物质世界四面体结构和地球四面体动力模型研究

2022-09-11

地质科学或其他相关的地理科学研究中, 我们都面临着难以逾越的障碍:板块漂移的力来自何处?为什么本应形成于热带的矿物燃料现在却位于南北极附近?为什么白垩纪现在的北极圈地区曾生长着喜温植物?按我们已知的物理理论, 陆地在地球自转产生的离心力的作用下, 由极地向赤道运动;而这些现象是与我们物理理论推出的结论相悖。1807年成立的伦敦地质学会提出了“收集资料, 而不构建理论”的会训 (王蒲生, 2002) , 所以, 地质地理学科描述多、定律少。但是, 我们每个人都无法回避这一事实:陆地确实存在由赤道向南、北两极运动, 占世界储量90%以上的煤位于北纬30°以北, 它们过去应位于赤道附近, 这是为什么呢?还有其他系统的动植物化石、土壤、岩石地质资料, 也都证明着上述事实。事实这些存在着的上帝, 是理论的起因和归结。我们理论的正确与否, 只能由它去裁决。逻辑是一种认知世界的工具, 我们只能运用逻辑提供的方式大胆地探求, 用科学的实验去证实, 根据事实去修订现有理论。

牛顿万有引力定律发表至今已有三百多年了, 但是这个力的来源, 牛顿当时没有搞清楚, 现在仍是物理学研究的重要课题。牛顿以后, 人类对物质世界的认识有了伟大的发展, 人们对微观世界的认识, 由分子到原子到电子、质子、中子、到光子, 对宏观世界的观测和认识由于卫星观测等新技术的应用也有了巨大进步。这些资料的积累和相互间的对立之外, 既给本文提供了翔实的资料, 又奠定了理论飞跃的基础。

1981年冬, 《光明日报》报道, 世界著名物理学家、诺贝尔奖获得者李政道博士归国讲学时提出“物质世界四面体结构”学说。这一理论为我们进行研究指明了前进的方向, 坚定了我们的信心。

本文由基本粒子的组成性质定律及其验证和地球四面体动力结构的验证两部分组成。第一部分对于原子核的四极子结构、中子的不稳定性, 作了说明, 并且计算了基本粒子的质量和长度;第二部分完整地提供了地壳运动的动力模型, 可以全面地解释地质构造成因、古地磁极游移、南极大陆的地史漂移、古陆由赤道向极地游移等力学机制。

1 物质世界基本粒子的数学表达式及其含义

其中R2= (2n) 2n, 也可分别表示为:当R>1时, 当R<1时当R>1时, 为分母。这个公式的意义是:物质世界是由阴、阳两种基本粒子组成, 其量的大小与质量成正比。它们之间的作用力, 当距离R>1时, 同性相斥、异性相吸, 与成反比;当R<1时, 同性相吸, 异性相斥, 当2N成正比。

自本世纪初以来, 由于粒子物理研究的深入, 继发现原子之后, 陆续发现了核外电子、中子、质子和一系列亚原子粒子, 为了解释这些现象, 出现了很多科学学说, 仍有一些现象, 用通俗的质点论和球形学说无法自圆其说。什么是最基本的粒子?它有哪些特性?这是人们普遍关心的问题。关于基本粒子的主要推导过程如下。

1.1分析、推论过程

假定世界由最基本的两种性质相反又对称的物质组成。由库仑定律知, 若正、负电子之间距离为0时, 引力为无穷大, 而电子与质子结合成中子后, 自由中子有放射性, 吸收一定的能量就可分裂为电子与质子。因此, 我们可以推想最基本的正负粒子之间存在一个距离r, 这是第一步。

参考偶极子之间的作用力公式, 用泰勒中值定理可以推出, 只有当最基本的正负粒子之间的作用力时, 才能有合力符合牛顿万有引力表达式, 这是第二步。若为定值时, 太阳系行星的运行轨迹应有显著的进动, 如水星。实际上水星近日点虽有进动, 却不很显著, 所以我们把n作为距离R的变化较小的一个函数R2= (2n) 2n这是第三步。

分析如果到此为止, 仍是一些无法证实的假想。然而距离R与2n的函数关系的讨论, 开辟了新的研究途径。当R=1时, 2n=1, 当R<1时, 只有2n<-1时, 该公式才能成立。R=1的单位长度我们将在后面解决。

