引力作用和电磁作用的统一理论综述

引力作用和电磁作用的统一理论

内容提要

本文回顾了引力作用理论和电磁作用理论发展的历史，简要叙述了正统理论基本相互作用理论。指出了经典物理学和近代物理学的正统理论关于引力作用和电磁作用认识的盲区和误区。揭示了质量和电荷，角动量与磁矩的内在联系。探讨了引力作用和电磁作用机制。确立了引力作用与电磁作用是自然界基本相互作用。

李鑫2012年3月12日

目录

1 引力作用理论和电磁作用理论历史的回顾

2 近代物理学统一相互作用理论存在的困难

3 关于引力作用和电磁作用认识的盲区和误区

3.1 经典物理学引力作用和电磁作用认识的盲区和误区

3.2近代物理学的正统理论关于引力作用和电磁作用认识的误区。

4 引力作用和电磁作用内在联系

4.1质量与电荷的传统和正统正概念

4.2. 质量和和电荷内在联系

4. 2.1微观粒子的质量和电荷内在联系

4.2.2天体的质量和电荷内在联系

4.3 角动量和磁矩内在联系

4.3.1 微观粒子角动量和磁矩内在联系

4.3.2天体角动量和磁矩内在联系

5. 引力作用机制

5.1. 引力场理论

5.2 微观引力场

5.2.1 de Broglie假设

5.2.2 微观引力场的基本相互作用

5.3 天体引力场

5.3.1 天体引力场现状

5.3.2 天体自聚能与天体内部微观结构

6 电磁作用机制

6.1 电磁场理论

6.2 微观电磁场

6.3 天体电磁场

1 引力作用理论和电磁作用理论历史的回顾

16世纪丹麦天文学家B. Tycho对行星绕日运行作了长期的观测，记录了大量准确可靠的天文数据资料，他死后20年，由德国天文学家J. Kepler整理分析这些资料，在1609一1619年，先后公布行星运动三定律。英国著名的物理学家I.Newton，英国科学家S.Hook 和荷兰物理学家C.Huygens都曾根据开普勒定律推测行星和太阳间存在和距离二次方成反比的引力，为此Hook和Newton还通过信，因此，对定律的首创权有过争议。Newton还曾对晚年的忘年交斯多克雷说过，1666年他在家乡避瘟疫时，曾因见苹果从树上落地而想到地球对苹果的引力是否可延伸到月球。此说传布很广，许多科学家深信不疑，并对牛顿为何推迟20年才发表万有引力定律有种种推测。 1687 年 7 月 Newton名著《自然哲学的数学原理》问世。万有引力定律公开发表。它和牛顿动力学三定律一起，构成了牛顿力学特别是天体力学的理论基础。在Newton 以后，经过J.-L .Lagrange, P.-S. Laplace和S.-D.Poisson. 等人的卓越工作，建立起完整和谐的力学体系，经典引力理论被包括在经典力学体系之中。

19世纪中叶，描述电磁现象的基本实验规律：库仑定律、毕-萨-拉定律、安培定律、欧姆定律、法拉第电磁感应定律等已经先后提出，建立统一电磁理论的课题摆在了物理学家面前。J.C。Maxwell审查了当时已知的全部电磁学定律、定理的基础，提取了其中带有普遍意义的内容，提出了有旋电场的概念和位移电流的假设，揭示了电磁场的内在联系和相互依存，完成了建立电磁场理论的关键性突破。1865年Maxwell建立了包括电荷守恒定律、介质方程以及电磁场方程在内的完备方程组。麦克斯韦方程组关于电磁波等的预言在三十年后为德国物理学家H.-R. Hertz的实验所证实，证明了位移电流假设和电磁场理论的正确性。它是物理学继牛顿力学之后的又一伟大成就。荷兰物理学家H.-A.Lorentz于1895年提出了著名的洛伦兹力公式，完善了经典电磁理论。经典电磁理论被包括在经典电动力学理论体系之中。

