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质电统一理论
质电统一理论
上海市宝山中学严正岗
[内容提要]：
1、将万有引力定律和库仑定律看成是同一定律，原理上就导致了电量和质量的同一性，类电磁理论证明了它的可能性。
2、用虚拟实验导出了质电统一理论的内容：
质量和电量在本质上是相同的；电是超光速运动的产物；质和电是存在于两个截然不同的速度世界的；质量和电量是静质在不超光速和超光速运动中的表象。
3、将本理论应用到基本粒子的研究上，得到基本粒子的结构构造。
由此得到以下结论：
（1）微观粒子一定是量子化的，基本粒子确实服从泡利原理或色量子原理。
（2）量子力学波函数所描述的基本粒子在空间出现的几率，本质是电磁波的运动和快子在宇宙中丰度的一个概率值的综合结果。
（3）物质世界的本原是光子和快子。
[关键词]：
宇宙斥力质电统一理论类电磁理论虚拟实验超光速运动基本粒子的结构快子物质世界的本原
一引言
传统的基本粒子理论认为，电量和质量是物质粒子的两个基本属性，它们是不相关的。
因为惯性质量反映的是物质粒子惯性大小的物质因素；引力质量反映的是物质粒子间万有引力大小的物质因素；而电量反映的是物质粒子库仑力大小的物质因素。
虽然前两者已被实验证明是同等的，但电量和质量却被认为是无关系的。
可我们认为后两者也是有紧密关系的，理由有以下三点：
1、如果电量和质量是无关系的，那么自然界里应该存在等质量而不等电量的基本粒子，即有
和
的存在，但从来就没有发现它们的踪影；2、万有引力定律和库仑定律的数学一致性，我们猜测引力和电力可能是统一的，因而电量和质量是有关系的，是存在着内在的联系的（其实我们更认为，所有的描述基本粒子基本属性的物理量都是有关系的，包括自旋量和量子量）；3、虽然没有实验能直接证明理由2的猜测，但由质电统一理论的推论——类电磁理论能解释天文学的观察现象，这就间接地证明了这种关系是确实存在的。
同时不用广义相对论，类电磁理论还能说明宇宙膨胀的动力原因。
另外如果质电统一理是正确的话，那它将进而解决基本粒子的结构、量子理论（波函数）的决定论本质及物质世界的本原是什么等诸问题。
本文将对上述理由的第三点进行说明，在这基础上引入质电统一理论。
二类电磁理论对天文学观察现象的解释
麦克斯韦的电磁理论是相对论不变性的，这在电磁学理论里是很重要的。
因为电磁学一切现象的解释所用到的理论就只有两个，一个是库仑定律，另一个是狭义相对论理论的。
因为磁现象的本质是电现象的狭义相对论效应。
同样如果质和电是同一的，那么非电磁学的一切现象其解释也只有两个，即一个是万有引力定律，另一个是狭义相对论。
朝着这个思路我们认为，运动的物质能产生类磁现象（也即有类磁场存在），而类磁场也是引力场的狭义相对论效应引起的。
这样，我们用类比的方法就可以对天文学观察到的现象进行解释。
这里广义相对论的四大经典实验就是最好的例子。
广义相对论认为，在引力场中的物体，在不受其它力作用时，总是沿着四维时空的短程线运动的；从三维空间来看，物体是沿着弯曲的途径作惯性运动的。
它的结论是，三维空间由于质量的存在而弯曲，由此它解释了四大经典实验现象和宇宙的膨胀。
我们认为宇宙空间并非弯曲，宇宙的运动应该由所有宇宙物质的引力场和由它们的运动产生的类磁场来支配。
下面就几个典型的天文学现象及宇宙的膨胀进行解释说明。
1光在引力场中的折弯现象
银河系和其它星系一样，由于宇宙的膨胀而在高速地运动着。
在地球上已观察到其它星系的高速退行，证明了银河系也应该有能和真空中光速相比拟的运动速度，处在银河系内的太阳的速度是和银河系基本一样的。