(1) 推论一, 由定律可以得出阴阳粒子之间距离R=1时, 最为稳定, 处于不受力的束缚状态, 若组合成立体结构, 应为稳定的正四面体, 这种正四面体结构上阴、阳两种粒分布不均衡, 所以中子、质子及其构成的原子核必然有四极子特性, 这与用精密光谱仪分析发现原子光谱中有来源于原子核四极矩的超精细结构相一致 (程守洙, 1979) 。经计算知, 正四面体结构四顶点, 两条同性粒子连线中点与四面体中心的连线上与相应的相同正四面体单元互相吸引, 但是在四条异性粒子连线中点与四面体中心的连线上与相应的相同正四面体单元相排斥, 这就是说自然界中存在的最大单元立体结构大小一致, 并不稳定, 可以解释中子的存在和自由中子具有放射性的事实 (程守洙, 1979) 。更进一步地研究中子的结构, 将有助于确定系数K。计算过程如下。

模型Ⅰ:在四面体顶点与中心连线上, 相同四面体结构受力计算 (见图1) 。

已知正四面体粒子数值与其质量成正比, 分别记为Qm、QM, 中心距离为R, 四面体边长r为一定值, 由得四面体作用力为四个质点受到另一四面体作用力之和即

泰勒 (Taylor) 中值定理:若函数f (x) 在含有点x0的某个开区间 (α, b) 内具有 (n+1) 阶导数, 则当x在 (α, b) 内时, f (x) 可以表示为 (x-x0) 的一个n次多项式与一个余项Rn (x) 的和:

讨论:用x0=R代入, ∵R》r, ∴相对∴只计算到一级。

又∵

模型Ⅱ:在四而体异性粒子连线的中点与四面中心的连线上, 相同正四面体结构受力计算:

根据泰勒中值定值, 当R》r时, 有

在这里F>0。∵F>0, 两个四面体结构之间存在的力相互排斥。∴物质正四面体结构单元。一是大小相等的有限量;二是这种单体同性粒子连线的中点与正四面体中心的连线上, 相同正四面体结构受到的作用力的计算。

根据泰勒中值定理, 当》r时, 有

关于原子核四级子结核与物质正四面体结构的关系普通物理学第三册原子核物理部分 (程守洙, 1979) 告诉我们科学家发现原子核具有四极子微观结构。 (原子核电四级矩超精细结构) 。所谓“四极子”我们有普通物理学电场部分讲到“偶极子”和“四极子”, 并知道“四极子在不均匀电场中要产生运动。“四级子”是带异性电荷且电荷集于四点, 同性、异性电荷间有一定距离的带电体现象, 四极子指的是平面几何观察的现象。

物质世界正四面体结构, 就是三维空间中四级子结构的一种表现形式。

(2) 推论二, 由普朗克量子假设 (程守洙, 1979) 、爱因斯坦的光子理论 (程守洙, 1979) 和海森伯“测不准关系式” (程守洙, 1979) , 我们可以发现海森伯“测不准关系式”的关键是不准量乘积必须大于和等于普朗克恒量h。基本粒子的研究长期以来忽视了对这一恒量本身的分析。爱因斯坦的光子理论假定光子静止质量为0, 这与他认为光子是一与波的频率成正比的函数, 而他又坚持线性的连续有关。但普朗克恒量h在自然界中, 不能以0.2h或1.2h之类存在, 这是事实, 我们必须精心地研究。爱因斯坦相对论的质能关系式 (复旦大学, 1979) :E=mc2, 告诉我们质量的增减, 伴随能量得失, 如原子核反应是失去质量得到能量, 化学反应也有相当于分子质量的10-9的变化 (复旦大学, 1979) , 但是我们要问, 光合作用发生了能量增加的化学变化, 应该说分子质量增加了, 这增加了的质量就来自于增加了的能量——光能, 这表明光能可以转化为静止质量, 那么静止的光子应该具有质量。应用爱因斯坦质能关系式和普朗克恒量, 可以计算出传播光的最基本粒子的质量:

由中子的质量可以导出中子中含有最基本粒子的个数为

计算知正四面体结点总数S与正四面体结点构成的行数之间关系为因每一个最基本粒子包含阴、阳两个粒子, 所以求解得行。我们用实验测得原子核比例系数R0=1.2fm作为中子的半径, 其内内接正四面体边长a为