在星系和恒星世界，引力作用主宰着天体的运动，而电磁作用只是引力的v

c

阶（v是天

体运动速度，c为光速）小量，在原子和分子世界，则是电磁作用的一统天下，引力作用强度只是电磁作用强度的37

10 。

经典力学体系和经典电动力学体系都各自成体系，统一的物理理论不能允许这样两个体系毫无连系地并存着。长期以来，统一引力作用和电磁作用一直是物理学家的追求目标。

首先，人们是利用以太概念，想把电磁作用纳入力学体系之内。人们设想了形形色色的电磁以太机制，理论变得越来越玄妙，而问题和困难也越来越大。德国物理学家H.-R. Hertz 审慎地抛弃了所有的力学推测，我们引用他自己的话来说明问题的实质：“所的物体，包括自由以太，其内部从静止的初始状态开始，可以受到我们称之为电的一些扰动和另一些我们称之为磁的扰动。我们不知道这些状态变化的本质，而只知道由于它们存在而引起的现象。”（M. 波恩著，《爱恩斯坦相对论》 P211 河北人民出版社出版，统一书号 13086.77）其次，人们用以太把电磁作用统一到力学体系内的努力受到挫折后，就想把力学统一到电动力学体系内，利用电磁质量代替力学的质量概念。如ABrajam 曾假定电子的全部质量都是电磁质量，由此得出电子古典半径与原子核大小差不多。现在我们知道ABrajam 的理论存在着许多严重困难。

综上所述，尽管物理学家们作了巨大的努力和发挥了巨大的创造才能，仍不能把电动力学纳入力学体系，也不能把力学纳入电动力学体系。

2 近代物理学统一相互作用理论存在的困难

近代物理学关于自然界基本相互作用的观点是：

“决定物质的结构和变化过程的基本的相互作用。近代物理确认各种物质之间的基本的相互作用可归结为 4 种：引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。

近代物理的观点倾向于认为 4种基本相互作用是统一的，物理学家正在为建立大统一理论超统一理论而努力。

引力相互作用

所有具有质量的物体之间的相互作用，表现为吸引力，是一种长程力，力程为无穷。其规律是牛顿万有引力定律，更为精确的理论是广义相对论。在4种基本相互作用中最弱，远小于强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用，在微观现象的研究中通常可不予考虑，然而在天体物理研究中起决定性作用。按照近代物理的观点，引力作用是通过场或通过交换场的量子实现的，引力场的量子称为引力子。

电磁相互作用带电物体或具有磁矩物体之间的相互作用，是一种长程力，力程为无穷。宏观的摩擦力、弹性力以及各种化学作用实质上都是电磁相互作用的表现。其强度仅次于强相互作用，居四种基本相互作用的第二位。电磁作用研究得最清楚，其规律总结在麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式中，更为精确的理论是量子电动力学。量子电动力学是物理学的精确理论，按照量子电动力学，电磁相互作用是通过交换电磁场的量子（光子）而传递的，它能够很好地说明正反粒子的产生和湮没，电子、μ子的反常磁矩(见粒子磁矩)与兰姆移位等真空极化引起的细微电磁效应，理论计算与实验符合得非常好。电磁相互作用引起的粒子衰变称为电磁衰变。最早观察到的原子核的γ跃迁就是电磁衰变，其他还有如π0→γ＋γ等。电磁衰变粒子的平均寿命为 10-16～10-20秒（s）。

弱相互作用

最早观察到的原子核的β衰变是弱作用现象。弱作用仅在微观尺度上起作用，其力程最短，其强度排在强相互作用和电磁相互作用之后居第三位。其对称性较差，许多在强作用和电磁作用下的守恒定律都遭到破坏（见对称性和守恒定律），例如宇称守恒在弱作用下不成立。弱作用的理论是电弱统一理论，弱作用通过交换中间玻色子W 和0Z而传递。弱作用引起的粒子衰变称为弱衰变，弱衰变粒子的平均寿命大于10-13s。

强相互作用最早认识到的质子、中子间的核力属于强相互作用，是质子、中子结合成原子核的作用力，后来进一步认识到强子是由夸克组成的，强作用是夸克之间的相互作用力。强作用最强，也是一种短程力。其理论是量子色动力学，强作用是一种色相互作用，具有色荷的夸克所具有的相互作用，色荷通过交换 8种胶子而相互作用，在能量不是非常高的情况下，强相互作用的媒介粒子是介子。强作用具有最强的对称性，遵从的守恒定律最多。强作用引起的粒子衰变称为强衰变，强衰变粒子的平均寿命最短，为 10-20～10-24s，强衰变粒子称为不稳定粒子或共振态。”以上内容摘自《中国大百科全书（金山词霸版）》。