将宇宙的中心看成是一绝对惯性系的原点，u为运动的银河系相对于该原点的速度，我们来研究运动的太阳所产生的引力场和类磁场及它们对其它质点的力。
将质量为M的太阳看成质点，和电现象类似，则恒定运动的质点的场[1]为
（2.1）
r/和θ/为绝对惯性系测量的场源和场点的距离和角度。
用电磁学高斯CGS单位制，引力场和类磁场对质点m/的合力，可简单地表示为
（2.2）
由于实际的测量点是在黄道平面上的地球，所以直接用式（2.1）计算是较为困难的，简便的方法是将式（2.2）转换为太阳系的关系式。
因此我们必须将引力场和类磁场及合力在太阳系和绝对惯性系进行两次变换。
设黄道平面在空间直角坐标系的x=kz平面上，太阳在原点，
太阳的绝对运动方向为x方向。
我们来考察在第一卦限距离为rp
r的点p，如图1所示。
又设Ex、Ey、Ez为太阳引力场E=GM/r2
的三个分量，类似电场和磁变场的变化关系，在绝对惯性系中，太阳ux
太阳的电场和磁变场[2]为0θ
Ex/=Ex=GMRcosθ/r3、Ey/=γEy=γGMy/r3、
Ez/=γEz=γGMRsinθ/r3
B/x=0、B/y=βEz/=γβGMRsinθ/r3、z
B/z=-βEy/=-γβGMy/r3（2.3）图1
γ=
，R为太阳的半径，u为太阳的绝对运动速度，tgθ=k，β=u/c。
而力的变化式为
Fx=Fx/、Fy=γFy/、Fz=γFz/（2.4）
为了能说明光在引力场中的折弯现象,考察光的方向是为正y方向的即
，且距太阳为R
所以由式（2.2）式（2.3）式（2.4）可得
因为光方向的力不影响光的偏折，所以我们不需考察它。
在黄道平面上使光折弯的力为
（2.5）
m/为光子绝对系的动质量，它和太阳系光子的关系是由多普勒横向效应m/=γm决定的。
因为实际测量出光线偏转角很小，所以可以用冲量近似方法计算。
求得的光线的偏转角度其结果[3]为φ=
，其中
的计算结果是0.87，实际值为1.75，所以系数k=2。
由于θ未知，所以太阳的绝对速度不能直接求得。
若θ=0，可得u=0.866c；若θ=90，可得u=0.454c。
这说明当银河系小于0.866倍光速和大于0.454的光速运动时，太阳对光线的作用力都可能使光线在通过太阳时发生了1.75//的偏转。
实际上光线在通过太阳时发生的偏角，是随银河系的运动方向和光运动的方向的夹角改变而改变的。
若光的方向不是正y方向的，则在不同时间里测量不同的星光，其偏转角可能是不一样的。
要精确得到银河系的运动速度，最好是用一般的方法，但其运算较为复杂。
（不过大量的实验告诉我们，光线的偏转视乎没有较大的变化，在统计范围内应该是没有变，这意味着太阳系的绝对速度方向应该和黄道平面垂直。
如果这样，那θ=90，u=0.454c。
）本文没有这样做，是因为我们并非要得到银河系的运动速度，只是为了要说明类电磁理论也能解释光在引力场中的折弯现象，进而说明本理论也是有实验依据的。
2类磁效应对水星进动的非广义相对论解释
人们对太阳黑子活动的仔细研究，发现在太阳表面有较缓慢的自旋。
由于它是一个巨大的流体球，内部的自旋可能是很快的，因此它可能会有明显的类磁效应，水星的进动正是这种类磁效应的微扰结果。
用以上的类似方法[4]我们能得到，太阳对水星产生的类磁力为
（2.6）
式中M为太阳的质量，而ω和R分别为它的旋转角速度和半径，m和r分别为水星的质量和水星到太阳的距离，v为水星的轨道（在x-y平面）速度，G为万有引力恒量，c为真空中的光速，
为Z轴方向的单位矢，如图2所示。