设阴阳离子间的单位长度为r, 那么

在这里, r这就是我们常说的光子的长度。比过去人们认识的1.2fm, 推进了8个数量级。

薛定谔方程中零点能 (程守洙, 1979) , 正是我们传播光的粒子也可一分为二的旁证, 光子可分是其物质基础。

用四极子结构理论解释核力就比较简单和方便了。

2 地球正四面体动力结构的验证

(1) 前人工作的回顾:1875年, L.格林提出地球四面体学说 (Ttrahedal Theory) , 力图解释大陆地块和海洋分布中的明显对称性, 并且认为在地球冷却时地球的外壳翘曲成为一个四面体。该学说解释了一些海陆分布现象。1910年, 魏格纳的大陆漂移说 (Continental Drift) 认为, 原来的硅铝层大陆——魏格纳称之为泛大陆——后来破裂成了几块, 各自漂移开去, 形成若干个大陆岛。几个彼此对峙的大陆的海岸轮廓, 便是大陆漂移的证据, 他认为驱使大陆分裂的动力是离极运动和向西运动。20世纪60年代, 由于板块学说 (Plate tectonics) 的兴起, 大陆漂移说又获得重大发展, 而古地磁研究 (Palaeomagnetism) 则给板块学说提供了有力的证据。但是已经证实地地壳是一个可塑性刚体, 在其上面大陆块不能几千上万公里的移动。尽管如此该学说已成为当前地质科学的主要流派, 然而, 正如范时清在《世界大洋地质基本轮廓》 (范时清, 1978) 中所指出的, 板块学说存在致命的八大问题, 首要的是和其他学说共有的“运动力的来源”。李四光较早地利用力学方法解释地质构造, 在《地质学力学概论》 (李四光, 1973) 和《地质力学方法》 (李四光, 1976) 中作了精辟的论述, 关于力的来源, 他提出了地球自转引起, 对欧亚大陆东缘较西缘隆起强度大他提出了“刹车阀”的观点, 认为是地球自转速度变慢, 前进得快的陆地与海洋碰撞的结果, 地质史上五、六亿年前的珊瑚化石每年有400多条日纹, 自转速度确实较现在快。但为什么同处北半球的北美大陆西缘较东缘高差大?这是人们的一个疑问, 李四光先生治学严谨, 计算后认为这种力只及实际存在地质动力的1%, 并作了注释;还是推不动。虽然有种种不足, 但是李四光先生的构造体系学说和引入的力学观念, 对人们认识地质构造的力学机制, 具有启开先河的贡献。关于地球引力常数的变化, 秦荣先教授指导刘宏亚在《引力反平方定律的实验检验》 (刘宏亚, 1982) 一文中验证了Long反平方定律, 得出了引力常数G与地球半径r之间的函数关系式G (r) =G0· (1+ε.lnr) 。

其中r的单位为厘米, lnr≈20.27经修正后G与G0已有很大差距, 需要强调地是, 这是实验观测中得出的结论, 地球引力常数确实是个变量, 航天界详细系统的重力异常资料, 可供分析, 只是限于众所周知的原因, 需要保密。

(2) 引力常数变化的正四面体模型与地球正四面体模型。前面在验证一中曾计论了物质世界正四面体结构具有稳定性, 但在四条异性粒子连线的中点与四面体中心的连线上相同正四面体单元相排斥, 这可解释中子现象。在自由的天体如地球、月球、太阳等, 组成有序结构时亦应为正四面体结构, 上面的Long反平方定律即是一例, 至于排斥现象, 因原子核相对于原子来说是可以自由转动的, 只需调整连线上单元四面体极性, 就可转为吸引, 这样就会得到大的四面体结构。

在天体的球状计算中, 半径R不变, 则也不变, K为常量, 均可不予考虑, 通过代入公式计算, 发现在正四面体四个顶点与中心的连线是, 引力最小, 两顶点连线的中点与中心的连线上引力最大, 如果运用四个顶点与中心连线上作线性积分, 计算结果变化范围与Long反平方定律相近。

地球体的正四面体更详细的构筑, 科学条件已成熟, 只是我还未掌握这些资料, 留给世人补正吧。我们在下面只进行地球正四面体结构在地壳运动上的表现的讨论。

(3) 地球地壳的下部是软流圈, 软流圈虽不是可以自由流动的液体, 但如果不限制时间帕斯卡定律“密闭容器内的液体可以把加在上面的压强向各个方向传递”, 应还适用。由于引力常数大小的差异, 将导致引力大的地方地壳凹陷为海洋;引力小的地方隆起, 通过增大地壳和上地幔的厚度等方式均衡压力和引力。虽然四面体顶点和底面中心连线上引力常数变化一致, 但由于底面上的四面体单元与周围结合面积大, 结合能高, 顶点隆起幅度较对应底面中心处高。这样地球体应呈鸭梨状。