在近代物理学正统理论中,统一相互作用的理论是由主流学派和非主流学派沿着两个方向进行的。

一个方向是正统理论非主流学派代表人物 A.Einstein在广义相对论基础提出的统一场论.。统一场论目的是要把电磁规律与引力规律合并在一个理论体系里，Einstein 希望用这种方法不仅可以得到形式上的统一,而且可以解释基本粒子的存在和它们的奇怪行为。大多数科学家都怀疑他的这项工作。直到他逝世时（1956年），他的目标仍像早先那样遥远。

另一方向是正统理论主流学派的统一理论。主流学派的统一理论，其动力学理论基础是量子电动力学和量子场论。这个统一理论是建立在强子分类八度法基础上的唯象理论，即逐三代轻子和三代夸克的标准模型。唯象的统一理论主要有：S.Weinberg 和A.Salam 于1968年提出的弱电统一理论；以及在量子色动力学基础上，建立的统一描述弱相互作用、电磁相互作用和强作用的大统一理论等。大统一理论不包括引力作用。

李政道先生讲：“不过单是弱电统一规范的标准模型就需要大约20个参数，……，另一个方面，把我们已有的理论看成实质上是唯象理论更为合适，毕竟，谁曾听说过，一个基本的理论要求20个左右的参数呢？”（〈美〉李政道著，《场与粒子》463页，山东科技出版社出版）

3 关于引力作用和电磁作用认识的盲区和误区

3.1 经典物理学引力作用和电磁作用认识的盲区和误区

如前所述，数百年来理论力学与电动力学是两个平行的独立的学科。在宏观体系中，质量和电荷在量上没有任何内在联系，这是人们的常识，也是人们认识的盲区。

在微观体系内，许多物理粒子都有自旋，电荷和磁矩。

根据《中国大百科全书》大气科学卷／大气物理学／大气电学／全球大气电平衡词条介绍，地球的电荷是515510 1.510e Q C =-?=-?CGSE 。

星系、恒星、行星、卫星，以及星际空间和星系际空间，都存在着磁场。天体的磁场是怎样产生的？这是天体磁场研究的一个带根本性的重大问题。从十九世纪末期以来,曾有许多天文工作者探讨这方面的问题，先后提出过好几种不同的学说，其中，转子学说认为，天体的磁场强度与自转速度成正比，而且还有人认为这是自然界基本规律之一，也是电磁场与重力场之间联系的具体表现之一。这方面的代表人物是英国物理学家P.M.S.Blackett （布莱克特）。布莱克特曾指出，天体磁矩P 和天体自旋角动量U 这两个物理量之间存在下列关系：

P β= 上式中G 为引力常数，c 为光速，β是一个近似等于1的常数。但是，布莱克特后来自己否定了转子学说理论。

根据上述观测事实，按照人们思维逻辑可以判断在微观体系和天体体系，质量和电荷，角动量和磁矩存在量上内在联系。

3.2近代物理学的正统理论关于引力作用和电磁作用认识的误区。

近代物理学的正统理论认为，强作用是自然界所谓强子之间基本相互作用，这是近代物

理学正统理论认识的误区。

A Eiinstan 在否定主流学派的量子力学几率说时曾说过一句话：“不要忘了还有个牛顿万有引力。”AE i i n s t a n 这句话是说对了，牛顿万有引力确实是微观

体系中的基本相互作用，强作用只不过是由牛顿万有引力定律推导出的表象规律。

近代物理学在百年之间做了大量实验，发现了一代、二代和三代基本粒子以及它们的某些奇异行为，建立了如电子量子电动力学、量子色动力学、流代数、弱电统一理论和三代轻子和三代夸克的标准模型等许多新的物理理论。但是，近代物理学在原子核物理学和粒子物理学遇到了无法克服的困难，已经完全失去前进方向，处于进退唯谷的尴尬境地。 4 引力作用和电磁作用内在联系