那么，式（2.6）是如何来解释水星的进动的呢？
而水星的进动如果全是太阳的类磁力作用而产生的，那么太阳的平均自旋角速度又应该有多大呢？
水星受到的太阳的万有引力和类磁力的合力为y
vF
太阳rx
为水星运动的加速度矢量。
用平面极坐标系，并注意到zω
在r和θ各有一项分量，上式可分图2水星的轨道及水星受到太阳万有引力
为两个式子，即和类磁力的合力
上两式中
，式（2.8）消去dt，并做一次积分，有
（2.9）A为积分常数。
考虑到水星的进动是微小的量（α
是一个很小的量，在式2.7中可忽略），将θ表示为θ1+θ2，θ1为椭圆轨道的量，θ2为进动的量，式（2.7）和式（2.9）又可分为三式，即
（2.11）
（2.12）
式（2.10）、式（2.11）为椭圆轨道方程，式（2.12）为椭圆轨道附加的运动方程。
这样A就为不考虑水星进动时的角动量除以水星的质量，既A=J/m。
将上两式消去dt，有
（2.13）
我们注意到水星椭圆轨道方程为
，e为椭圆轨道的偏心率，B为GMm2/J2，因为J2=I（1-e2）GMm2，因此
，I为半长轴。
所以式（2.13）在0--2π的积分为
将各常数代入，可得水星运动一周的进动量为θ=1.211×10-5ω（rad）。
若太阳的平均角速度为4.135×10-2rad/s，则每世纪的进动量为θ=43（角秒），这就和实验的测量值相吻合。
这里我们所假设的太阳的平均角速度为4.135×10-2rad/s是有合理的因素的。
因为太阳的平均密度为1.409×103kg/m3是地球的四分之一，这说明其表面是密度并不大的大气，因此，它受到太阳内核旋转牵引作用并不大。
这样我们可以认为，虽然太阳内部有巨大的自旋，但其表面的可测值就可能为2.865×10-6rad/s。
另外太阳内核的高速旋转正好能说明太阳核燃烧的稳定性。
因为太阳内由于离心力和类磁力的存在，部分抵消了太阳的引力作用，所以太阳的核心的压强并不大。
我们知道太高的温度和压强可使核燃烧是爆炸型的，这样太阳就不可能稳定地燃烧了50亿年了。
这正是太阳能够稳定存在的根本原因。
3宇宙的膨胀现象的原因说明
类磁效应更为体现在宇宙的膨胀方面。
这和本人在水星进动的非广义相对论解释的道理一样，都是同向转动物体具有的排斥力（并非惯性力）的缘故。
可以证明[5]膨胀的宇宙总体必然是在旋转的，且宇宙在膨胀之初径向速度为零，横向速度接近光速。
所以我们认为正是因为宇宙膨胀之初的极大的横向速度，才是产生宇宙斥力及使宇宙膨胀的主要原因。
那么宇宙斥力理论有没有实验的佐证呢？
有两个,一个就是水星的进动事实反过来对本理论的证实；第二个是1997年发现的超新星“1997ff”的亮度是大爆炸理论的两倍的实验事实。
要解释这个现象，只有认为宇宙膨胀之初径向速度很小时，那么它的平均速度就可能比较小，星系跑的距离也就不会大，因此才有目前它的亮度的测量值。
以上所述，不仅说明了广义相对论并非是唯一能解释天文观察现象的正确的理论；更是为了说明运动物质有类磁效应，它和运动电荷的磁效应是一样的。
后者告诉我们一个可能存在的事实——质量和电量是具有内在的联系的。
三虚拟实验及质电统一理论之内容
我们看到了万有引力定律和库仑定律的数学一致性，也知道了类磁效应和磁效应都是这两个定律的狭义相对论效应，他们是一脉相承的。
因此，我们有理由相信，质量和电量在本质上是相同的。
那么为什么在感觉上它们是截然不同的呢？
我们生活在常速情况下，我们也不可能人为地超光速，更有甚者，爱因斯坦的著名公式m=m0
禁锢了人们的思想多年，以为自然界不存在超光速的问题。
