物理学，换种思路寻统一

叶明山

一、终极理论梦难圆

统一地描述四种基本力，进而建立物理学的终极理论，是许多理论物理学家的梦想。现实情况却是，各种统一理论都有各自无法克服的困难，统一之路仍然不知在何方。是道路崎岖，还是走错了方向?换个角度思考，也许会有全新的发现。

理论物理学家们已对基本力的本质进行了探究，却并不能很好地将之统一在一起，笔者设想：如果改变一下思维方式，首先思考“假如没有基本力，物质世界将会怎样”这个问题，也许就会发现，建立终极理论之路就在眼前。

二、如果没有基本力

如果没有任何基本力，物质就不会有内部结构，不能形成“粒子”，而只是一些没有固定的大小和形状的物质微团；微团内部没有最小的“不可分割”的组成部分；微团之间是虚空；它们在相互碰撞中被分割或聚合，不断地改变大小和形状。

如果没有任何基本力，物质微团的运动形式只能是单纯的位置移动，运动速度大小相等且恒定不变，运动方向在相互碰撞中不断变化。物质微团的运动符合动量守恒定律。

显然，没有任何基本力的物质形态是一种特殊的气体。由于它是最低级最简单的物质形态，这里且称它为“元气”。

对于元气，我们一方面可以借用物理学现有的相关理论进行一些研究，另一方面，也要考虑到元气所特有的性质，去探索更合适、更有效的研究方法。下面，笔者对从元气到电子的演化过程作一些粗略推测，以期抛砖引玉。

三、一种遐想：奇妙的涡环链

笔者遐想：元气中偶尔会产生一些涡旋，如涡管、涡环等等。如果把元气涡旋看作最低级的物质结构的话，那么维系元气涡旋的力就是最初的基本力。

简单的涡旋并不能组成更高层次的物质结构。原因是，元气涡旋不能聚集成“固态”结构，而那些简单的元气涡旋也不能组成一个二次涡旋(即以许多小涡旋为内部组分的大涡旋)。两个涡环在匀速直线运动过程中可能会互相套在一起组成一个涡环链，涡环链虽不能聚集成“固态”结构，但却可能在一定条件下组成二次涡旋，进而一步步发展出世界万物。

涡环链的两个涡环有两种相反的套连方向，从而构成正反两种涡环链。任意规定其中一种为“正”，则另一种为“反”。正反涡环链之间不能相互转化。

每种涡环链中的两个涡环可以处于各种不同的相对位置。两个涡环可以尽量靠近，也可以尽量向两侧伸展。它们能以不同的角度相交，相交状态主要有线旋角动量近于平行、近于反平行的状态和介于两者之间的状态。各种状态之间可以相互转化——只要一个涡环相对于另一个涡环转动一定的角度。(见图)

两个涡环之间的相互诱导会使涡环链整体产生多种运动，其运动方式主要取决于两个涡环的相对位置。两涡环线旋角动量近于平行的涡环链会一边前进一边整体自旋，自旋角动量与涡环链平面相垂直，笔者在此将这种自旋称为面旋。线旋角动量反平行的涡环链是一边前进一边自旋，但自旋角动量与涡环链平面相平行，称这种自旋为体旋。线旋角动量相交叉的涡环链有可能作圆周运动，谓之周旋。此外，还有只前进不旋转和只旋转不前进等多种整体运动方式。正、反涡环链的各种自旋方向一一相反。涡环链与涡环链之间的磁撞会改变它们的前进方向或自旋状态。

宇宙中，无数涡环链不停地运动，不时地相撞。具有不同自旋态的涡环链之间既相互转化，又保持一定的数量比例，构成真空物质的第二个层次——基态的量子场。

四、对电子、电场和磁场形成的设想

涡环链既有正反之分，又有多个不同的自旋状态，并且其运动方向和自旋按照一定的规律变化，在此初步推断：它能够组成更高层次的物质结构。为了便于叙述，以下称涡环链为“旋子”。由于体旋态涡环链能够组成电子和电场，所以称体旋态涡环链为“电旋子”，并依据其自旋方向分为“正电旋子”和“负电旋子”。其他自旋态的涡环链统称为“中旋子”，中旋子也有正、反之分。

1．电子和电场

电子是由大量电旋子组成的又一层涡旋(二次涡旋)。正电子由正电旋子组成，负电子由负电旋子组成。

电场是真空中的电旋子分布不均的结果。真空是大量旋子组成的“海洋”。通常情况下，正负电旋子均匀分布，它们朝各个方向运动的概率也相同，这时真空中没有电场存在。但是，电子会影响真空中正负电旋子的分布密度和运动状态，因而在其周围有电场产生，此外，磁场强度变化也会影响真空中电旋子的运动状态，所以也会导致电场产生。

电子不断地与周围空间的旋子相互作用，既能够使周围的异性电旋子转变成中旋子，又能使周围的同性中旋子转变成电旋子，从而使周围的同性电旋子多于异性电旋子，产生一个以电子为中心，向外辐射扩展的电场。