4.1 质量与电荷的传统和正统正概念

无论是传统的经典物理学还是正统的近代物理学，质量与电荷（或磁荷）是两个不同的基本物理量。经典理论和正统理论关于质量和电荷两个基本物理量概念是：

质量是基本物理量之一。按量度的依据不同有两个定义：根据牛顿运动定律，质量是惯性大小的量度，称惯性质量；根据万有引力定律，质量是物体对其他物体的引力大小的量度，称引力质量。地球物理学家L.B.von 厄缶于 1889年用极为精密的扭秤证明两者的差别不大于 10-9 ，后又有人将精度提高到9×10-13 。在经典力学中认为物体的质量是不变的，但狭义相对论认为物体的质量将随其速度和动能而增加，并由实验证实。质量的国际单位制单位为千克。

电荷是物质的固有属性之一。琥珀经摩擦后能够吸引轻小物体的现象是物体带电的最早发现。继而发现雷击、感应、加热、照射等等都能使物体带电。电分正、负，同号排斥，异号吸引，正负结合，彼此中和，电可以转移，此增彼减，而总量不变。

近代物理学发现，构成物质的基本单元是原子，原子由电子和原子核构成，核又由质子和中子构成 ，电子带负电 ， 质子带正电 ，是正、负电荷的基本单元，中子不带电。所谓物体不带电就是电子数与质子数相等，物体带电则是这种平衡的破坏。在自然界中不存在脱离 物质而单独存 在的电荷 。 在一个孤立系统中，不管发生了什么变化，电子、质子的总数不变，只是组合方式或所在位置有所变化，因而电荷必定守恒。

为了说明电荷的特征，不妨与质量作一些类比。电荷有正、负之分，于是电力有排斥力和吸引力的区别，质量只有一种，其间总是相互吸引，正是这种区别，使电力可以屏蔽，引力则无从屏蔽。A. Einstein 描述了质量有随运动变化的相对论效应；而电子、质子以及一切带电体的电量都不因运动变化，电量是相对论性的不变量。电荷具有量子性，任何电荷都是电子电荷e 的整数倍 ，e 的精确值（1986年推荐值 )为-19e 1.6021773310C ≈?。

质子与电子电量（绝对值）之差小于 10-20e ，通常认为两者的绝对值完全相等。电子十分稳定 ，估计其寿命超过22

10年，比迄今推测的宇宙年龄还要长得多。

按照正统理论主流学派提出的唯象理论，物理粒子存在分数电荷。但是还没有发现分数电荷存在的确凿证据。 4.2. 质量和电荷内在联系

4. 2.1微观粒子的质量和电荷内在联系

电荷本质是质量旋转，电荷是旋转的质量形成的导出物理量，而不是基本物理量。 在微观粒子体系中，带电的粒子都存在自旋，这样就形成的电荷。电子电荷e 与质量的量的联系是

P e -= (4.1)

上式中基本电荷e 是电子电荷，e =－1.60217733(49)1910-?C ≈-４.81010-?CGSE

1137

α=是精细结构常数，G 是引力常数，P M =2.17671(14)510-?g,是Planck 质量。

4.2.2天体的质量和电荷内在联系

天体带电是普遍现象，按照(4.1)式启发，自转天体带电量正负按照旋转方向我分，电量e Q 是

e v Q m c

= (4.2) 上式中m 是天体质量，v 是自转天体各质点平均转动线速度，c 是光速。按照(4.1)式计算结果与地球带电515510 1.510e Q C =-?=-?同数量级。没有查找到任何其它的天体的

电荷观测值。因此对于天体的电荷e v Q m c

=是否有根据还不能进行分析。 4.3 角动量和磁矩内在联系

4.3.1 微观粒子角动量和磁矩内在联系

观测数据表明，微观体系中的粒子的角动量J 与磁矩m P 之间存在定量联系。磁矩和角动量在同一条直线上，成正比。如自转微观的粒子的偶极磁矩m P 等于

11222P m P e G e GM mc αα====J J J P e e e J (4.3) 上式中，e 是电荷，

m c =是普朗克常数，m 是粒子质量，是粒子康普顿波长，c 是

光速，J e 是角动量单位矢量，α是精细结构常数，G 是引力常数，P M 是普朗克质量，

P P M c =J J e 定义为普朗克质量的角动量。

原子的磁矩和角动量关系按照耦合方式计算比较复杂，计算结果与观测数据符合较好。质子和中子具有反常磁矩，原子核的磁矩的计算结果与观测数据基本不符

4.3.2天体的角动量和磁矩内在联系

根据天体带电的( 4.2)式e v Q m c

=，天体偶极磁矩m P 与自转角动量J 的关系是

2m c =P J (4.4)

