量子旋进论.doc

量子旋进论 陈绍光编者按：量子旋进论是用非点模型首先取得了实质性研究成果的论文。原稿完成于1964年6月10日，与夸克模型和弦模型产生于同一年代。该文1978年在清华大学公开报告后，受到了中央领导重视并指示刘达校长支持该项研究。此后，作者被从江西宜春计量所调入江西省科学院，并在清华大学、江西省科委和江西省科学院三方合作支持下，长驻清华大学专心研究了12年。由该论文发展出来的研究成果发表了几十篇论文和两部专著。至今,此初始论文在突破点模型观念上的重大创新仍值得借监。电子扫描原稿见网址：/u/2252536722。目录：摘要一、 引言二、 量子旋进论的基本思想与运动方程三、 五维时间-空间-旋间的量子化与Kantor实验的解释四、 旋进量子及其组合光量子、静质量量子和电荷量子五、 量子旋进场运动方程的四维形式六、 旋进量子的相互作用七、 基本粒子的构造及其静质量分布八、 核力与原子核结构九、 万有引力的实质与基本地电、地磁场的起源十、 小结与量子旋进论考证实验的建议十一、 展望参考文献 摘要：本文以辩证唯物主义基本原理作为物质旋进理论的基本原理。引入五维时间-空间-旋间，将量子力学的对易关系推广到五维。以李政道-杨振宁的纵向极化的中微子模型为出发点。建立起量子化的、宇称不守恒的物质运动统一场论量子旋进论。初步解决了物理学中几个一直是悬而未决的重大问题：（1） 统一地描绘出了电荷、质量、电磁场、引力场等物质基本形态的直观图象。（2） 建立了各种波-粒二重性统一的图像，从基本原理出发导出了Dirac方程、Klein-Gordan方程、Mexwell方程和引力场方程。（3） 统一了强作用、弱作用、电磁作用和引力作用的机制。理论算出强相互作用常数、弱相互作用常数、电磁相互作用常数和万有引力常数与实验值相吻合。（4） 理论算出基本粒子静质量的分布与实验结果完美地吻合。（5） 理论算出核力与原子核结构与实验事实相符合。（6） 理论得出自旋1/2粒子必有反常磁矩与事实相符。（7） 动摇狭义相对论基础的Kantor实验得到了解释。（8） 能有效地解释基本地磁场起源、基本电磁场起源、第一类彗星长尾的形成等历史上长期未得解决的问题。 1、 引言 近代的量子场论取得了不少成就，但也遇到了不可克服的原则困难发散困难。发散困难的根源在于无穷多自由度。虽然近年来在电磁相互作用的领域中，己经发现了可以避免量子电动力学发散困难的重整化方法，但是仍然没有从根本上克服发散困难，而只是将困难向后推迟了一步。正如Dyson、Noffe等人的研究得出12，当进行了重整化以后，虽然微扰计算的每一项不再发散，但是整个级数仍旧很可能是发散的。 等人的研究更得出34，在量子电动力学中，经过重整化以后，电荷的数值应该等于零，否则电子的质量为无限大。这充分暴露了点电荷模型的根本缺陷，也说明了一般的点相互作用理论困难的普遍性。至于Feynman和Gell-Mann所提出的普适费米弱相互作用理论以及强相互作用理论中所包含的发散困难，则显然还不能用重整化的方法来避免。 量子场论作为基本粒子的理论有其合理的内核，在于它如实地反映了波-粒二重性矛盾对立面统一于客体(量子场)的事实。但也有其不合理的方面，在于它采用质点和点电荷的模型，从而又从根本上否定了基本粒子内在矛盾对立面的存在。一个理论中有着自相矛盾的观点，使其必然遇到困难。作者与周绍武、黄管乐的研究得出：波-粒二重性是客体内在矛盾的对立面，粒子性是客体趋向于占据无限小时-空体积成为一个点的特性，波动性是客体趋向于占据无限大时-空体积的特性。客体内在的波-粒二重性的对立统一，使之不可能是一个几何点，而采用质点和点电荷的模型，就是否定基本粒子的内在矛盾的存在。 量子场论把物质与时-空割裂开来，认为量子场是盛在时-空大容器中与时-空无关地运动着的，这种对待物质与时-空的观点是与辩证唯物主义的基本观点背道而驰的。尤其是量子场论把物质也割裂得支离破碎，相应于每一种基本粒子各自引进一种量子场，各种量子场在本质上是不相同的，相互联系只是外部的相互作用。而且各种基本粒子的物质内在属性则不具有统一性，这也是违背辩证唯物主义关于物质的统一性这一基本原理的。事实上，已经发现的较稳定的三十多种基本粒子之间，不仅普遍存在着相互作用而且普遍存在着相互转化的现象，有力地证明了物质的统一性这一辩证唯物主义的基本原理。应该有统一的基本粒子理论，来概括一切基本粒子现象的规律。 建立基本粒子的统一理论，已有不少尝试，但是由于没有正确的哲学思想指导，己有的尝试都不免以失败而告终。己有的尝试之所以失败其根源在于沿用广义相对论的物质观。