17   引力的本质问题

量子化现象的根源
    1900年，普朗克用能级假设概念，成功地解释了黑体辐射问题，开创了量子物理学的进程，1905年，爱因斯坦用光量子概念，成功地解释了光电效应，到今天，微观领域的量子化现象已经为大众所知晓，关于量子化现象的根源，至今仍然是沿用普朗克做出的具体解释：能量不能连续取值，只能取基本能量子的整数倍，基本能量子为：
    ……………………………………式17.1
    按照通常的理解，基本能量子应该是能量的最小单位，自然界中的能量应当是基本能量子的整数倍，然而，有多方面的事实证明，基本能量子并不存在，我们来看下面的实事。

1.根据薛定谔方程，氢原子的能级为：

        ( n＝1，2，3,……)……………式17.2
    E1＝－13.6eV，E2＝－3.04eV，E3＝－1.51eV，E4＝－0.85eV……。

图17.01   氢原子光谱

    图17.01是氢原子光谱能级，当n很小时，量子化现象非常明显，当n很大时，能级间隔非常小，以致能量可以看作是连续变化的。如果能量子的确存在，氢原子光谱的能级应该是等间隔的，实际显然不是等间隔的，而且连续能区无法用能量子予以说明。

2.玻尔轨道半径允许值为：

                n＝1，2，3……，……………式17.3
    人们虽然放弃了电子具有行星一样规则轨道的观念，但上式轨道量子化的实事却被证实，可以将轨道允许值表示成图17.02，（电子的运动形式可能是往复振动，这里不展开讨论）。注意到轨道半径间隔是相等的，由于电子在氢原子核附近，电场强度更大，当n相差1时，能量很大；而电子在远离原子核时，当n相差1时，能量很小；能量子显然前后不一致，因此，氢原子轨道取值量子化的事实也无法用能量子的概念予以说明。

图17.02   氢原子玻尔半径允许取值

3．其它相关实事
    如果“能量子”确实存在，那么，为解释黑体辐射问题引进的能量子只需要几个eV（电子伏特），能量子被锁定在几个eV的范畴，需要注意的是，在高能物理领域，几千兆eV甚至更高，量子化现象则完全可以忽略。而实际情况却是，高能物理中的量子化现象却更为显著。
    如果“能量子”的确存在，那么，电磁波谱的红外波段就应当有明显的量子化现象（不连续），并且，在远红外波段应当有一个截止点，即所谓基本能量子。实际情况却是，既没有发现红外波段趋于明显的量子化现象，也没有发现远红外的截止点。相反，在紫外波段特别是高能领域的确不连续。

    综合当今大量的物理实事，无论对于低能段的黑体辐射问题，还是对于高能物理问题，只有采用波长量子化之观念，才能完整地解释全部问题，也就是说，微观世界量子化现象的根源在于波长量子化。也有人直接指出：空间尺度的极限为普朗克长度，即米，这一尺度也被称为自然界的“基本长度”。

物质质量的起因
1.弦理论
    为了理解质量的物理意义，我们要借鉴一下弦理论的概念。1968年，意大利物理学家维尼基亚诺在研究“雷吉轨迹”时，发现运用“欧拉β函数”函数，能够很好地描述核子中许多强相对作用力的效应，从而开启了弦理论的大门。在弦理论中，任何粒子其实都不是传统意义上的点，而是开放或者闭合的弦。当它们以不同的方式振动时，就分别对应于自然界中的不同粒子(电子、光子……包括引力子！)。当不再把粒子当作一个点，而是看成一种弦的时候，在计算力学时，无穷大就不再出现了，计算结果有限而且有意义，避免了点模型的发散问题。
    弦理论是一个新兴的理论，这里无法介绍详细的理论内容，主要是借用一下弦理论的观点和概念，也不代表我们完全认可弦理论的所有结论，可取之处在于用弦代替了点粒子，粒子是一段振动着的“弦”，而不是空间中的一个“点”。弦理论表明，长的弦质量小，而短的弦质量大。有趣的工作是，在高能物理实验中，主要工作是将弦截断，将之分开或分成几段，有一个共性的规律，产物粒子质量都比源粒子质量大（光子或中微子可能是电磁场的产物），短的弦质量大，或者说长的弦质量小，在这里直接得到了印证。
    如果我们把“基本长度”等效于“基本弦”，那么粒子就应该就是“基本弦”或“基本弦的组合”，“基本弦”显然表示不再可分。“基本弦”又是由什么决定的呢？弦的长度与质量又有何关系呢？我们来看下面的事实。

