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前沿问题（14）物理定律能否统一？

物理定律共同的基础

2019/07/11   维加斯新闻报
晏成和

    《SCIENCE》杂志，发表了全世界最前沿的125个科学问题 。《科学前沿》在转载时扔下一句话：敢来挑战么？

    以下按原题号进行阐释、应战。

    5、物理定律能否统一？

    物理定律（Physical law）是以自然事实和重复实验为基础总结出来的物理规律、并在科学领域内得到普遍接受和认可的典型结论。

    定律揭示发生了一些事实及其规律，是经验观察的总结。定律一般是建立在理论之上，而理论则在于解析这些规律发生的原因，科学理论一般比定律复杂、细致、依据事实、注重逻辑。定律表示发生了一些事；而理论则解析一些事为何及怎样发生。

    为了探究事实的规律及发生的原因，建立科学理论，人们对事物分门别类、以利深入钻研，这就有了分科探讨、分科而学，字面上的解读——科学。

    自然科学被宏观的分科：物理学、化学、生物学等学科。而在每一学科之内又有分枝散叶的细分，近代物理学较为普遍的分支是：力、热、光、电、磁、核。长期以来，这些分支各自独立，各自成为专门的学科，有专门的研究团队。

    科学是分科而学，物理定律是分科而建。然而此标题是物理定律能否统一？这（分）科与统一（合）直接矛盾，出此题目、是不是要叫板科学？当然不是，出题者实为高人，有灵敏的科学直觉、有渊博的科学知识，预感到物理定律存在共同的基础、存在着内在根本的联系、存在统一的必然根基。

    科学的这些分支是人为而分的，一般物质往往是集多种分支的特性于一身，具备并表达着综合的宏观特性（我上篇文章就讨论了铁钉的8种性能）。这全部特性：力、热、光、电、磁，都是与其基本构成和运动密切相关。

    世上万物，性能迥异。但是归纳起来这所有万物都是由一百多种原子构成，进一步追根溯源，所有原子都只是由质子、核外电子这两种基材构成；尽管这些元素有金属、非金属；常温下呈现为固态、液态、气态；性质、性能千差万别、物理学特性各不相同。但是其根本的归宿只能是此：质子、电子。那么，物理学各个分支就只能是由同一个“本——质子、电子”所派生的各种性能，探索者就应该握住这个主杆、提纲挈领把物理学各个分枝有机地联系起来，探析它们共同的源头、寻找内在统一的规律。

 

    可是，现代物理学已经沉寂90年，到现在仍在波、粒的泥潭挣扎；继承著“电子云、自由电子”等先入为主的理论；困顿在“测不准原理、波粒二象”的思想囹圄；禁锢著对核外电子线路、速率的探索。物理思想仍然停留在90年前的器物时代，茫然不知电子运动伴生电磁波。

    由于核外电子的运动规律是禁区，科研不敢涉及这个根本。物理学几个分支自编自演，分别在各自的基础上研发：热学依托分子热运动、磁学钻研电子自旋、电学依傍能带、力学立足于宏观。物理性质的载体从宏观到分子、从电子到自旋，玻色子、费米子。各人摸象的感觉成就了各自的理论、自圆其说、渐行渐远，连建立正常联系都无门、企盼找到共同的根-统一，更是遥遥无期。

 
    然而科学前沿提出“物理定律能否统一？”是有其哲学依托、有逻辑根据。物理学的“根”既然存在，多种物理定律就应该在根本的周边互联、达到统一。我们就该依据大自然的蛛丝马迹、搜索证据，在思想没有束缚中追根寻源。

    物理，是在“物”的基础上求理，自然万物有很多，大的落脚点就是元素。周期表中每一族的元素，有基本相同的物理；其最明显的特征是价电子数相同。那么，价电子的个数（及其运动）就是导致物质的物理特性关键因素。这个逻辑指引我们：探讨物质特性、统一物理定律、首当其冲就是要紧扣核外电子-价电子及其规律运动这个纲。

    物理新视点依据质子-电子及其规律运转是物质特性的形成和联系的机理，发现核外电子的规律运动与物质物理特性休戚相关、是物理机制的起点和根源。电子运动的线路、速率不仅解释了诸多物理现象，而且：电子的运动把物理学各分支中的力、热、电、磁、光、核 有机地联系起来了，是物质物理学的根基和纽带，发现物理学各个独立的分支真是有一个共同的源头-核外电子的规律运动、由此可以构建一个系统的整体。

 