在广义相对论中，把引力场这种物质看成是时-空的度规，其强调了物质与时空的不可分割性是对的，但把物质(引力场)看成是弯曲的时-空而与时-空等同起来，这是违背辩证唯物主义的基本观点的。H.Weyl沿着Einstein的思想，引入规范不变几何学5，企图进一步把电磁场这种物质也看成是时-空的度规，以建立引力场和电磁场的统一场论。Weyl引进的非黎曼几何学的概念尽管十分美妙，并导出了场方程，但仍然没有导致成功的理论，更没有得出有实际意义的结果。Th.Kaluza也曾企图建立一种几何，其中引力势和电磁势共同决定时-空的结构6。Kaluza与Weyl不同之点仅在于Weyl建立的是非黎曼几何，而Kaluza则通过改变维数来增加空间度规张量分量的数目。他假定除物理上的时-空四维之外，还存在没有直接物理意义的第五维。所谓的射影几何学中也采用了相似手法，射影几何中用n+1个齐次坐标表示n维空间，把(n+1)个齐次坐标值具有相同比值的全部“射影点”，就看成是“同一点”。其引进比n维空间多一维的坐标，主要用意在于增加度规张量的分量的数目，而没有指出它反映了什么样的物理意义。在O.Veblen、Hoffmann和Pauli的统一场论7 8中都应用了与射影几何学相同的原理，特别Einstein和Mayer对Kaluza理论的推广而建立的一种射影理论910，则直接地把物理空间看成是四维的。与引进了五维张量的计算的同时，却没有引进五维空间和五维坐标系。他们引进的第五维完全只是作为建立新型张量分析的一种手段。Kaluza的五维理论和一般的射影理论对于修正广义相对论似乎是一个很吸引人的思想，但它没有导致新的场方程，更没有解决理论物理学中尚未解决的任何问题。在许多的统一场论的尝试中，都经常遇到难以进行量子化的困难。如Heisenberg所建立的基本粒子理论的统一场方程11，至今还没有找到能使他的理论量子化的妥善方法。最根本的问题还在于，作为真正有效的统一的基本粒子理论，应该描绘出电磁场、引力场、电荷、质量等物质基本形态的直观图像，应该建立起客体波-粒二重性的直观图像，更应该解决基本粒子静质量的分布和核力与核结构等问题，并且应该回答为什么弱相互作用宇称不守恒的问题。可是近代一切统一场论的尝试中，不仅没有解决这些近代理论物理中没有解决的问题，而且几乎是很少触及到这些根本问题。当我们对基本粒子的统一理论作更高的要求，它就应该能统一宏观领域中起主要作用的引力场，微观领域中起主要作用的强相互作用(介子)场和弱相互作用场，以及宏观、微观领域都起主要作用的电磁场；而且还应该能够在宏观与微观现象之间架起桥梁、系上纽带。事实上，在宏观的天体运动与微观的基本粒子运动之间有很多相似的地方。值得注意的是，基本粒子在弱相互作用下的运动规律与宏观天体在弱的引力相互作用下的运动规律的相似性。不难看到极小的基本粒子与极大的天体在弱的相互作用下都表现出宇称不守恒的特性，李政道-杨振宁12、 13、Salam 14的二分量中微子理论得出中微子的运动有纵向极化的特性。而星系、星云的运动也有类似的特性，大家熟知的太阳系的运动就是有动量与角动量平行(对右手坐标系)的纵向极化性。在弱相互作用下，基本粒子的结构似是各向异性的、不球对称的形状；而对于平均温度极低的星系、星云来说，其物质分布也是各向异性的、不球对称的形状，如太阳系、银河系和总星系都是扁平圆盘状。又如基本粒子具有反常磁矩，特别是电中性的中子与0超子具有反常磁矩，与此相应，中性的天体(如金星、地球等)亦具有磁矩。看来似有一条红线贯穿宏观与微观，它好像就是宇称不守恒这一普遍规律。基本粒子在强相互作用下，相互作用能大，与之等效的扰动温度高，宇称不对称被掩盖。但正如王淦昌、王祝翎等的实验研究得出，在有奇异粒子参加的强相互作用中宇称还是可能不守恒的15。而对于宏观天体，如太阳和地球因其温度高，其结构的不球对称性也是被掩盖了，使天体呈现各向同性的球状。但严格说来地球还是椭球形状。看来李政道、杨振宁在研究微观领域中发现的弱相互作用宇称不守恒这一规律16，不仅适用于微观的弱相互作用，关于这一点己为吴健雄的实验所直接证实17，而且适用于宏观的弱相互作用，甚至可能适用于强相互作用。即宇称不守恒可能是自然界中非常普遍的规律。宇称不守恒的直接意义是空间反射变换不具有不变性，即P定理不成立。由Pauli证明了CPT定理的普遍成立18，提出粒子与反粒子的复合反演理论认为CP定理成立。这样一来在解释为什么宇称不守恒就有两种可能性：其一是空间的非镜像对称，其二是粒子与反粒子构造的不对称。通常人们都愿意采纳第二种解释。考虑到宇称不守恒的普遍性，它不仅适用于微观过程，而且适用于宏观过程，那末我们还是宁可接受第一种解释。