魏晋贤, 伍光和在《自然地理学》[7]中是这样描述的:“1959年, 人造地球卫星测出赤道以南某些地点凸出程度似乎比赤道以北某些地点高7.6米。进一步的计算表明, 南极离开地心的距离要比北极短15.2米而赤道也不是一个正圆, 赤道的半径在某些地方要比另外一些地方长430米”。这表明, 我们的思路是有实践意义和证据的。

这样地球上四面体的四个顶点, 必然位于隆起的大陆附近。欧亚大陆的北端与南半球的非洲、澳洲构成一个大三角形, 这个三角形的中心部位是赤道上东西对称的马来西亚——新加坡岛弧, 与这岛弧对称的是南美洲大陆北部在赤道部分隆起。根据李四光《地质力学概论》所附地质构造图, 北半球北极附近的点位于西伯利亚台块中心, 即北纬70.5°东经107.5°, 计算知, 非洲点位于非洲南部与马达加斯加这间的南纬28°、东经40°, 澳洲点位于澳大利亚与新西兰之间的南纬28°、东经175°, 赤道点位于南美洲北部的西经72.5°经线与赤道的交点处。

(4) 这样东半球欧亚大陆以东经107.5°经线为中轴新构造运动的结果是其西部以北西向构造为主, 其东部以北东向构造为主, 其夹角的大小, 由切变弹性模量公式[2-3]这里S为柱体底面的面积, f为底面受到的切向力, Φ为切变中胁变的量值, 用弧度表示, G为切变弹性模量;我们可以得到在这里而

f、G均可视为常量, Φ与S成反比, 我们可以得到欧亚大陆地质构造夹角的规律如下:在相同纬度地壳厚的地方向北扭转的方向角小, 地壳薄的地方扭转的方向角大。在不同纬度由于越往高纬纬圈越小, 若地壳厚度一致, 由于所受切向力的底面积变小, 所以纬度越高向北扭转的角度越大。

(5) 分布在不同纬度的四个点, 在地球自转离心力F=mω2R·cosα, α为纬度数, 纬度越低离心力越大, 引力相等, 离心力大的地方隆起幅度就越大。分别将北纬70.5°、南纬28°代入, 计算知, cos70.5°=0.3338 cos28°=0.4887经过计算, 可以得到南纬28°处的离心力是北纬70.5°的1.464倍。这样原来的均衡的四面体结构被打破, 为了建立新的均衡机制地壳在地幔上整体性地滑动, 这就能全面地解释南半球冈瓦纳古陆理论的矛盾之处:现在的南极洲来自低纬地区, 南极古陆在南极地区的地质年代不同, 且应是这种北南向运动与科里奥利斯地转偏向力相结合的一条有时代顺序的曲线。

现在地球的这种运动的方向为东半球自南向北, 西半球自北向南。古地磁曲线也是这种运动的产物。

(4) 、 (5) 两部分结合起来, 还可以解释欧亚大陆山脉自北向南地质构造年代越来越新, 自中间向两翼地质构造年代越来越新的客观规律。

地质地理学部分土壤、植物、动物资料很多, 今后, 另当专门撰文介绍。

3 结语

我们的工作虽不完美, 可是, 有两条发现是前无古人的, 第一是解决了原子核四极子结构的问题, 探讨了光子的性质, 这至少给人们提供了一条新思路;第二是依据事实勇敢地向人们描述了地壳运动不遵守现有物理定律的问题, 相信对这种运动的认识有助于物理学和地球物理学的发展。

限于条件和学识, 到此告一段落。但如果条件允许, 以下工作是有意义的: (1) 定律中R2= (2n) 2n的函数关系, 尽管接近事实, 但主观推论的成份大, 为了更贴近事实, 应根据精密的最新观测资料, 如水星近日点的进动等, 做出修正。 (2) 既然已发现基本粒子的物质组成, 场的统一可望有新的进展, 这就先要确定常数K。 (3) 加强光合作用机制的理论研究, 使植物俘获更多的太阳能的理想, 变成现实。 (4) 地球四面体动力结构在地质、地震、矿产上的具体应用。

摘要：本文从演绎研究牛顿万有引力公式入手, 运用物理学已经取得的成果, 发现了粒子物理数学关系式, 并计算出了光子的长度, 解决了原子核电四极矩超精细结构、中子放射性问题以及强相互作用问题。在地球科学领域, 解决了地球运动力的来源这一世界难题, 解释了log引力反平方定律、极游移运动、陆地运动等现象的规律。

关键词：物质世界四面体,光子的长度,地球,四面体动力,模型