其实超光速现象是天然存在的，只不过我们不能发现它或它存在于另外一个表象[8]中。
我们的理论研究将揭示这一规律。
由于我们不能人为地超光速，所以只能通过一个假想的虚拟实验来得到它——如果我们能先念地认为质量和电量是相同的、认为万有引力定律和库仑定律是同一个定律、而狭义相对论是正确的理论的话。
设A、B两质点质量均为m，被紧固在速度为v的某一惯性系Z中，使另一个静止的观察者看到它们的距离始终不变，则A、B两质点的万有引力为
（3.1）
m0为A、B在惯性系Z的静质量。
当惯性系Z的运动速度变大时，由于质量是随速度的改变而改变的，使得A、B两质点的万有引力也随之增大。
当惯性系Z的速度超过光速时，式（3.1）的表象性质就发生了改变，不仅引力变成了斥力，而且随速度的增大，力变得更小。
如果我们认为质和电是同一的，万有引力定律和库仑定律也是同一的，那么，式（3.1）就是两个相同电荷的作用力了，也就是说质变成了电。
将式（3.1）和库仑定律公式F=kQ2/r2比较，我们会发现质量和电量的转换关系为
Q=
m（3.2）
这就是质和电的内在关系。
上式表明在不超光速的情况下，质量是虚的电量，而电量也就是虚的质量。
另外上式也可写为
Q=
m0
当ⅴ＞c时，上式是实数，这表明电的本质是质量。
也就是说当物体的速度超过光速时，物体的质的表象就变为实电的表象。
更有趣的是超光速的运动越大，电量也就越小；当速度达无穷大时物质就消失了。
当然不能人为地超光速，也就是说不能人为地将质变成了电（质和电在自然界的存在是天生），因此质和电是永远不能互换的。
有一个事实必须说明，麦克斯韦的电磁理论是相对论不变性的，这个结论的条件是电量是不变的。
可上式告诉我们电量是可变的，那相对论会有问题吗？
不会。
因为在电现象里非光速是远远小于超光速的，电荷的速度变化不影响上式中的本征速度，可以认为电量是不变的。
由此我们认识到，电是超光速运动的产物，质和电是存在于两个截然不同的速度世界的。
质量和电量是静质在不超光速和超光速运动中的表象。
四基本粒子的结构
将质电统一理论应用到基本粒子的研究上，我们就能得到基本粒子的结构构造。
其实我们还未给基本粒子下定义，但现在我们仍然沿用传统的方法，认为基本粒子可分类为带电的和不带电的，仍然认为带电的粒子是自旋的而且质体是刚性的。
那么根据以上理论，我们可以得到一个基本的结论，带电的基本粒子边缘一定是超光速的，也就是说电荷分布在粒子的外围。
这是本理论对带电体的基本要求。
基本粒子既带电量又有质量可以理解成，“刚性”粒子的高速自旋使得外层某范围内已超过光速，物质的量已变为电量，而内层和部分外层没有超过光速，其物质的量就是质量。
当然我们也可以反过来认为，因为基本粒子既带电量又有质量，所以它必定处在高速自旋状态，粒子上所考察点的速度是随着考察点到转轴的距离r增大而线性增大的，当距离r大于真空中的光速除以角速度时，这个范围就是超光速范围，也即为电量区域。
在这个区域里，“质量”已全部变为电量。
而在另外一个区域由于没有超过光速，所以就没有电量存在。
因此，基本粒子所带的电量和质量的分布，在空间上也是经纬分明的。
图3基本粒子的质量和电量分布示意图。
在这个模型里，有两个更为重要的问题需要解释：
（１）基本粒
子的稳定性问题。
大家知道，在通常的原子核物理中引入核力来解决
原子核的稳定性；在基本粒子理论中，引入夸克去分割基本电荷。
在
这里我们无须引入这些“物理概念”就可以解释粒子的稳定性，因为
我们完全可以用粒子的外围超光速来说明之。
在电磁学里有一个重要
的结论，同向电流相互吸引，既然粒子的外围因超过光速而变成了电