因为纵使承认了粒子与反粒子构造的不对称性是宇称不守恒的直接根源，但要回答为什么在我们四周的空间中(至少在太阳系中)粒子数量总是比反粒子数量具有绝对压倒的优越地位这一问题时，恐怕又得回到我们四周空间的特性上来。当我们承认时间-空间是物质的存在形式这一辩证唯物主义基本原理，则对于空间(物理真空)会具有非镜像对称性就不是不可理解的了。而且承认了空间的非镜像对称性，那末，空间也就不一定是各向同性的。再认为空间不但是非镜像对称而且是非各向同性的，则星系、星云物质的非球对称分布和星系运动的纵向极化性就是很好理解的必然现象。像太阳系中绝大多数天体顺着同一方向旋转着、前进着就不再是偶然的现象，而是由空间的特性规定了的必然的现象。 己有的太阳系起源和演化的假说，从早期的康德、拉普拉斯到近期的费森柯夫、施密特、魏扎厄尔、特哈尔等都无例外地用一些自己臆想的特殊原始模型作为讨论问题的出发点或前提。我们不能不问为什么组成太阳系的物质最初会那么巧合地按照原始模型分布呢?他们谁也不能回答这样的问题。要勉强回答这一问题必然只好去求助于上帝的安排了。所以，从特殊原始模型出发来研究太阳系起源不是根本解决问题的办法。当我们从宇称不守恒的本来意义出发，认为空间的非镜像对称是宇称不守恒的直接根源，而一切客体的运动都不能脱离空间，则微观现象与宏观现象之间就直接建立起了桥梁。以此思想出发建立起来的理论，有理由大胆期待它将对基本粒子的反常磁矩根源和基本地磁场起源给出统一的解释。本文就是以空间的非镜像对称和非各向同性作为建立量子旋进论的基本思想之一，使得量子旋进论是宇称不守恒的微观与宏观统一的理论。再考虑到物质与时空有着不可分割的联系，但物质与时空又不是等同的，进而引进统一的不可分割的五维的时间-空间-旋间。其中第五维(旋间)反映物质的基本形态，它是独立于时间-空间的一个自由度，而不是Einstein所认为的不能成为独立自由度的时-空“弯曲”的度规。正如时间与空间是不可分割地相联系着的组成统一的四维时-空，但四维时-空的时间仍是独立于空间的自由度。与不能把时间看成是空间的几何度规一样，物质的基本形态(如引力场)也不应该看成为时-空的度规。在技术上，由于引入五维的时-空-旋，也使描述客体运动规律的数学表述得到了极大的简化，克服了像广义相对论中出现的度规张量等形式的繁杂的运算困难。更考虑到客体内在波-粒二重性矛盾的对立统一，在量子旋进论中屏弃了形而上学观死抱不放的点模型，从而能方便地将时-空-旋量子化。量子化后的时-空-旋是由有限大小的一份一份的基元组成，具体的客体的自由度也就成为有限的。这样一来就克服了现有量子场论基于无限多自由度的发散困难，也正因为抛弃了点模型，使得基本粒子静止质量的分布等问题能够顺利地被解决。二、量子旋进论的基本思想与运动方程 物理学是研究物质最基本的运动形态及其规律的科学。按物质的基本运动形态，可以把物质分为具有静止质量的实物和不具有静止质量的场两大类。不管是实物的运动还是场的运动，都是最为直接地与时间-空间相联系，它们不可能脱离时-空；另一方面，时-空是物质存在的一种形式，时-空不可能脱离物质运动而抽象地存在。近代物理得出，时-空的特性实际上也确实是由物质运动的特性所规定。根据辩证唯物主义关于物质与时-空的不可分割原理，我们引进五维的时-空-旋来描述物质的基本运动形态的规律。用时间这一维反映过程的前后连续性，用三维空间反映物质运动的伸张性，用第五维旋间反映物质的基本存在形态的特性。由物质的存在与运动是不可分割的，正如没有非物质的运动一样，也没有不运动的物质。应该得出：反映物质存在特性的旋间，与反映物质运动特性的时间-空间是不可分割的，组成统一的五维的时间-空间-旋间。这就是量子旋进论的基本原理（一）。 辩证唯物主义另一基本原理是，内在矛盾的斗争是物质运动的源泉。对于物质最基本的运动形式来说，运动的源泉是波-粒二重性矛盾的斗争。在近代物理中，用周期-波长所组成的四维矢量来反映波动性的强度，周期愈长则表明过程的时间延展性愈明显，波长愈长则表明空间的伸张性愈显着。而描述一个波动的特性，除了用周期和波长之外，还要用振幅，在四维时-空中振幅愈大也反映客体的空间的伸张性愈明显。当采用五维的时-空-旋，波动性的强度可用五维矢量周期-波长-旋幅 = (0, 1, 2, 3, 4) = (ic, x, y, z, ) = (ic, , )来度量。式中为周期，c为普适常数，后面将证明它就等于真空中的光速。x, y, z为波长矢量的空间三分量，为旋幅。我们仍用黑体表示三维空间矢量，黑体下划线表示五维矢量。五维矢量中时间分量用下标0标志，五维矢量中第五维旋间分量用下标4标志。五维空间的位置矢量则用 = (0, 1, 2, 3, 4) = (ict, x, y, z, ) = (ict, r, )来表示。