当这个电场中的电旋子遇到别的带电粒子时，就与这个带电粒子内的电旋子相互诱导，结果双方的电旋子都改变运动方向。这时，如果是同性电旋子相遇，带电粒子内的电旋子的运动方向就向粒子内部偏转，带动粒子整体移动，产生同性相斥的效果；如果是异性电旋子相遇，则带电粒子内的电旋子的运动方向就向粒子外偏转，产生异性相吸的效果。

2．磁场及电磁感应

真空中，各种旋子的分布密度和运动状态大体上是均匀和各向同性的。但是，也可能会由某些原因使旋子形成群体流动，而这种群体流动即是磁场，流动方向即是磁场方向。旋子群体流动的原因可能是真空中的随机性涨落，但这样产生的流动通常规模很小。更主要的原因可能来自带电粒子中电旋子的有序运动对周围真空中旋子运动方向的影响。

磁场也反过来影响带电粒子中的电旋子的运动方向。在磁场中，如果电旋子的前进方向与旋子群体流动方向垂直，这时，电旋子会由于自身的体旋，一侧顺着磁场方向转动，阻力较小，另一侧逆着磁场方向转动，阻力较大，从而电旋子整体就向阻力较大的一侧翻滚。由于正负电旋子的体旋方向相反，所以它们在磁场中翻滚的方向也相反。磁场对电旋子的这种作用会使带电粒子产生整体运动，这就是磁力的本质。

磁场也会影响真空中正负电旋子的分布状态。在磁场中某处，如果一个正电旋子和一个负电旋子同向前进，并且前进方向与磁场方向垂直，那么如前所述，它们将侧向翻滚，且正电旋子的翻滚方向与负电旋子的翻滚方向相反，结果是两个电旋子向两侧分开。这说明，磁场会使得真空中原先均匀分布的正负电旋子分离开来，产生电场。不过在稳定的磁场中，这种作用虽然存在，但却不能显现出来。因为对于稳定磁场中的某一点来说，当该点的一侧有一个“正向”电场移过来的同时，另——侧也有一个“反向”电场向该点移来，两个电场正反相消。也就是说，磁场中处处都能分离出电场，但又都与相邻之处分离的电场正反抵消，显现不出来。只有在磁场强度变化时，分离的电场才能显现出来。

五、对宇宙背景辐射的猜想

真空中，旋子的分布密度和运动状态在大范围上是均匀和

各向同性的。但在小范围内，此起彼伏的不均匀性始终存在。这种不均匀会导致磁场和电场的产生。当某处朝某方向运动的旋子多于其它方向时，便形成了旋子的群体流动，也就是磁场。这个磁场又使原本均匀分布的正、负电旋子分开，产生电场；新产生的电场又在自身周围激起新的磁场：磁场和电场这样交替产生并向外传播，形成电磁波。一般地说，这样产生的电磁波的能量是很小的。真空中处处都可以自发地产生电磁波，形成宇宙微波背景辐射。

自发产生的磁场和电场在某些条件下还可能形成虚粒子，这些虚粒子成对产生，又很快湮灭。此外，实物粒子也可能从真空中自发产生，但其几率是非常之低的。

六、对河外星系光谱线红移的推测

元气中的物质微团在相互碰撞中被分割或被聚合，当元气的物质密度(这里特指单位体积的元气中，物质总体积与虚空总体积之比值)等于某一临界值时，物质微团被分割与被聚合的速度相等。如果密度小于临界值，分割速度就大于聚合速度，反之，亦然。

设密度临界值等于1。从对称性及其他方面推测，宇宙物质(包括元气及其涡旋)的总平均密度应该等于1。但由于在涡环链中，其环管是中空的，即涡环链中的物质密度小于周围空间中元气物质密度，所以元气物质密度就略大于1。因此，元气中物质微团的体积趋于增大，进而导致新产生的涡旋体积增大，由涡旋组成的更高层物质结构的质量和体积也相应增大，从这些物质结构中发出的光子的能量也相应增大，光谱线就逐渐紫移，而从遥远的河外星系中发出的光就相对地出现红移。

七、终级理论的必由之路

用一个或一组数学方程对包括引力在内的四种基本力进行统一描述是不太可能的事情。笔者认为：不能把某种有特定形态的物质(如粒子或“弦”等)当作最基本的物质形态。因为“特定形态”必须由基本力维系，所以它不可能是最基本的物质形态。因此，从没有任何基本力、没有任何特定形态的元气着手，去揭示基本力的微观机理，探究物质结构的发生和发展，也许是建立终极理论的可行之路。

最后要指出的是，终极理论既不是万物理论，也不是终极真理。宇宙具有层次式结构，而终极理论只是关于底部几个层次的理论。并且和其它科学理论一样，终极理论也有一个建立、发展和趋于完善的过程。