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前沿問題（14）物理定律能否統一？

物理定律共同的基礎

2019/07/11   維加斯新聞報
晏成和

    《SCIENCE》雜誌，發表了全世界最前沿的125個科學問題 。《科學前沿》在轉載時扔下一句話：敢來挑戰麼？

    以下按原題號進行闡釋、應戰。

    5、物理定律能否統一？

    物理定律（Physical law）是以自然事實和重複實驗為基礎總結出來的物理規律、並在科學領域內得到普遍接受和認可的典型結論。

    定律揭示發生了一些事實及其規律，是經驗觀察的總結。定律一般是建立在理論之上，而理論則在於解析這些規律發生的原因，科學理論一般比定律複雜、細緻、依據事實、注重邏輯。定律表示發生了一些事；而理論則解析一些事為何及怎樣發生。

    為了探究事實的規律及發生的原因，建立科學理論，人們對事物分門別類、以利深入鑽研，這就有了分科探討、分科而學，字面上的解讀——科學。

    自然科學被宏觀的分科：物理學、化學、生物學等學科。而在每一學科之內又有分枝散葉的細分，近代物理學較為普遍的分支是：力、熱、光、電、磁、核。長期以來，這些分支各自獨立，各自成為專門的學科，有專門的研究團隊。

    科學是分科而學，物理定律是分科而建。然而此標題是物理定律能否統一？這（分）科與統一（合）直接矛盾，出此題目、是不是要叫板科學？當然不是，出題者實為高人，有靈敏的科學直覺、有淵博的科學知識，預感到物理定律存在共同的基礎、存在著內在根本的聯繫、存在統一的必然根基。

    科學的這些分支是人為而分的，一般物質往往是集多種分支的特性於一身，具備並表達著綜合的宏觀特性（我上篇文章就討論了鐵釘的8種性能）。這全部特性：力、熱、光、電、磁，都是與其基本構成和運動密切相關。

    世上萬物，性能迥異。但是歸納起來這所有萬物都是由一百多種原子構成，進一步追根溯源，所有原子都只是由質子、核外電子這兩種基材構成；儘管這些元素有金屬、非金屬；常溫下呈現為固態、液態、氣態；性質、性能千差萬別、物理學特性各不相同。但是其根本的歸宿只能是此：質子、電子。那麼，物理學各個分支就只能是由同一個“本——質子、電子”所派生的各種性能，探索者就應該握住這個主杆、提綱挈領把物理學各個分枝有機地聯繫起來，探析它們共同的源頭、尋找內在統一的規律。

 

    可是，現代物理學已經沉寂90年，到現在仍在波、粒的泥潭掙扎；繼承著“電子雲、自由電子”等先入為主的理論；困頓在“測不准原理、波粒二象”的思想囹圄；禁錮著對核外電子線路、速率的探索。物理思想仍然停留在90年前的器物時代，茫然不知電子運動伴生電磁波。

    由於核外電子的運動規律是禁區，科研不敢涉及這個根本。物理學幾個分支自編自演，分別在各自的基礎上研發：熱學依託分子熱運動、磁學鑽研電子自旋、電學依傍能帶、力學立足於宏觀。物理性質的載體從宏觀到分子、從電子到自旋，玻色子、費米子。各人摸象的感覺成就了各自的理論、自圓其說、漸行漸遠，連建立正常聯繫都無門、企盼找到共同的根-統一，更是遙遙無期。

 
    然而科學前沿提出“物理定律能否統一？”是有其哲學依託、有邏輯根據。物理學的“根”既然存在，多種物理定律就應該在根本的周邊互聯、達到統一。我們就該依據大自然的蛛絲馬跡、搜索證據，在思想沒有束縛中追根尋源。

    物理，是在“物”的基礎上求理，自然萬物有很多，大的落腳點就是元素。週期表中每一族的元素，有基本相同的物理；其最明顯的特徵是價電子數相同。那麼，價電子的個數（及其運動）就是導致物質的物理特性關鍵因素。這個邏輯指引我們：探討物質特性、統一物理定律、首當其衝就是要緊扣核外電子-價電子及其規律運動這個綱。

    物理新視點依據質子-電子及其規律運轉是物質特性的形成和聯繫的機理，發現核外電子的規律運動與物質物理特性休戚相關、是物理機制的起點和根源。電子運動的線路、速率不僅解釋了諸多物理現象，而且：電子的運動把物理學各分支中的力、熱、電、磁、光、核 有機地聯繫起來了，是物質物理學的根基和紐帶，發現物理學各個獨立的分支真是有一個共同的源頭-核外電子的規律運動、由此可以構建一個系統的整體。

 