式中t表示时间，1= x，2= y，3= z为矢径r的三个分量，代表旋径，即第五维旋间的曲率半径。 近代物理中，客体粒子性的强度是用能量-动量组成的四维矢量来度量。能量愈大表示客体在时间方向的物质收缩性愈明显，动量愈大表示客体物质的空间聚集性愈显着。而为了描述一个客体的粒子特性，除了用能量和动量之外，还要用自旋量、电荷量和静止质量等物理量。在五维的时-空-旋中，它们是用第五维旋间的旋量来表示：旋量的左、右方向性，反映电荷的正负性；旋量绝对值大小，反映静止质量的大小。旋间与空间的不可分割的联系，反映自旋角动量。在四维时-空中，客体的静止质量或电荷量愈大，则其物质聚集的粒子性愈强。在五维的时-空-旋中，旋量愈大表示基本形态的物质集中于客体中愈多客体的粒子性愈强。因此，在五维空间中，可以用五维能量-动量-旋量矢量来度量客体粒子性的强度。五维能量-动量-旋量矢量写成： P = (P0, P1, P2, P3, P4) = (iE/c, Px,Py, Pz,P4) = (iE/c, P, c）式中E代表能量，P代表三维动量，c代表旋量。 波粒二重性矛盾的对立统一律在相对论量子力学和量子场论用时间-坐标与能量-动量的对易关系 qi pj =k ij = i i=j; qi pj =0 ij, qi qj =0, pi pj =0 i,j= 0,1,2,3来反映。式中 =h/2，h为普朗克常数。但量子力学中使用算符表示力学量，使得物理意义不清晰。我们还是回到de Broglie 最初的思想，即采用如下的关系表示波粒二重性的对立统一律： = k/E， x =k / Px， y = k / Py ， z = k / Pz把这一思想推广到第五维则还有： = k / P4 = k /c = i /c 即五维de Broglie波长： = (ic, x, y, z, ) = ( ick/E, k/Px, k/Py, k/Pz, k/c)对应于四维对易关系 qi pj = kij公式，形式地写成五维矢量式子为： = k / P= i / P 即 (0, 1, 2, 3, 4) = (k / P0, k / P1, k / P2, k / P3, k / P4), 或 P = k1 1= i 1 1而对易关系qi qj =0, pi pj =0 i, j= 0,1,2,3 推广到五维则为： =0 P P=0 i, j= 0,1,2,3,4而 P P = (iE / c)2 + P P +(c)2 = (E / c)2 + P 2 + (c)2 = 0,我们理解的旋量绝对值的平方2就是静止质量的平方m02，则P P =0正是熟知的相对论力学的结果。而 = (i c )2 + + 2 = c 2 2 + 2 + 2 = 0，对于真空中的光来说，以后将证明其左右旋量相抵消使 = 0 ，此时波速v = / = c，这正是熟知的Einstein光速不变原理。 根据辩证唯物主义关于物质不生不灭只能由一种存在形态转化为另一种存在形态，以及运动的不生不灭只能由一种运动形式转化为另一种运动形式这一基本原理，全宇宙的物质量(旋量)之和以及运动量(能量-动量)之和应该是守恒的。另外，我们是用五维能量-动量-旋量矢量P来量度波-粒二重性矛盾的一方粒子性的强度。而粒子性乃是吸引的聚集性，那末，宇宙中能量-动量-旋量矢量之总和的守恒，正表明作为物质运动源泉的波-粒二重性矛盾对立面的一方吸引性或聚集性是全宇宙的守恒量。当然，由普遍的对立统一关系，全宇宙中的波动性排斥的离散性之和也应该是守恒量。这正是恩格斯早己指出的：宇宙中一切吸引的总和等于一切排斥的总和19。 必须注意，全宇宙的物质是无限的，运动是无始无终的，从广与深的角度来看物质运动都是不可穷尽的。因此全宇宙的五维动量之和P是一个无穷大的守恒量。不过具体的问题中，我们总是考虑宇宙物质的有限部分，且经常把与外界交换的五维动量可忽略不计的、一部分的宇宙物质近似地看成是与外界无关的孤立的封闭系统。对于封闭系统，既然它与外界发生的动量-能量-旋量(电量与质量)等的交换可忽略，因此其五维动量之和也是守恒量，且这一守恒量是有限的常矢量，即 P = P 0这正是封闭系统中能量守恒、动量守恒、自旋角动量守恒、电荷守恒和质量守恒等定律。而这些定律在现有的科学实验中，从未发现过有与之相违背的事实，即它们确实是自然界的普遍规律。我们将其提高成为量子旋进论的基本原理之一，是合情合理的。虽然物质运动形式是多种多样的和经常地相互转化着，但不管怎样转化，全宇宙的五维动量P之和是守恒的，这也正是物质统一性的表现之一。 