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userhung禁虫 (文学泰斗)
木虫博士
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电磁与引力的统一场理论
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《电磁与引力的统一场理论》一书简介 关于电磁场与引力场统一的最新的研究论文集。 本书共分七章，其中的每一章均为独立的研究论文。 第一章以哲学的观点分析和综述了在这之前的各个时期，许多物理学家在统一场论方面的各种努力，进而引出了本书中的统一思想。 从第二章起以理论物理学特有的研究思想和方法提出了六篇研究论文。其中： 第二章 建立模型——建立统一场方程，并从这个统一场方程很自然地分解出Maxwell方程组和Einstein引力场方程。虽然在统一场方程中加入Lorentz力成份的理由有点儿单薄，但从该方程所得到的以后各章的一些有益的结果足以证明，加进Lorentz力成份不仅没有错，而且还是非常必要的。 第三章 利用统一场方程不仅导出物质的运动方程，而且还得到了统一场的时空度规和球对称电磁度规。 第四章 说明一个绕核运动的电子具有角动量不守恒、“轨道”进动和电磁度规对运动粒子的影响。这与经典理论具有相同的结果。这也足以证明该理论的正确性。 第五章 利用统一场理论，从全新的角度重新探讨了光的本质问题，也得到了引力波与电磁波之间根本没有什么区别，而是具有相同效果的合波的结论。也考虑到了引力的量子化问题。并讨论了电子频移。 第六章 从统一场度规出发，得到了比较准确的Hubble定律，也得到了Klein—Gordon方程，同时，也解释了为什么在氢原子能级间存在着跃迁，而太阳系中行星之间没有“跃迁”的存在问题。这些在一定程度上已经证明了“应该从一个经典的、统一的场理论和那个理论的需要出发，它要求量子的法则应该作为它本身的约束而出现”（引自《“上帝难以捉摸……”——爱因斯坦的科学与生活》一书，P.539.）的事实。 第七章 利用统一场方程研究了行星的固有磁场，也得到了行星内部物质运动所应满足的磁感应方程。同时，也为行星物理学中的行星固有磁场问题找到了理论基础。 本书并没有引用太多的参考文献，且所用参考文献均为通常的科学文献书籍或教科书，并从最普适的物理学理论出发的。这给我们一种具有很坚实的理论基础。 本书可供广义相对论方面和行星物理学方面的研究人员参考，特别是也许能为进行统一场论方面研究的人员提供更为有益的方便。 E-mail：hung0088@163.com E-mail：hung0088@sina.com Introduction of《The unified field theory for electromagnetism and gravitation》 The book be writed by Sheng Lieh Hung, be published by Yanbian people publishers, a latest research article gathers for electromagnetism field and gravitation field unifying theory. This book is divided into totally seven chapter, among them each chapter is all for independent research articles. Chapter 1. Analyze with the philosophic standpoint with the overview before this each period, every kind of effort of many physicists at unified field theory, then derivation unifying of this book inside thought. From chapter 2 beginning, with the special research thought and the method in theories physics to put forward six research articles. Chapter 2. Establish the model——establish unified field equation, from the unified field equation to resolve very naturally to Maxwell’s set and Einstein’s gravitational field equation. Although at unified field equation a trifle son in a reason for joining Lorentz’s force composition in the equation weak, but from that equation income to of hereafter each of some beneficial result good enough to proof add into the Lorentz’s force composition to not only has no mistake and still very necessary. Chapter 3. Make use of the unified field equation not only deduce the motional equation for matter, but also still have get the spacetime metric of the unified field and spherically symmetry electromagnetic metric. Chapter 