超统一场论

1、超统一场论冀绪根物理学是研究物质的基本结构和物质运动最一 般规律的科学。迄今为止，人类认识的宇宙间的力 有四种，那就是强力、弱力、电磁力、万有引力。 虽然这四种力无论从强度上，还是从作用距离上都 有着巨大的差异。但是理论物理学家却认为自然界 是和谐的，统一的，四种力之间不仅具有内在联系 而且是统一的。长期以来，世界上有不少物理学家 一直在试图找到一个统一、简洁、和谐的数学公式 来概括这四种自然力。1、统一理论的进展从本世纪 20 年代开始，爱因斯坦花费了半生的 精力，力图把电磁力与万有引力统一起来。海森堡 也作了种种尝试，但都没有成功。直到1967 年，温 伯格、萨拉姆、格拉肖等人提出了弱力与电磁力的 统一模型，统一理论才取得了一点进展GSW理论 所预言的四个规范波色子有三个得到了证实，但仍 有一个希格斯粒子没有找到。因此，承认该理论还 为时过早。在GSW理论得到了部分证实之后，近年来一 些物理学家提出各种“大统一”理论（GUTS），试 图证明除引力外的其他三种自然力同源。被称为“ SU （5）型”的乔治格拉肖的大统一理论认为：（1） 质子的寿命为1031年，主要衰变为正电子和n介子;

2、（2）存在着名为“磁单极子”的很重的基本粒子。 然而，“大统一”理论未得到任何证实。2、爱因斯坦广义相对论难以解释的问题 爱因斯坦于本世纪初，在牛顿引力理论的基础 上，建立了广义相对论，即引力理论的相对论。虽 然广义相对论能够解释水星的近日点的进动，预言 了光线在恒星附近的偏折，但它仍然难以解释天体 物理学中几个最基本的问题，即2.1 宇宙遗失 97%质量问题;2.2 星系的外缘恒星比内缘恒星公转速度快的问题;2.3 星系的形状问题。3、超统一场论的基本思想超统一场论所要解决的是支配天体运动的力、弱力、强力及电磁力四种力的统一。面对差异如此 之大的四种力，它摈弃了“弱电统一理论”中相互 作用是交换虚光子或中间波色子的过程，代之以能 量和能量守恒为核心的场论。核心如下：3.1 任何粒子都是具有形状和大小的。那种脱 离物质的基本结构，而谈论物质的运动规律是不完 整的。3.2 任何物质都有自旋运动。自旋的方式有两 种：一种是呈柱面波动的螺旋运动，其自旋方向和 动能方向垂直;一种是呈平面波动的月亮运动，其 自旋方向和动能方向在同一平面上。所谓“自旋为 0” 的基本粒子，均是后一种运动方式。3.

3、3 粒子的周围存在场，这种场具有方向性。3.4 粒子的场分动能场和自旋场两种。场强的 大小，不仅与场源的大小有关，而且与场源的表面 积有关。3.5 支配天体运动的力同弱、强相互作用在性 质上是一样的，只是由于自旋场的强度及接受场强 的面积不同造成巨大差异的。3.6 电磁力同强、弱相互作用在性质上也是一 致的，只是由于场源能量（静电能）及作用对象的 不同，造成差异的。3.7电磁作用之所以是强相互作用的丄，是137因为一个电荷的静电能，是电子静能量的丄。1373.8 重力是一种系统力，它与支配天体运动的力从性质上讲是一致的，但它们也有区别：支配天 体运动的力存在于整个宇宙空间，而重力只存在于 分子线度上的连续媒介系统;支配天体运动的力的 方向是单一的。而重力的方向是多向的。4、超统一场论所需的常数及符号的设定4.1 引进的常数光速 C=2.997925xlOio cm/秒电荷 e=1.6021x10-19 库仑=4.803x10-10 静库普朗克常数h=1.05456x10-27尔格秒 中子静质量 M =939.55MeV/c20n质子静质量 M =938.26MeV/c20p电子静质量

4、M0e=0.511MeV/c20e4.2 符号的设定0及一一分别代表粒子场的能量及被作用粒 子接受场的能量V粒子动能方向的速度Vf 一一粒子自旋方向的速度G粒子动能场的场强。物理意义为单位面积 发出或接受的能量Gf及G,分别代表粒子自旋场的场强及接受 的自旋场强。有Gf=0/ Sf和G,=07 S,J公转角动量Jf自旋角动量a0静质量时粒子的自旋半径4.3 求粒子的自旋半径 a0.=E .方 V w a = V w a =0 0 f 0 力0 E乂角动量守恒 J = m a V = n方(n为整数) f00 fh2mE00ma00(旦)2mc0ma0h c()2E0(1)mc4.4 求自旋速度 Vfh cV = w a = w = c (2)f 0 0 0 E0上式说明粒子的自旋速度等于光速。另一方面 狭义相对论有以下公式E = m c /1- VI c0当动能速度v-o时，E0=m0c2说明粒子的静质量是动能为 0 时，自旋所具有的能量。4.5 质子、中子、电子的自旋半径a = 2.1 0 3 19 3 x 1 0 -14 cm 0pa = 2.1 00305x10-14cm0na