辩证唯物主义认为，由于内在矛盾对立面的斗争是事物运动的源泉，使事物运动、发展、变化的外部形式遵从否定之否定律，即事物的运动总是采取螺线形上升、波浪式前进的方式。自然，由波-粒二重性矛盾的斗争导致的基本形式的物质运动也不例外，其运动的外部表现方式也应该是螺线形上升、波浪式前进的。李政道-杨振宁在1956年发现了在弱相互作用下宇称不守恒的事实16，从而在1957年提出二分量中微子理论12，得出中微子运动的自旋与动量总是平行的，即采取螺线形上升的方式。太阳系的运动也是类似的，如地球在随着太阳系一起平动的同时，又绕太阳公转，其运动空间轨道也是螺线形状。还可以举出许多例子，都说明物质的基本运动形式也遵从否定之否定这一辩证唯物主义的基本原理。认为一切基本运动形态的物质运动都是螺线形上升的，具体来说，我们就以李-杨的纵向极化的旋进中微子模型作为物质基本运动形式最原始的模型。物质的统一性也就表现在组成一切物质的原始的旋进量子模型的统一上。既然认为最原始的物质运动形式是采取旋进方式的，那末，在五维的时-空-旋中，就以旋间量描述旋动特性，普通空间的三分量描述进动(平动)的特性。旋间量与空间量的不可分割性，表现在原始形态物质的自旋(旋动)与动量(平动)的相互平行性上，并使得旋间与空间组成统一的不可分割的四维空间。不管是旋动还是平动都不能脱离时间而进行，即与时间不可分割，因此四维的空间-旋间与时间又组成统一的不可分割的五维空间或五维时间-空间-旋间。物质运动最原始形式分为左旋进量子和右旋进量子两种基础的形式，也反映在左旋的中微子与右旋的反中微子之分上。 总之，量子旋进论的基本原理，正是辩证唯物主义的基本原理在研究物质基本运动形态的物理学中的具体化，它由下述四个原理所组成。（一） 反映物质的基本存在形态的旋间与时间-空间组成统一的不可分割的时间-空间-旋间，五维空间的位置矢量为： = (0, 1, 2, 3, 4) = (i c t, x, y, z, ) = (i c t, r, )（二） 波-粒二重性矛盾的斗争是基本形态物质运动的源泉。客体波动性的强度以 = (i c , , ) 五维波长量度，粒子性的强度以P = (i E / c, P, c)五维动量度量，波-粒二重性矛盾的对立统一律以和P满足的如下关系表示： = k / P = i / P， = 0 ， P P = 0 (1) （三） 全宇宙的波-粒二重性矛盾对立面各自的量的总和是守恒的，特别是对于宇宙中的任一孤立 系统或封闭系统，其粒子性(或波动性)强度的总和也是一个守恒量。即： P = P 0 (2) （四）基本形态的物质运动也遵从否定之否定律，即采取螺旋形上升的旋进方式。基本形态的物 质更具有统一性，它们都是由原始的左、右旋进量子所组成的。 方程(1）、(2)就是量子旋进论的运动方程。采用这四个基本原理，可以把作为物质基本运动形态的实物与场、电磁场与引力场、电荷、自旋、静止质量等予以统一描述。 从运动方程(1）、(2)出发可以推导出物理学中现有的量子力学、相对论量子力学和量子场论以及经典物理的基本方程，如Dirac方程、Klein-Godon方程、达兰贝尔方程式、Maxwell方程与Lorentz力的公式、牛顿运动定律和万有引力定律等。也可以将强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用与引力相互作用都归纳成为旋进相互作用机制。而且可以解决微观的基本粒子静质量分布、基本粒子反常磁矩根源、核力、核结构、和宏观的基本地磁、地电场起源、太阳系起源、类彗星长尾形成原因等已有理论未能解决的问题。下面就具体地研究这些问题。三、五维时间-空间-旋间的量子化与Kantor实验的解释 我们现今理解的五维空间是内含了物质的，因此，五维空间的量子化，就是物质运动的量子化。量子化的五维空间，正是物质运动的基本形态，称为旋进量子。 在四维的时-空观下，波动性是客体趋向于占据无限大时-空的物质离散性，粒子性是趋向于占据无限小时-空的物质聚集性。任何客体(如基本粒子)内部都存在波-粒二重性矛盾对立面的双方，使之既不占据无限大时-空也不占据无限小时-空，而是占据有限大小的时-空体积。即任何客体都不可能是一个质点或点电荷，基本粒子也不例外，近代物理实验和近代量子场论使用点模型而遇到的发散困难都表明了这一点。 在五维的时-空-旋的观点下，就不是时-空之外的物质占据时-空的问题，而是时-空与物质客体本来就是统一的、不可分割的，时-空不能脱离物质客体而抽象地存在。不能把物质客体分割成为无限小的一份一份，也就相应地不能把时-空分割成无限小的一个个点。即是说，不能把时-空看成是无限小体积的集合，而应该看成是由有限大小体积的一份一份紧密排列所组成。