4. An electron that it revolves around atomic nucleus has non-conservation of angular momentum and precession of “the orbit”, and the particle in motion is affected by the electromagnetic metric. It enough proof that theoretical accuracy. Chapter 5. Make use of the unified field theory, have discussed a problem in essentiality of light from the all new angle, final, have arrived a conclusion that light is made up of the composite waves. At the same time it considered the problem that the quantum of the gravitation, and discussed a problem for electron of the frequency deviation. Chapter 6. From the unified field metric set out, got the accurate the Hubble’s laws, also got Gordon-Klein’s equation, at the same time, explained to exsits between the hydrogen atomic energy levels why the level-crossing, but a problem of esse for having no "the level-crossing" in the solar system between the planet. These are already proof "should from a classic of, the unified a theory sets out with that theoretical demand on the certain degree, it request the stipulation that the rule of the quantum should be used as it oneself but the fact that appear" (lead from《" the God is hard to catch to touch ……"—— Einstein's science and life》, P.539.). Chapter 7. Make use of the unified field equation studied intrinsic magnetic field for planets, got that the magnetic induction equation is satisfied with the motion of planetary inside matter. At the same time, also found out the theories foundation for the intrinsic magnetic field in planet in the planet physics. This book has no adduction to consults many references, and using consulting references all for usual science references book or textbooks, combining from the most widespread suitable for physics theories sets out. This give us a kind of having the very solid theories foundation. This book can be provided to consults for the researcher in general relativity and the planet physics, especially and perhaps it can offering more beneficial convenience for researcher of the proceeding the unified field theory. E-mail：hung0088@163.com E-mail：hung0088@sina.com 《电磁与引力的统一场理论》这本书的目录： 第一章 关于电磁与引力统一的哲学思想 §1、Einstein及其他物理学家的统一场论思想 §2、利用量子的方法能建立统一场吗？ §3、电磁与引力的统一思想 参考文献 第二章 统一场论模型 §1、由Hamilton原理得到场方程 §2、能量动量的守恒及方程（2.7）的物理意义 参考文献 第三章 物质的运动方程与弱场近似下的统一场论的时空度规 §1、由统一场方程导出物质的运动方程 §2、弱场线性近似及Newton近似下的统一场论的度规考察 §3、球对称统一场的时空度规 参考文献 第四章 利用球对称电磁度规得到的一些结果 §1、一个带电粒子在球对称电磁场中的运动方程 §2、一个绕核运动电子轨道的“进动” §3、电磁度规对运动粒子的影响 参考文献 第五章 关于光的本质的启发性的观点及电子频移 §1、在弱场近似下，统一场波的基本性质 §2、重新讨论光的本质问题 §3、氢原子核电磁作用下的运动（“传播”）电子频移问题 §4、小结 参考文献 第六章 利用统一场论及球对称度规对空间物理结构的考察 §1、关于Hubble定律的统一场论解释 §2、关于统一场波的量子考察 §3、氢原子能级间存在跃迁的因果解释 §4、小结 参考文献 第七章 关于行星固有磁场的初步探讨 §1、方程的建立 §2、方程（7.12）的物理意义及行星磁感应方程 §3、小结 参考文献 contents Ⅰ. On philosophical thinking of the unified electromagnetism and gravitation 1. Thinking of the unified field theory for Einstein and other physicists 2. Making use of quantum method, can we build the unified field 3. The unified thinking for electromagnetism and gravitation References Ⅱ. Model of the unified field theory 1. Making use of Hamilton’s principle, the field equation are given 2. Conservation of energy-momentum and physical significance of equation (7) References Ⅲ. The motional equation of matter and spacetime metric of the unified field theory under approximation to weak field 1. The motional equation of matter is derived from the unified field equation 2. Under linear approximation to weak field and Newton’s approximation conditions, the metric of the unified field theory are explored 3. Spacetime metric of spherically symmetric unified field References Ⅳ. Making use of spherically symmetric the electromagnetic metric, have arrived at some conclusion 1. The motional equation of a charged particle in spherically symmetric electromagnetic field 2. An electron in revolving round nucleus exists the precession of the orbit 3. The particles in motion are affected by the electromagnetic metric References Ⅴ. On the enlightened viewpoint for essentiality of light, and electronic frequency deviation 1. Under approximation to weak field, basic nature for the waves of the unified field 2. A rediscussion problem for essentiality of light 3. An electron in motion (“propagation”) is affected by the electromagnetic field in hydrogen atomic nucleus, exists the problem in the frequency deviation 4. Summarize briefly References Ⅵ. Making use of the unified field theory and the spherically symmetric metric, space physical structure are explored 1. On making use of the unified field theory, explain Hubble’s law 2. On making use of quantum, exploration the waves of the unified field 3. Making use of the causality, explain that level-crossing are existed hydrogen atom between energy levels 4. Summarize briefly References Ⅶ. On preliminary exploration the intrinsic magnetic field for planets 1. Buildup equation 2. Physics significance of the equation (7.12) and the magnetic induction equation for planets 3. Summarize briefly References 这本书的观点比较新颖，而且很有见地，数学推导流畅，也提供了在这方面继续研究的可能，是一本不可多得的好书！ [ Last edited by userhung on 2006-10-18 at 17:52 ] |