由(4.4)式计算出地球的磁矩结果与地球磁矩观测值257.910?数量级相同。根据对白矮星、

脉冲星，行星等等天体的偶级磁矩观测数据，与(4.4)式计算结果基本相符。

微观粒子的角动量与磁矩定量关系和天体的角动量与磁矩定量关系具有相同形式，即磁矩与角动量民比例。

5. 引力作用机制

5.1. 引力场理论

5.1.1 引力场的本质

我们只知道由质量M 激发的引力场的现象，而不知道引力场的本质。

由质量M 的质点或球型质壳激发的引力场是加速度g 的汇场，在引力埸中每一个空间 点加速g 是确定的，径向指向质心，处于该点的质量m 以加速度g 向加速度的汇源运动。引力作用不是瞬时超距的，是由引力场传递的，引力场不是空的空间，但是，我们不清楚加速度场传动引力的机制，也就是说，我们不清楚引力场里面是什么物质。正统理论认 为引力是引力子传递的，没有人发现引力子，我们对它不得而知。

天体体系引力场重要现象是收缩。根据有关资料介绍，天体在收缩，天体运动轨道在收缩，在收缩过程中天体引力自聚能不断地增加，由于引力自聚能是负的，天体在收缩过程不断的释放、存储能量,恒星内的核反应能源来自恒星的收缩。天体自聚能决定天体的形态，微观结构，内部温度，恒星核辐射燃料用尽后就逐步变成白矮、中子星和黑洞。

微观引力场与天体引力场相比是稳定的，原子核寿命都很长，氢原子核p 寿命约2310年。在我们已知的宇宙中，核素的丰度大致相同，核反应无论如何强烈，最后产物仍然是原子核。这说明，原子核是我们周围世界稳定存在的基础。

51.2 引力场理论

描述引力场的理论有很多，主要有 A Einstein 广义相对论和Newton 的引力定律。 A Einstein 广义相对论认为引力作用是由空间弯曲引起的。在引力和宇宙学的研究中，广义相对论目前占据主导地位。根据某些文献报道广义相对论已经通过某些了实验的检验。但是广义相对论的理论基础不符合人类思维逻辑，在广义相对论基础上建立的统一场论在学术界活跃几十年后，现在已经锁声匿迹了。

Newton 的绝对时空理论、动力学三定律和万有引力定律是经典力学的理论基础。它像欧几里德几何学一样是具有公理性的逻辑形式。按照牛顿引力定律，引力场是空的空间，引力是瞬时超距的，引力场的源是无旋的质点或圆型球壳。由于自然界并不符合牛顿引力定律逻辑形式要求，牛顿引力定律在许多情况下只是近似成立的。需要按照具体情况进行修正。

5.2 微观引力场

5.2.1 de Broglie 假设

按照de Broglie 假设，物理粒子的能量和动量遵循de Broglie 规则，即粒子的能量E 和动量P 满足如下关系。

E ω= (5.1)

=P k (5.2)

上式中2h π=，h 是Planck 常数，2ωπν=为粒子的圆频率，k 为粒子的波矢，其中12||πλ

==k ，λ为粒子的Compton 波长。粒子的能量E ，动量P 和角动量J 按照其定义可以写成

2E mc = (5.3)

m =P v (5.4)

m =?J r v (5.5)

根据大量实验观测结果，Fermi 子的角动量是2整数倍，Bose 子的角动量是的整数倍。根据上述关系，可以得出物理粒子满足如下结论

H H m c = (5.6)

上式中H m 是粒子的质壳质量，H 是粒子的Compton(康普顿)波长。

物理粒子质量m 等于质壳质量H m 与结合能V 之和。

22H mc m c V =+ (5.7)

如原子核的质量A m 就等于原子核质壳质量H m 与结合能之和，即，

2

22222A HA p A A c m c m c m R R =+- ，其中222p A m R 是斥力能（Schr ?dinger 压力项），2A c R -是引力能。