量，这些电量也因粒子的旋转自然地形成了许多同轴环线电流，由于
运动已超过光速，磁的作用力可以等于电的作用力，所以粒子就能够处
在稳定状态。
（2）在奇点v=c处，质量的积分会不会发散？
这要通过对质量和电量的积分的推算来说明之。
设粒子静质量为M0半径为R，则密度为ρ＝M0/（4πR3/3）,
现考察环带dm.（如图4所示）,由相对论质量公式
ω
上式dV为环带体积，ω为粒子自旋角速度，r为环带上的点到原
点的距离,因为dV=2πrsinθdr.rdθ，代入上式并积分
（4.1）
先对θ进行0—π的积分,可得
（4.2）
式（4.2）中出现奇点及虚量。
将积分区间分为两段,第一段为0≤r≤c/ω，值为I1；第二段为c/≤r≤∞,值为I2。
由式（4.2）的积分,I1为
当ωr/c→1，上式收敛，既
I１=2πρc３/ω３（4.3）
此为基本粒子的质量的一部分。
对于第二段，因为ωr/c已大于1，所以，积分出现虚数部分。
考虑到虚数公式logki２=logk+logi２=logk+nπi，（n=±１,±3,±5……），在式（4.2）中，令k=（c+ωr）/（ωr-c），则第二段的积分为
（4.4）
式（4.4）中的第一项积分的原函数和式（4.3）类似，其积分为
（4.5）
当ωr/c→1,式（4.5）也收敛，即
I21=2πρc[cωR+1/2（ω2R2-c2）ln（c+ωR）/（ωR-c）]/ω3-2πρc3/ω3
此为基本粒子质量的另一部分。
所以，对于满足ωR﹥c的基本粒子，其总的质量为
（4.6）
式（4.4）的第二项积分为
I２２=π２ρc（R２-c２/ω２）ni/ω（n=±1,±3,±5……）
这是基本粒子的虚质量部分。
由式[3.2]可求出电量为
Q=
I22=-
π2ρc（R2-c2/ω2）n/ω（4.7）
上式告诉我们，基本粒子所带电量是量子化的，电荷只能有正负两种，质量相同、电量也相同、但电性相反的反基本粒子是存在的。
由于基本粒子所带的电量是其超光速旋转运动的结果，所以我们大胆地认为，n的正负是正反方向旋转的结果，也即正反粒子的基本差别仅仅是旋转的方向相反而已。
另外，氢原子基态的总磁矩为两倍的电子自旋磁矩，这说明电子自旋方向和它的轨道旋转方向是相同的，这可以作为正负电子的定义：
相对轨道旋转方向而言，自旋方向和它的轨道旋转方向一致的是负电子，而相反的则是正电子（这样看来，反氢原子磁矩很小）。
在氦原子基态，由于总磁矩为零，所以可以确定是两电子的轨道方向相反，而非电子自旋方向相反。
（量子力学的泡利原理是根据氦原子基态的总磁矩为零，因此认为原子的同一能态不能有两个自旋方向相同的电子，其实应该是原子的同一能态不能有两个轨道方向相同的电子）。
从以上我们能看出，电荷分布在球体的rsinθ＞c/ω范围内，而质量分布在rsinθ＜c/ω的范围内，它们是不参合的。
另外对于满足Rω＜c的基本粒子，其只有质量而无电量，质量大小为
（4.8）
特别地，若基本粒子是不旋转的，即ω=0，则上式的极限值为m=4πρR3/3,这就是球体的质量式。
以上对奇点处的讨论,我们得到了一些重要的结论：
1、式（4.1）在奇点处不会发散，因而质电统一理论可能正确。
2、基本粒子所带电量必然是量子化的，这有助我们去讨论量子理论的本质。
3、基本粒子所带电荷的正负，仅仅是由其旋转的方向决定的。
4、正反粒子都应该存在。
我们将以上理论应用于电子和质子（假如把质子也能看成基本粒子的话），利用电子和质子的测量值，并应用近似计算方法[6]，可算出它们的角速度和半径的乘积为，.