2.测不准原理
    1927年, 海森堡提出测不准原理：一个微观物体的位置不确定范围和动量不确定范围之积大于普朗克常数的一半。值得说明，“测不准”不是由于测量仪器干扰或测量方法缺陷引起的，它反映了微观粒子运动的基本规律。测不准原理得到了大量实验的证明，测不准原理包含着一个重要内容，即粒子质量越小，其位置不确定度就越大，反之，粒子质量越大，其位置确定范围就越小。可以得出，粒子质量越大，其占据的空间范围反而越小；相反，质量越小，占据空间范围越大，我们将小范围和质量大再次联系起来。

3.物质波
    1924年，德布罗意将光子的波动性成功地推广到电子以及微观领域，电子、中子等实物粒子的物质波被实验相继证明。粒子的波动性从根本上改变了人们对微观粒子的看法，从“粒子”的名称也可以看出先前人们用“点”来想像微观粒子的图像，但是它们实际却不是“点”，而是波。德布罗意物质的波长公式表明，对于相同粒子，能量越大，其波长越小；反之，能量越小，波长越大。这正是现代电子显微镜的理论基础。我们再次看到：波长小和能量大相联系。

4.光子
    光子的行为人们已经较为熟悉了，波长长的能量小，波长短的能量大，这个大家很容易理解。
    如果我们用“弦”来表示粒子，从上述实事中，可以推测：长的“弦”质量小，短的“弦”质量大；这当然与宏观世界的认知有所不同，我们见到体积大的石头肯定其要重一些，而微观世界却相反。但是， 宏观世界也并非没有例证，例如，狭义相对论表明，高速运动的物体质量增加，但其尺度却缩短了，可见，短与重的联系还是存在的。前面我们证明：在重力场中质量变小而尺度变长，并不是很意外的事情，全部微观层面关于质量的结论完全一致。至于为什么短的弦质量大，现在还不能回答为什么，只能说这是微观一系列现象的总结。

引力的本质
    基本弦的长度是由什么决定的呢？长话短说，从当今的各种物理实事推测：基本弦的长度是由该真空决定的。
    按照“质量减小→弦长增加”之原则，粒子在重力场空间的质量要小，所以，重力场空间的“基本弦”要相对长一些，具体关系就是重力场的尺度变换公式，图17.03表示了重力场真空弦长的变化关系。爱因斯坦用空间弯曲的概念来表示。

图17.03   弦的长度在重力场中的变化

    微观世界规律表明，粒子总是趋于向能态更低的方向跃迁。重力场空间的能态更低一些，向重力场移动可以释放能量，粒子集体向低能态跃迁的宏观表现就是“引力”。如果要向高能态空间迁移，必须要外力做功或提供能量，形象地说，微观粒子喜欢住大的房子，如果将其迁移到较小的房子，必须给予一定的补偿——能量。长期以来，人们相信自然界满足简单性原则，应当用尽可能少的概念来描述自然界，坚信这种愿望最终将会实现，一个描述微观粒子的理论，将可以描述包括广义相对论在内的全部自然规律，这一展望是令人激动的。
    必需表明，电子等粒子是基本弦的组合，组合态并不一定是直线状态，所以，粒子表的质量并不存在简单的量化关系，当然，具有相同自旋的粒子，其质量的确符合一定的规则（如雷吉轨迹），可能表明具有相同的组合方式。同时，“基本弦”量子的决定性因素是真空，所以，惯性质量和引力质量等效并不意外，李政道教授说：“全部物理学就在真空”。

                                            http://www.wlsyw.com   占礼葵 2007.6.18

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