五维的时间-空间-旋间更应该是如此，其不是几何点的集合，而是有限大小的一份一份的基本元的集合。这是基本原理（一）（二）相结合的必然结果。由此，我们对第五维的物理意义也就清楚了：真实的空间基元既然不是点，就有内部旋转自由度，而这正是第五维(旋间)的含义。 物理学中所谓的真空，由基本原理（一），应该是五维空间。即物理真空是由一份份的物质原始形态(基元)均匀排列而构成。也就是说，物理真空是物质的一种运动形态。物理真空的任一基元都不是没有大小的几何点，要是我们仍然用质点的概念来表示真空的每一基元的中心，则组成真空的点，就是彼此有一定间隔地排列着，使真空成为不连续的点的集合。这就形象地表明，五维的时-空-旋的量子化，必然导致五维空间的不连续性。物质彼此分离的颗粒性也就更清晰了。 组成物理真空的基元，称为旋进量子。为了明确旋进量子的图像，我们先暂不考虑时间这一维，只考虑四维的空间-旋间。并设想三维空间缩并成一维，或者只注意三维空间的某一方向，此方向当然仅是一有向线段，无所谓体积、面积可言。这样一来四维的空间-旋间，就变成为二维的旋进圆柱。真实的旋转前进的圆柱状量子，按点模型就是点绕圆柱面前进的螺旋线状。其线元ds为 (d s)2 = (d r)2 + (d )2，式中d r为空间平动位移(进移元)，d = 2dR为旋间转动位移(旋移元)，dR为柱面的曲率半径。时间-空间-旋间的运动线元d为 (d)2 = (i c d t)2 + (d s)2 = c2 d t 2 + (d r)2 + (d )2 （3)式中dt为时间的位移元。当我们回复到普通空间三维的本来面目，则空间位移元 d r = (d x)2+ (d y)2 + (d z)2 1/2 = (d r)2 1/2由方程(1)，(d)2 = d d = 0，其不会随坐标系选择的不同而不同，所以 c2 d t 2 +(d x)2+(d y)2 +(d z)2 +(d )2 = c2 d t 2 +(d x )2 +(d y )2 +(d z )2 +(d )2 (4)对于真空来说，其物质密度是均匀的，反映物质存在形态的第五维也是均匀的，即真空中处处有 = k /c = 常数， = k /c =常数，或d =d = 0而真空是一切相互作用的媒介，由式(4)可知，当d = 0，则相互作用和相互影响的三维空间传播速度的最大值为vmax = (d x)2 +(d y)2 +(d z)2 1/2 / d t = (d r)2 1/2 / d t = c， vmax = (d x )2 +(d y )2 +(d z )2 1/2 / d t = (dr)2 1/2 / d t= c (5)这正是最大信号传递速度的守恒性。与实验事实比较，真空中的光速为最大信号速度，即vL= vL= c。在此我们得到了Einstein的光速不变原理。当我们把惯性系理解为旋间均匀(d =d =0)、时-空均匀各向同性的坐标系，则一切惯性系描述自然定律是等价的。这样，在物质密度均匀的条件下，我们得出狭义相对论两个基本原理。在一般情况下则： c 2 = (ds / dt)2 = (dr / dt)2+ (d/ dt)2 = v2 + u2式中v = d r / d t（v =d r / d t)为空间速度，u = d / dt为旋间速度。由 = k / c，所以 u = d / d t =(k / c) d (1/) /d t = (k /c2)(d /d t)= ( /) (d /d t) = ( / ) (d /d t)为物质的密度。当物质密度变化，旋间速度u就不为零。从而空间速度v = (c 2 u 2)1/2也就不等于物质密度不变时的光速c。当光在物质密度变化不是非常快(与光速vL比较而言)的媒质中运动时： vLc (1 (1/2) (u /c)2) = c (1/2c) (d/ dt)2 = c (2 / 2 c 2) (d / dt)2 (6)旋间有左旋与右旋之分， 取实数表示左旋， 取虚数表示右旋。则 2对左旋为正，对右旋为负，这正是旋间坐标的正负方向性。因此，在密度变化的媒质中，光运动的空间速度vL可比密度不变的真空中光运动的速度大些或小些。事实上如何呢?在经典的迈克尔逊-莫雷实验、菲左实验、以及近代的Essen实验20、James和Sternberg的实验21、Alrger等的实验22中，光经过的媒质的密度各处都不变(d/dt=0)，因此u = 0，当然应该得出与狭义相对论相吻合的结论。但Kantor的实验23得出了与狭义相对论的光速不变原理不相符的结果，已有的理论不能解释这一实验。从原则的意义看，与19世纪末动摇以太论的迈克尔逊实验一样，1962年的Kantor实验则是动摇与狭义相对论基础的著名实验。