5、= 3.8 6144x10-11cm0e5、自由态粒子的波动方程及场方程5.1 呈柱面波动的粒子呈柱面波动的粒子，它的运动由自旋运动和动能运动两部分构成，波动方程如下：x = a co s(w t + p )y = a sin (w t + p )z = Vt式中，a为自旋半径，(p为初始角，W为角频 率。和粒子相联系的能量E,角动量J# ,分别如下:h w = E = m c2 /1 V 2 / c20J = m ac = h和波动相联系的场方程如下：TG = 一SmV 22 h w G =f S Sff(3)(4)由此可知，和场方程(3)相联系的作用方向是 z方向：和场方程(4)相联系的作用方向是F (x, y)平面。由于自旋柱面跟动能柱面垂直，所以它对 其它粒子的作用只有一种，二者不能同时作用于一 物体上(碰撞时除外)。5.2 呈平面波动的粒子 呈平面波动的粒子，其自旋运动同动能运动处 于同一平面，它具有以下特点：一是粒子半径是自 旋半径的极限,二是自旋速度是动能速度的极限。波 动方程如下:广 x = a co s( w t + p ) y = b(bRR为粒子半径)z = V

6、t + a sin (w t + p )式中，0为初始角，w为角旋率，a为自旋半 径。和粒子相联系的能量E,角动量J分别如下：1m V 2T 2G =丄S九 = E = mc2/Ghro m c2(12)(13)mac =力和波动相联系的场方程如下：T_S1mV 22(5)(6)设束缚场的势能用U （Rf）表示，被用作粒子在 Rf处接受的场强为Gf,被作用粒子接受能量的面积 为SJ贝Iu (R ) = G X Sfff此处粒子所受的力由此可知，和场方程（5）相联系的作用方向是z 方向；和场方程（6）相联系的作用方向是 F（x， z）平面。而处于动能拉面上的粒子，则会受到动能 场和自旋场的双重作用。6、束缚态粒子所谓束缚态粒子，是指两个或两个以上的粒子 之间，彼此相互作用而产生的稳定状态。产生稳定 状态的充要条件是：6.1 相互作用是同期性的。6.2 相互作用的粒子静质量和球半径相差很 小，属统一级别的粒子。6.3 公转半径要大于他们的自旋半径。从柱面波动和平面波动的性质知道，只有柱面 波动的粒子之间，才会产生束缚态。处于束缚态下 的粒子除了原来的自旋运动外，动能运动变成了圆 周运动。它

7、的波动是圆环波动，波动方程如下：u (R ) m V 2 F = f =dR(14)式中， d 为作用粒子与被作用粒子的距离，但d工R 。7.超统一场论所能解释的问题7.1 核力及原子核结构设质子的球半径用R表示，中子的半径用R pn 表示，且RWR则质子、中子的场强分别为：pnGpfM C 2p4兀R 2pGnfM C 2n4兀R 2n由于在原子核中，结合能导致了质量亏损，故M M ，为了计算方便，我们 no nM = M ，于是有：no nF (x, z) = R + a cos t + 申)fF ( y) = a sin (ro t + p )(7)(8)9 3 8.2 6MeVG =-pf4 兀 R 2p式中Rf为公转半径。和粒子相联系的总能量E,角动量J分别为:939.5 5MeV九 ro = E = m c 2/光1 - V 2 / c2o(9)m R 霍 + a co s( ro t + p ) V =常数 h (10)nf4兀R 2nR93 8.2 6G = p-G =p fdpf4兀R dPG =-mac =方(11)R93 9.5 5G = nG =G nf = d

8、/4 n R dn和波动相联系的场方程如下：7.1.1在2H中，设质子与中子的距离为d,R 2p x 9 3 9.5 5 sin 2 a2 R dn则中子所受质子的力FP.R 三 R . snp1x 4 兀 R 2 2PV opsin a p= =VoncosanMV2pp= F d sin 2 a nR-RMV2= p xp x 939.5 5 sin 2 app2dRnn938.2 62 n R 2F =xPP4兀RddP M V 2 F cos a=nnpd cos a. M V 2 =Fd cos2annp u(R )=2.2 2M eVR=丁 x 9 3 8.2 62d2R= x 9 3 8.2 6 co s2 a2d.MV 2Msin 2 aR93 9.5 5 sin 2 app=p=pxMV2Mcos 2 aR938.2 6cos2annnnvR pMP93 8.2 6)2p 二=(干)2=(RM939.55R93 8.2 6M= p x () 2 x 939.5 5 sin 2 a = 2.2 2 p sin 2 a2d939.5 5M则(M V ) 2= (M V ) 2n np p即 2.2 2 co s 2 a M = 2.2 2 sin 2 a Mnp*

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