1-9.

Discussion About the Structural Model of Fundamental Particle and Wave-Particle Duality

MAOFengyin

( Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

The current situation of fundamental particle model is discussed, and the related problems and difficulties are analyzed. Starting from the substance finite separation and regarding that the structure of fundamental particles as self-spin energy container formed by vacuum substance, the mass and charge of particles, as well as the essence of wave-particle dualism is determined. Finally, an experimental scheme is proposed to validate the model.

fundamental particles; charge; wave-particle dualism; vacuum; new ether; self-spin energy container

2016-12-13

毛逢銀(1966-)，男，重慶開縣人，教授，主要從事表面活性劑及助劑的合成與應用方面的研究，長期堅持探索基本粒子結構之謎，(E-mail)806631564@qq.com

1673-1549(2017)01-0097-04

10.11863/j.suse.2017.01.19

O752.32

A

《爭鳴論文》

編者按：作者根據簡單、自然、可理解原則，結合已經被證實了的物理過程和現象(如微觀粒子的波粒二像性、質能轉化以及真空不空等事實)，以及中國古代元氣論的思想——“聚則成形，散則成氣”，提出了類似龍卷風運行機制的基本粒子結構模型。該模型能很好地闡明微觀粒子的電荷、質量及相互作用的“長、短程力”等本質問題，并提出了三類驗證實驗。這些是目前同類理論模型所不具備的。作者用完全不同的思路，以解決“為什么”為前提，提出了基本粒子的“真實”模型，這是一種全新的嘗試。如果作者提出的實驗得到驗證，將對理論物理學研究產生重要影響并帶來新的研究方向。由于該模型的研究還處于初步階段，需要建立相應的數學模型進行求解，因此希望更多的研究者對其關注、參與與討論。