    客觀事實坦露了大自然內在機密，是我們研究、探索的依據和原始出發點。

    我們來回顧兩個司空見慣的自然事實：熱發光，溫度高、物質熱發光頻率高。這是自然在火光及光色中諄諄告誡著我們：核外電子的速率是隨著溫度變化的、核外電子的運動是規律的；還有事實：奧斯特實驗，自然之神在小磁鍼的擺動中反復地提醒著我們：電子的運動伴生著（電磁）波。

    兩條事實，涉及到物理學的熱、光、電、磁、力。事實的出發點都是電子，由此看到：在質子場牽引下的核外電子規律運動是物質物理的始作俑者、是物理機制、物理定律的締造者。物理特性來源於價電子；物理定律也必定與核外電子的規律運動密切相關。

    以下我們就分別對物理學的六大分支分別進行研討，探究質子-電子的運動在各種特性的形成中是發揮的關鍵作用。

 

    力    力有重力、構成物體的力、自然四力 等等。

    著名的力學定律是牛頓力學三定律，品質是其核心。原子量計算告訴我們，品質來自於質子，品質的根源是質子伴生質子場，形成最原始的力-質子場力。所有質子伴生著場與地球質子相互吸引，產生重力加速度，形成重力，可以度量，於是有質子就有品質（電子品質小，暫時忽略）。

 

    構成物體（物質）的力。列車飛馳、大廈巍峨、橋樑挺拔……能禦外力，靠的是材料的強度、剛度，靠的是材料頑強的內聚力。

    物質構成晶體、材料的力，是質子對價電子引力的外延。還有一個派生力就是電子運動形成的電磁力。

    質子相互吸引相鄰的價電子形成了結構元。價電子大於3的，能夠形成4+個結構元，形成共價晶體（金剛石、矽）化合物晶體；金屬晶體（鐵、銅、鋁）只有1-3個價電子，靠的是結構元之間的電磁力結合構成。

    物質晶體的形成，物體的脆性、塑性、彈性、延展性、記憶合金等諸多力學性質，也與價和電子的運轉息息相關。

 

    力學有個課題是自然界的四力：引力、弱力、電磁力、強力。其實這個四力是人為分的。四力的根源就是一個，原始力-質子場力。在核內因為距離極小，按平方反比關係，呈現為巨大的強力；在原子內，尺寸比核內大了近5個數量級，呈現的電磁力比核力小了20個數量級；在分子之間至常觀距離更大、呈現為重力（弱力）；在天體之間，距離很遠，呈現為萬有引力。

    核外電子的運動能夠形成靜力（強度、剛度）；電子的運動也能產生動力。熱機所提供的動力多數來自於氣體的膨脹，實際上也是電子與電子之間的場力。電動機的動力來自於電子的宏觀運動和相互作用就有目共睹了。

 

    熱    熱是溫度、是能量。熱與材料的強度（內力）密切相關，是因為熱改變了價電子運轉的線路，使得電磁力方向不穩。

    大自然在火光中揭示：溫度高-物質熱發光頻率高-核外電子速率高，反之亦然。溫度實際上是核外電子運轉的快慢程度；熱能實際上是核外電子運轉的動能，速率高-熱能量大、反之亦然。

    某物質溫度高於環境溫度，運轉較快的核外電子發生由高速向低能級的躍遷，向周圍幅射出相應頻率的電磁波（熱光源），同時降低溫度；反之，若物質溫度低於環境溫度，則吸收能量-原子吸收周圍電磁波，導致自身的核外電子的速率升高（升溫）。原子系統就是這樣：用電子運動及伴生的電磁波與外界進行交流和互動，由此才有電磁波輻射（所謂的熱輻射）、才有“熱總是由高溫度物質向低溫度物質傳播”的熱力學第二定律。

    熱能夠加快核外電子運轉的速率，使原來不能進行的化學反應發生：燃燒，劇烈的氧化反應，導致高速率的氧氣降低溫度-形成熱發光。

    熱能夠使物質發生相變，改變內聚力，例如金屬的熔化。主要是由於高溫下，價和電子運轉加速、線路從平面躍升到立交，電磁力方向不穩，內聚力減小。

    人們利用熱來做功，實質上是利用物質的核外電子的運動、利用相變來做功，如熱機：蒸汽機、內燃機、燃汽輪機。相變是因為價和電子速率進一步增加，運轉路線由平面進入空間形成空間球面，利用分子表面電子與電子的斥力推動機械做功。

 

    電    人們所說的電，一般是指宏觀移動的電荷-電流。金屬物體導電性能好不是因為有什麼自由電子，而是金屬物體的價電子少，原子周圍比較空，有較大的電子通路。

    電壓是一種驅使電子定向運動的電磁波，導電首先是電壓波在物質的電子空位間的傳導。在電壓波的引導之下，電子在環路中換位元移動形成電流。金屬導電、半導體導電、液體導電共此一理。