但由于与狭义相对论取得了多方面的辉煌的成就，人们总是设法保留光速不变原理，而宁可相信Kantor实验是由某些可能与光速不变原理不相违背的、尚是未知的奇怪原因所引起。可是Kantor实验观察到的正是一级效应，而实验中所用的运动玻璃片很薄，想用解释菲左实验相似的微观电动力学办法(不违反光速不变原理)显然是不可能的。因为根据实验条件，若不违反光速不变原理，则由媒质(玻璃片)的运动能引起的干涉条纹移动数目810-5，实验中不可能观察到这样微小的条纹移动。再考虑到了玻璃片运动会带动空气的流动，也是一个可以影响光速的因素，但是空气折射率n1，其引起的也是小到观察不到。可是实验中却观测到由于玻璃片的运动而引起的无可怀疑的干涉条纹的移动。得出玻璃片的运动速度为vg时的光速vL vL = c vg (7)Kantor根据他的实验定性地估计=2/3。这一已有理论所不能解释的实验结果，却正是我们的理论所要求的必然结果。分析Kantor的实验可知，由于波璃片的运动，导致光经过的媒质密度发生变化，使u= ( / ) (d /d t) 0，这时光速也就不再是不变了，且玻璃片的运动速度vg愈大，则光经过的媒质密度变化就愈快。由于第五维坐标的形式有一定选择的自由，令 vg= (1/c) |d/d t|2(| 2/c 2) (d /d t)2，考虑到2可正可负，即2 = | 2则式(6)化为 vL = c (1/2)vg (8)对于与波璃片速度方向一致的光束，旋间为右旋，2取负值，式(8)取正号。对于与波璃片速度方向相反的光束，旋间为左旋，2取正值，式(8)取负号。所以，由玻璃片的运动(d /d t0) 两相干光束产生的干涉条纹会移动。 在Jamas & Sternberg的实验和菲左的实验中，虽然也有折射率n1的媒质的运动，但Jamas实验中玻璃球转动和菲左实验中的水的流动，都不引起媒质的物质密度的变化(d/dt= 0从而u=0)，所以仍得出与光速不变原理相符的结果。至于Alrger等人的实验中，尽管原子核速度达1.8102 c，但其放出的射线经过的媒质密度没有发生变化，因为高速运动的原子核与静止的原子核放出的射线的速度不会有差别，实验果然是不违反光速不变原理。而迈克尔逊-莫雷的实验和Essen的实验更是如此(光束经过的媒质密度未变化)。 比较理论结果的式(8)与Kantor实验结果的式(7)，可以看出它们是完全一致的。由于实验没有精确测量，仅是作了定性的估计。我建议重做Kantor实验来精确测定出以及与玻璃片的速度和玻璃片的物质密度的关系，有这样的实验资料后则第五维坐标的形式就可以有依据地选定。现在恁空去臆想第五维坐标的具体形式我看来暂没有必要。四、旋进量子及其组合的光量子、静质量量子和电荷量子 前面得到量子化的五维空间(物理真空)的基元为旋进量子。旋进量子按旋间的左右方向性分为左旋进的与右旋进的两种，按空间任一方向有正向与反向的平动(进动)又可区分为正向的与逆向的旋进量子。因此，对于空间中任一指定方向的旋进量子有左旋进量子，右旋进量子，逆左旋进(或左旋退)量子，逆右旋进(或右旋退)量子四种。把三维空间缩并看成一维，或只看空间的某一方向，则它们在二维的空间-旋间的直观图像如图一所示： 图一：旋进量子是二维旋转圆柱，分为相应的左旋向上、右旋向上、左旋向下和右旋向下四种 当我们把一维空间回复到真实的三维空间，则在四维空间-旋间中描述旋进量子是用四维矢量，四维的空间-旋间的单位矢量本文采用符号，它们分别是单位旋进量子0，0，0，0。沿着空间的i,j,k三个方向，各有四个这样的四维旋空间单位矢量。平移用垂直线段的向上向下表示，旋移用水平线段段的向左向右表示。平移与旋移总是在时间过程中进行的，回到五维时-空-旋中来看，旋进量子的单位旋进移动应该经历单位时间t 0，五维空间对单位旋进量子的数学描述为： 0 = (ict0, r0, 0），P0 = (i (E0/c) t0, P0 , 0 c)， 左旋进量子0取实数,右旋进量子0取虚数。旋进量子r0取i (或j, k), 逆旋进量子r0取i (或j, k)。四种单位量子的时间维表示都是一样的为t0。根据方程(1)则各种单位旋进量子的能量E0是一样的，动量P0的方向各不相同但绝对值大小是相同的，旋量0的绝对值是一样的，但有左旋量(0 = e 0)与右旋量(0 = 0)之分。例如对i.