5.2.2 微观引力场的基本相互作用

Newton 万有引力定律是微观引力场的基本作用。

物理粒子是微观世界的动力学体系，具有复杂的内部结构。物理粒子是空间奇点，换句话物理粒子内存在一个空洞，空洞直径称为粒子的Compton(康普顿)波长H ，H 决定物理粒子的质壳质量H m ，稳定粒子外壳半径R 一般很小，R 决定粒子的结合能，当R →∞物理粒子是自由的。人们常识中粒子内壳实际上是粒子真正的外壳，空洞内的世界是人所未知的，那里通向真正的无限大，所有空洞是连在一起的，那就是宇宙，粒子外壳R ，直到无限远是粒子真正的内部，

正统理论认为强作用是微观体系中的基本作用。这是一个认识的误区。所谓的强作用只是唯象理论，并不是基本相互作用。这个唯象理论实际上只是粒子间的牛顿万有引力作用具体描述形式。如两个核子的相互作用能V 可以表示为

2P GM c V R r

=-=- (5.8) 由(5.8)式可以看出，核子p 或n 的引力作用时的质量并不是核子p 或n 的质量p m 或n m ，而是Planck 质量P M 。也就是说在微观体系中，引力场是由场源P M 激发的。

在微观体系中，强作用强度与电磁作用强度之比是

22221//P P P V GM GM GM e R R R R αα

=-=-=强电V ，

上式中P e =，e 是电子电荷，e =－1.60217733(49)1910-?C ≈-４.81010-?CGSE 1137

α=是精细结构常数，G 是引力常数，P M =2.17671(14)510-?g,是Planck 质量。 在微观体系中，强作用强度与核子质量之间的引力作用强度之比是

222392/10p p P P

Gm m GM V R R M -==≈引力强V 在我们周围世界，稳定存在的物质世界都是以原子、分子形式存在的。原子核是构成原子、分子的核心，所以说原子核是最基本的物理粒子，

原子核具有复杂结构，其它物理粒子则是核反应过程中产生的从属的粒子，它们不能离开原子核独立稳定存在。我们不清楚原子核反就过程中，释放或吸收这些轻子、介子的规律性，也不清楚超子和共振态的规律性。有理由怀疑正统理论的粒子物理学的科学性和可靠性。

5.3 天体引力场的研究现状

目前的天体物理学的引力作用主要是研究太阳系内的两体运动，确切的说这个引力理论是几何学，不是物理学。因为这个理论目前主要观察、研究太阳系内的天体的位置， 而对于太阳系内天体的质量分布、电磁场的分布以及它们之间的关系等问题研究甚少。总而言之，天文学家数百年的努力成果是令人钦佩的，同时也是令人失望的。

6电磁作用机制

6.1 电磁场理论

Maxwell 的电磁理论与Newton 力学理论一起构成经典物理基础，符合人类的思维逻辑 形式，基本上具有公理性。目前仍然是人们实际工作中应用最多的理论。洛仑兹（Lorentz ） 的电子论完善了Maxwell 的电磁理论，但是在微观体系遇到困难，至此，经典理论开始向 近代理论过渡。

目前在微观体系占据统治地位的微观电磁学理论是量子电动力学。量子电动力学在氢原子理论中取得了巨大的成功。但是，量子电动力学在许多地方不符合人类的思维逻辑，缺乏坚实理论基础。

6.2 微观电磁场

原子物理学是微观电磁场成功应用理论。原子物理学基本是正确的，因为原子物理学能够说明绝大数观测数据。但是，原子物理学绝不是量子力学算出来的，而是人们根据观测数据总结出来的表象理论。

微观电磁场还有许多不解之谜，如原子核的A~Z 关系，质子、中子、超子等的磁矩等。电子是最简单粒子，现在没有人能说清楚电子是什么，不清楚电子的大小、电荷分布，量子力学的几率理论能把电子说清楚吗？

6.3 天体电磁场

天体电磁场来源于质量的旋转。拉莫尔早就说过太阳的黑子磁场就是巨大的旋涡。在稳定天体体系中，引力起着主导和主要作用，而电磁作用只是起辅助和次要作用。目前天体电磁场观测数据虽然不少，但是，还没有出现权威理论。

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