    客观事实坦露了大自然内在机密，是我们研究、探索的依据和原始出发点。

    我们来回顾两个司空见惯的自然事实：热发光，温度高、物质热发光频率高。这是自然在火光及光色中谆谆告诫着我们：核外电子的速率是随着温度变化的、核外电子的运动是规律的；还有事实：奥斯特实验，自然之神在小磁鍼的摆动中反复地提醒着我们：电子的运动伴生著（电磁）波。

    两条事实，涉及到物理学的热、光、电、磁、力。事实的出发点都是电子，由此看到：在质子场牵引下的核外电子规律运动是物质物理的始作俑者、是物理机制、物理定律的缔造者。物理特性来源于价电子；物理定律也必定与核外电子的规律运动密切相关。

    以下我们就分别对物理学的六大分支分别进行研讨，探究质子-电子的运动在各种特性的形成中是发挥的关键作用。

 

    力    力有重力、构成物体的力、自然四力 等等。

    著名的力学定律是牛顿力学三定律，品质是其核心。原子量计算告诉我们，品质来自于质子，品质的根源是质子伴生质子场，形成最原始的力-质子场力。所有质子伴生著场与地球质子相互吸引，产生重力加速度，形成重力，可以度量，于是有质子就有品质（电子品质小，暂时忽略）。

 

    构成物体（物质）的力。列车飞驰、大厦巍峨、桥梁挺拔……能御外力，靠的是材料的强度、刚度，靠的是材料顽强的内聚力。

    物质构成晶体、材料的力，是质子对价电子引力的外延。还有一个派生力就是电子运动形成的电磁力。

    质子相互吸引相邻的价电子形成了结构元。价电子大于3的，能够形成4+个结构元，形成共价晶体（金刚石、矽）化合物晶体；金属晶体（铁、铜、铝）只有1-3个价电子，靠的是结构元之间的电磁力结合构成。

    物质晶体的形成，物体的脆性、塑性、弹性、延展性、记忆合金等诸多力学性质，也与价和电子的运转息息相关。

 

    力学有个课题是自然界的四力：引力、弱力、电磁力、强力。其实这个四力是人为分的。四力的根源就是一个，原始力-质子场力。在核内因为距离极小，按平方反比关系，呈现为巨大的强力；在原子内，尺寸比核内大了近5个数量级，呈现的电磁力比核力小了20个数量级；在分子之间至常观距离更大、呈现为重力（弱力）；在天体之间，距离很远，呈现为万有引力。

    核外电子的运动能够形成静力（强度、刚度）；电子的运动也能产生动力。热机所提供的动力多数来自于气体的膨胀，实际上也是电子与电子之间的场力。电动机的动力来自于电子的宏观运动和相互作用就有目共睹了。

 

    热    热是温度、是能量。热与材料的强度（内力）密切相关，是因为热改变了价电子运转的线路，使得电磁力方向不稳。

    大自然在火光中揭示：温度高-物质热发光频率高-核外电子速率高，反之亦然。温度实际上是核外电子运转的快慢程度；热能实际上是核外电子运转的动能，速率高-热能量大、反之亦然。

    某物质温度高于环境温度，运转较快的核外电子发生由高速向低能级的跃迁，向周围幅射出相应频率的电磁波（热光源），同时降低温度；反之，若物质温度低于环境温度，则吸收能量-原子吸收周围电磁波，导致自身的核外电子的速率升高（升温）。原子系统就是这样：用电子运动及伴生的电磁波与外界进行交流和互动，由此才有电磁波辐射（所谓的热辐射）、才有“热总是由高温度物质向低温度物质传播”的热力学第二定律。

    热能够加快核外电子运转的速率，使原来不能进行的化学反应发生：燃烧，剧烈的氧化反应，导致高速率的氧气降低温度-形成热发光。

    热能够使物质发生相变，改变内聚力，例如金属的熔化。主要是由于高温下，价和电子运转加速、线路从平面跃升到立交，电磁力方向不稳，内聚力减小。

    人们利用热来做功，实质上是利用物质的核外电子的运动、利用相变来做功，如热机：蒸汽机、内燃机、燃汽轮机。相变是因为价和电子速率进一步增加，运转路线由平面进入空间形成空间球面，利用分子表面电子与电子的斥力推动机械做功。

 

    电    人们所说的电，一般是指宏观移动的电荷-电流。金属物体导电性能好不是因为有什么自由电子，而是金属物体的价电子少，原子周围比较空，有较大的电子通路。

    电压是一种驱使电子定向运动的电磁波，导电首先是电压波在物质的电子空位间的传导。在电压波的引导之下，电子在环路中换位元移动形成电流。金属导电、半导体导电、液体导电共此一理。