方向的四种单位旋进量子来说，其数学表示分别为： 左旋进单位量子0： 0 = (ict0, r0, 0，0，0)，P0 = (i (E0/c), P0 , 0，0，e 0 c)， (9) 右旋进单位量子0： 0 = (ict0, r0, 0，0，i0)，P0 = (i (E0/c), P0 , 0，0， 0 c)， 左旋退单位量子0： 0 = (ict0, r0, 0，0，0)，P0 = (i (E0/c), P0 , 0，0，e 0 c)， 右旋退单位量子0： 0 = (ict0, r0, 0，0，i0)，P0 = (i (E0/c), P0 , 0，0， 0 c)，应该注意的是：在恒以i的正向为旋动与平动的参考基准的情况下，则左、右旋进量子换成其相应的左、右旋退量子时，不仅空间的分量r0和P0反转符号，而且第五维分量0和e0 c也应该由原来左旋的换成右旋的和原来右旋的换成左旋的，即： 0 = i 0，i 0 = 0，e 0 = 0 ， 0= e0 (10)因为我们采纳的旋进量子的模型是纵向极化的旋进中微子模型，旋间的旋量与空间的动量的不可分割的联系，反映物理学中(1/2)的自旋角动量，即旋进量子是具有1/2自旋的费米子。或者说，原来三维的旋间，被纵向极化约束得只剩下一个自由度而成为一维旋间。物理真空由单位旋进量子的均匀排列所组成，即是说，两个全同的单位旋进量子不能占据五维空间的同一最小单元，或两单元的中心“点”不会重含，这正是1/2自旋的费米子具有统计排斥性的泡利不兼容原理。真空若由左旋进的单位量子0均匀排列组成，则此部分真空叫左旋进五维空间；若由右旋进的单位量子0均匀排列组成，则此部分真空叫右旋进五维空间。真实的五维空间的每一具体部分都是非镜像对称和非各向同性的，这正是宇称不守恒和物质非各向同性分布的根源。而任何过程都不能脱离空间进行，所以宇称不守恒的规律是微观和宏观的弱相互作用乃至强的相互作用过程都适用的自然界的普遍规律。只是在作用能量大的强相互作用和电磁相互作用中，等效的“扰动温度”高，使旋进量子的方向趋于无规则的混乱排列，构成近似各向同性从而也近似镜像对称的真空。宇称不守恒也就表现得不明显、或者被“掩盖”了。所以，在微弱的弱相互作用和引力相互作用下才观察到显著的宇称不守恒现象。根据天体运动的观察，有理由相信我们四周的空间(真空)是右旋进的，至少太阳系和银河系是右旋进的空间。对于空间任一方向来说，四种单位旋进量子0，0，0，0或 ， ， ， 的两两相互组合的方式有43/12= 6种，如图二所示： 逆光子0 0左旋子， 0 0 反静质量子0 m0静质量子 0 0 0右旋子 光子L0 (a)四维的旋间-空间情形 (b)五维的时间-空间-旋间情形 图二、旋进量子两两组合方式 平动方向相同，旋动方向相反的两个单位量子互为镜像量子，互为镜像量子的两个单位量子紧密地结合在一起，组成L0()和0()量子。由式(9)： L0 =0-0，0 = (i c 2 t0, 2 r0, (1+i)0)，P0 = (i (2E0/c), 2P0 , (e 0+ 0) c)， (11) 0 =0-0，0 = (i c 2 t0, 2r0, (1+i)0)，P0 = (i (2E0/c), 2P0 , (e 0+ 0) c),对于L0 或 0 量子，其旋间-空间的线元 (ds)2 = (2r0)2 + (1+i)2 0 2 = 4 r 0 2 +2 i 0 2 ，因 (d)2 = c2 dt2 + (ds)2 = c2 (2 t0)2 +(2 r0)2 + 2 i 0 2 = 0故 v = r0 / t0 = c, u = (c2 v 2 )1/2 = 0,即L0 与0量子的旋间速度u = 0, 空间速度v = c 。L0 正是单位光量子，0正是单位逆光量子。光量子L与其反粒子 除了空间运动方向相反外，其他的特性均相同，通常认为光子与其反粒子是同一的。这仅是由特性上看，由其构造来看，L0 与0不是同一的。在基本粒子的相互转化中，光子与逆光子的不同就明显了。事实上，光子要檀变成正、负电子偶必需由一对运动方向相反的光子才有可能，而一对运动方向相同的光子则没有可能。这充分表明了运动方向相反的光子不是完全相同的。单位光量子L0 与单位逆光量子0组成四合一量子O，或+=，L0 + 0 = O =0 + m0 = 0+ 0。 同是左旋或右旋但空间运动方向相反的两个单位旋进量子互为逆量子。互为逆量子的两个单位旋进量子结合成0（）量子或m0（）量子，由式(9)有 0 =0-0，0 = (i c 2 t0, 00, (0+0) )，P0 =(i (2E0/c), 00 , (e 0+ e 0)c)， (12) m0 = 0-0，0 = (i c 2 t0, 00, (i0 +i0) )，P0 =(I (2E0/c), 00 , ( 0+ 0)c),显而易见，0和m0子的空间速度v= 0, 旋间速度u = (c2 v 2 )1/2