电子：
ωeRe=2.16×1021c/n（4.9）
质子：
ωPRP=1.42×1018c/n（4.10）
c为真空中的光速，n为量子数，一般取n=1。
从上两式看到，电子的角速度和半径的乘积是质子的2000倍左右，这说明了电子的自旋是质子的数千倍。
要计算出ω和R的值,必须要推算出质电统一下的基本粒子的旋转磁距和角动量的公式的近似式[7],其为
m磁=
π２ρcR4n//2（4.11）
将式（4.6）、式（4.7）也作近似，可得
m=4πρc２R/ω２（4.12）
Q=π２
ρcR２n/ω（4.13）
联立式（4.12）、式（4.13）和式（4.11），可得
R=mm磁π
n2/（2n/Q２c）（4.14）
ρ=32n/3c3Q8/[n8（
）5π6m4m3磁]（4.15）
ω=8n/Q3c２/［n3m磁（π
m）２］（4.16）
将电子和质子的实验数据代入，可得
电子：
Re=1.487×10-34n2/n/（米）,ωe=5.248×1063n//n3（弧度/秒）,ρe=1.493×10113n/3/n8（千克/米3）
质子：
Rp=4.15×10-34n2/n/（米）,ωp=1.022×1060n//n3（弧度/秒）,ρp=3.726×10108n/3/n8（千克/米3）
上面的数字表明，质子和电子的半径在同一个数量级上，而在角速度和密度方面，电子分别是质子的3个数量级倍和5个数量级倍。
这就告诉我们，电子在宇宙的物质构成方面并非是一个微不足道的“小个子”，恰恰相反它是一个“巨无霸”，在宇宙中它占主导地位。
更为有趣的是，当我们去计算基本粒子的原质量时，会发现原质量和现实测量值成反比，这只要将式（15）、式（16）代入静质公式得到，式子为
m0=４ρπR3/3=16kQ2n2/（3π2Gm）
上式表明m0∝１／m，所以电子的静质量是质子到2000倍左右。
这更加说明了电子在宇宙质量方面的举足轻重的作用（这将在宇宙运动的讨论中用到）。
另外，还须说明的是，式（4.11）、（4.12）、（4.13）中，不同的ρ、R、n、ω的值，决定了千姿百态的基本粒子世界，如n的正负表示正反粒子等；而式（4.14）、（4.15）、（4.16）中，当量子数n、n/改变时，使得基本粒子的内秉值ρ、R、ω发生了改变，但外部特征Q、m、m磁是不会改变的。
这样的情形表明，基本粒子的状态，确实服从泡利原理或色量子原理。
五基本粒子的运动及量子理论的决定论本质
牛顿的运动定律是将物质的运动看成是不变的粒子机械地在空间的位置改变，而量子理论则认为运动物质在空间出现是由一个叫波函数表示的概率来决定的，在我们看来这两者都是错误的。
根据本理论，正反粒子仅仅是旋转方向的差异，当正反粒子相遇湮灭时，旋转方向的差异消失了（是抵消了），而留下的是不能抵消的质量和电量，前者化为了以光速运动的电磁波（能量，它满足爱因斯坦的质能关系），后者化为了超光速运动的虚质量（快子）。
我们认为宇宙中大量地存在着各种超光速的快子，它们的速度极其快，很容易得遨游宇宙一周回到原来的相近位置。
以电子为例，电子湮灭时产生的快子的速度达1030m/s，而且可证明[8]快子在宇宙中的运动是能返回的（并非空间的弯曲效应），因此各类快子在宇宙中的丰度是极高的。
电子能湮灭的事实给我们一个启示，单个的基本粒子也可能是很不稳定的，因为存在着极高的快子在宇宙中的丰度，使得基本粒子的消失和产生可能是频繁发生的。
所谓的基本粒子的运动正是在这个基础上是产生的。
我们没能了解的可能事实是，基本粒子频繁地产生和消失，是快子频繁地和电磁场（能量）相遇和相遇后的结果。
当快子遇到了能量（即电磁波）就将无形的“快子”和无形的电磁波转换为有形的基本粒子，能量转换为质量，快子转换为电荷，这就是基本粒子的产生。
基本粒子其实是极不稳定的，它很快就还原。
还原的电磁波能量，很快就和另一个快子结合产生新的同样的基本粒子，这一过程中位置发生了改变，这便是基本粒子的运动。
显然该运动具有电磁波的特性和快子的“性能”——快子在宇宙中的丰度，它是决定论的。
那么基本粒子的运动为何不象电磁波或快子运动得那么快呢？
其实基本粒子的运动是电磁场的波包中心的运动。
当基本粒子有初速度时，那是电磁场的波包中心有一个相同的初速度。
在基本粒子消失和产生的时间里，电磁场的波包中心定向运动了一个位移，在这个位置上的和运动方向垂直的平面内，波包上的某点可能正好和快子相遇便产生了基本粒子。
从这里我们看到：
1、基本粒子的运动不会象电磁波或快子运动得那么快，它完全取决于基本粒子的初速度；2、新产生的粒子是出现在和运动方向垂直的平面内，在该平面内的哪个位置上是取决于快子在宇宙中的丰度的一个概率值（可能是由热学中宇宙作为孤立体系内的快子的吉布斯分布决定的）。
当外界加一个电场或磁场时，电磁场的波包中心就发生了附加的位移，
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