    用核外电子规律运动、电子运动伴生波、金属导体导通电压波的观点，解读了变压器原理；电感器通直流电，阻交流电；电容器通交流电，阻直流电的原理。

 

    自然雷电是因为地球表面的游离电荷被吸引到水蒸气分子周围，随着H2O气体上升到天空，遇冷，H2O凝结成水雾，电荷被挤出H2O，成了云层中的电荷，聚集多了，电压升高。击向大地或别的云层，形成雷电。

 

    磁     奥斯特发现了直流电导线外小磁鍼的偏转，这个实验告诉我们，电子的运动伴生著磁场，大自然的磁性来自电子的运动。

    磁性材料的共同特征都是二价过渡元素，当二价金属在受到外磁场的作用时，其部分可以摆动的尾结构元顺应外磁场、把自身调整到与外磁场力相适应的方位，形成平行同向的价和电子运转，构成同向的价磁力。于是这样的二价金属能够被外磁场吸引；当外磁场撤去以后，这些尾结构元的价和电子保持其运动惯性和方位，构成了物体的磁性。

    当外界温度升高，价和电子速率加快、线路变化。价和电子线路晃动导致伴生的磁力晃动，物体的磁性就减弱。当温度升高到居里点时（铁770℃）。原先平行同向的价和电子脱离平面线路，使得价磁力方向紊乱，磁性材料的磁性也就消失。

    霍尔效应、磁致伸缩，都是在外磁场作用下电子运动线路发生相应改变所发生的效应。

 

    光     光是有一定波长的电磁波。电子线性运动伴生著磁场。如果电子振动、使伴生的电磁脱离场源，就成为辐射的电磁波（发光）。所以与发光息息相关的是电子的振动。

    在光谱实验中，经过分光镜，不同元素的光谱各自呈现。钠光谱是两条明亮的黄线；钾光谱是一条突出的紫色线。光谱颜色表明了该元素在本生灯中价电子速率、谱线的条数就是该元素价电子的个数。光谱实验清晰地告诉我们，光（电磁波）的发生与电子息息相关、是电子振动所发出辐射。 致使电子振动有以下几种情况：

    当物质温度高、环境温度较低时，核外电子发生由高能级向低能级的跃迁运动，跃迁是电子的振动，辐射出相应频率的电磁波。这就是热光源。

    电子在强磁场、高压电场作用下或在半导体中也会发生振动，电子振动所的辐射的是不同频率的光。电子振动的频率构成了光波的频率，大量电子振动所伴生的电磁波辐射形成了冷光源。


    镭射的形成是核外电子规律运转有力的实验证明：镭射材料的核外电子吸收外界电磁波辐射、定向的波在材料内整合，才能发射出频率稳定、相干性好的镭射，

 

    核    要探讨原子核，必须全力关注来自核内的资讯、紧扣来自核内的线索，放射现象——从放射性元素原子核内放射出的三种射线：α射线，β射线，γ射线。这可是大自然提供的原子核的内部资料。

     α射线， 由2个电子紧密环绕4个质子，结构正好是氦原子核的粒子流。氦核结构非常稳固，在核爆炸时也不分开。

    β射线，高速的电子流。电子被高速放射出来，说明放射性元素的核记忆体在着高速运转的电子，应该注意到这是α射线之外的电子。

    γ射线，频率极高的电磁波，频率在3X10^18。高频电磁波说明放射性元素核记忆体在着极高速运转的电子，才有如此高频的辐射。原子核的直径是原子的万分之一，所以核内电子运转半径极小、速率极高，每秒3X10^18转，因而跃迁时辐射出γ射线。

    三种射线，给出了核子物理的基本内含，质子、电子，电子运转的线路、极高的速率。同时 ，核内电子极高的速率具有极大的结合能，这个能量构成了部分的原子能。

 

    自然界的力、热、电、磁、光、核，看似风马牛各自自成体系，互不相及。然而以上的论述，不约而同地涉及、归结到其基础：核外电子——它们共同的根，物理学定律统一，也就有了基础。物质各种特性的内在机制就在于电子的运动，核外电子规律运动构成了物质的本质属性。以质子带动核外电子规律运动为脐带，孕育了物理学独立的几大分支，把自然界的各种能量也联系起来了，找到了能量守恒的内在原因。

    电子的规律运动，不仅把物理学各个独立的分支整合、还原成一个系统的整体，并且达到内在的逻辑一致性。电子的规律运动也将是化学、生物学科学统一的研究基础。
   
    2019/6/28  整理发表