    用核外電子規律運動、電子運動伴生波、金屬導體導通電壓波的觀點，解讀了變壓器原理；電感器通直流電，阻交流電；電容器通交流電，阻直流電的原理。

 

    自然雷電是因為地球表面的游離電荷被吸引到水蒸氣分子周圍，隨著H2O氣體上升到天空，遇冷，H2O凝結成水霧，電荷被擠出H2O，成了雲層中的電荷，聚集多了，電壓升高。擊向大地或別的雲層，形成雷電。

 

    磁     奧斯特發現了直流電導線外小磁鍼的偏轉，這個實驗告訴我們，電子的運動伴生著磁場，大自然的磁性來自電子的運動。

    磁性材料的共同特徵都是二價過渡元素，當二價金屬在受到外磁場的作用時，其部分可以擺動的尾結構元順應外磁場、把自身調整到與外磁場力相適應的方位，形成平行同向的價和電子運轉，構成同向的價磁力。於是這樣的二價金屬能夠被外磁場吸引；當外磁場撤去以後，這些尾結構元的價和電子保持其運動慣性和方位，構成了物體的磁性。

    當外界溫度升高，價和電子速率加快、線路變化。價和電子線路晃動導致伴生的磁力晃動，物體的磁性就減弱。當溫度升高到居裡點時（鐵770℃）。原先平行同向的價和電子脫離平面線路，使得價磁力方向紊亂，磁性材料的磁性也就消失。

    霍爾效應、磁致伸縮，都是在外磁場作用下電子運動線路發生相應改變所發生的效應。

 

    光     光是有一定波長的電磁波。電子線性運動伴生著磁場。如果電子振動、使伴生的電磁脫離場源，就成為輻射的電磁波（發光）。所以與發光息息相關的是電子的振動。

    在光譜實驗中，經過分光鏡，不同元素的光譜各自呈現。鈉光譜是兩條明亮的黃線；鉀光譜是一條突出的紫色線。光譜顏色表明了該元素在本生燈中價電子速率、譜線的條數就是該元素價電子的個數。光譜實驗清晰地告訴我們，光（電磁波）的發生與電子息息相關、是電子振動所發出輻射。 致使電子振動有以下幾種情況：

    當物質溫度高、環境溫度較低時，核外電子發生由高能級向低能級的躍遷運動，躍遷是電子的振動，輻射出相應頻率的電磁波。這就是熱光源。

    電子在強磁場、高壓電場作用下或在半導體中也會發生振動，電子振動所的輻射的是不同頻率的光。電子振動的頻率構成了光波的頻率，大量電子振動所伴生的電磁波輻射形成了冷光源。


    鐳射的形成是核外電子規律運轉有力的實驗證明：鐳射材料的核外電子吸收外界電磁波輻射、定向的波在材料內整合，才能發射出頻率穩定、相干性好的鐳射，

 

    核    要探討原子核，必須全力關注來自核內的資訊、緊扣來自核內的線索，放射現象——從放射性元素原子核內放射出的三種射線：α射線，β射線，γ射線。這可是大自然提供的原子核的內部資料。

     α射線， 由2個電子緊密環繞4個質子，結構正好是氦原子核的粒子流。氦核結構非常穩固，在核爆炸時也不分開。

    β射線，高速的電子流。電子被高速放射出來，說明放射性元素的核記憶體在著高速運轉的電子，應該注意到這是α射線之外的電子。

    γ射線，頻率極高的電磁波，頻率在3X10^18。高頻電磁波說明放射性元素核記憶體在著極高速運轉的電子，才有如此高頻的輻射。原子核的直徑是原子的萬分之一，所以核內電子運轉半徑極小、速率極高，每秒3X10^18轉，因而躍遷時輻射出γ射線。

    三種射線，給出了核子物理的基本內含，質子、電子，電子運轉的線路、極高的速率。同時 ，核內電子極高的速率具有極大的結合能，這個能量構成了部分的原子能。

 

    自然界的力、熱、電、磁、光、核，看似風馬牛各自自成體系，互不相及。然而以上的論述，不約而同地涉及、歸結到其基礎：核外電子——它們共同的根，物理學定律統一，也就有了基礎。物質各種特性的內在機制就在於電子的運動，核外電子規律運動構成了物質的本質屬性。以質子帶動核外電子規律運動為臍帶，孕育了物理學獨立的幾大分支，把自然界的各種能量也聯繫起來了，找到了能量守恆的內在原因。

    電子的規律運動，不僅把物理學各個獨立的分支整合、還原成一個系統的整體，並且達到內在的邏輯一致性。電子的規律運動也將是化學、生物學科學統一的研究基礎。
   
    2019/6/28  整理發表