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第一章 关于电磁与引力统一的哲学思想 [摘要] 本文从各个时期，物理学家们的各种针对统一场论的研究思想入手，详细分析、讨论了他们的统一思想，最后归纳出可行的统一方案，并得出有益的结果。 [关键词] 统一场论、度规张量gik、电磁张量Fμν、能量动量张量Tμν、统一场方程 Einstein说过：“广义相对性原理实际上并非以任意选择的方式导向纯引力场的理论”。[1]基于这种思想，我们有理由认为，在引力作用的同时也许还存在着电磁成分的影响。任何工作的开始都有其背景，在这里我想论述一下，建立统一场论时的思维方式，以便使人们了解该理论的建立机制，对该理论作出公正的评价和实验研究。 §1、Einstein及其他物理学家的统一场论思想 在本世纪初，广义相对论建立之后，有人就提出建立统一的电磁力与引力的思想。这在当时引起许多物理学家的注意，有的甚至为之忘我的工作，提出过不少的统一的方案。 1923年之后，在别人工作的影响下，Einstein试图进一步推广相对论，企图建立一个既包括引力场又包括电磁场的统一场理论，用以解释物质的基元结构。他先后提出过不少方案，在1929年、1945年和1954年曾取得了一些进展，但都只停留在数学的表述形式上，没有得到有物理意义的结果。[2] 有趣的是，Rainich于1927年实现了部分几何化——广义相对论与经典电磁学仅借助一个几何量Rμν即可表达出来，而物理内容一般并不改变。60年代初又经Wheeler和Misner所发展。[3] 另一个统一场论的早期尝试，是Kaluza的五维空间法——在平常的三维空间中，我们有两个不同的向量长，即电场与磁场。而在四维空间中，此二场不再是各自独立的，共同构成一个单一的张量场Fμν。若推广此概念，我们希望在四维空间中，由度规张量gμν所代表的引力场及电磁张量Fμν所代表的电磁场，可以在一个比较高维的空间中，构成一个单一的“统一场”。可是Kaluza与Einstein的为之努力，并没有得到多大的进展。 此外，就是Sachs的理论。他保留Einstein的概念，只将gμν代以两个四元数的乘积。该乘积可得到十六个独立无关的函数。这多产生的六个函数，可以用来描述电磁场的六个方程式。Sachs发现，他的理论果然可以导出Einstein的引力方程式及电磁场方程式来。[4] 我国的束星北早年也从事过相对论研究，探索引力场和电磁场的统一理论。虽然他没能得到有实质性的进展，但他的有关研究在当时还是有启发性的。Einstein对引力场几何化的成功，立即导致这种希望：类似的纯几何概念也可以用于描述电磁场。这个思想导致Weyl、Eddington和Einstein本人对Riemann几何提出修正，以便为电磁场让出位置。由于相同符号的两个质点彼此相吸，而相同符号的两个电荷彼此相斥，所以利用因子i＝ ，就可以在形式上做到这一点。出于这种考虑束星北研究了复数Riemann线元，其中实数与质量（引力）相关，虚数与电荷（电磁）相关。这样得到的理论就特别简单，Maxwell方程和Lorentz作用力定律两者就作为Riemann几何的本质上相同的结果而出现在一级近似之中。而且，电荷、电流密度和电磁势之间的关系立即变得清楚明了。[5] Einstein认为：我们的任务是要为总场找到场方程。所求的结构必须是对称张量的一种推广。它的群一点也不应当比连续坐标变换群狭小。如果能够做到类似于从狭义相对论到广义相对论所采取的步骤，把群再一次扩充，那该是最美的了。 因此他作出，代替对称的gμν（gμν＝gνμ），引进非对称的张量gik。这个量是由一个对称的部分sik和一个实数的或纯虚数的反对称部分aik相加而成的。所以 gik＝sik＋aik 从群的观点看来，s和a的这种组合是任意的，因为张量s和a各自具有张量的特征。但是，从整体来看，这些gik在建立新理论中起的作用，很象对称的gμν在纯引力场理论中所起的作用。 空间结构的这种推广，从我们的物理知识的观点来看，似乎也是很自然的，因为我们知道，电磁场同反对称张量Fμν有关。 在引力理论中，对于一个既定的对称的gμν场，可以定义一个场，它的下标是对称的，从几何学上来看，它支配着矢量的平移。与此类似，对于非对称的gik，可以按照公式 gik,l－gsk －gis ＝0 （A） 来定义一个非对称的 ，这公式同对称的g的相应关系是符合的，自然只是在这里才有必要注意g和Г的下标位置。 正如在gμν是对称的理论中一样，可以由Г形成曲率 ，并由此形成降秩的曲率Rkl。最后，运用变分原理以及（A），可以找到相容的场方程 ＝0 [ ＝(1/2)(gik－gki) ] （B1） ＝0 [ ＝(1/2)(Гsis－Гssi)] （B2） ＝0 （C1） ＋ ＋ ＝0 （C2） 其中 表示Rkl的对称部分， 则是它的反对称部分。因此，如果（A）得到满足，两个方程（B1）、（B2）中的每一个就是另一个的结果。 在 ＝0时，这些公式就简化成（A）和（C1）——纯引力场的情况。[6] 受束星北的影响，本人也曾考虑过利用泛复变函数的数学工具进行统一场论的研究，但也以失败而告终。 §2、利用量子的方法能建立统一场吗？ 有些物理学家也曾提出过用量子的手段统一电磁与引力的想法，但这在很大程度上是不太可能的，因为一方面引力在量子条件下，已经是微乎其微的了，无法显示其应有的价码，只有把它放到天体之间时，才能显示出其威力无穷，所以研究引力必须是大质量的物体之间。另一方面，引力场本质上是弯曲的时空，并为其它物质即行星等提供充分的“表演”舞台，而当对它要进行量子化时，物理学家们又要把它当作“演员”来处理，同一个引力场，在物理世界里要面对两种互相矛盾的角色，这从哲学的角度考虑是可以辩证理解和对待的，但从物理世界里的角度进行具体操作时，它却存在着无法克服的巨大困难。这显然是一件很不愉快之事。这样，虽然引力与量子两者的结合，还存在着时空概念本身的困难，但也许把已有的引力理论进行量子化还是有可能的。因为有时放小研究不行的东西，可以放大了研究其内在的作用机理之后，再将其“小型化”——量子化。再一方面，由于在量子条件下，引力与电磁作用相比之下的非常微弱，不足以表现引力的影响效果（也许“弦论”可以例外），所以有可能导致唯心主义理论，与实际脱节。所以不妨把电磁与引力在宏观条件下进行统一，之后再进行量子化，应用于基元结构，指导科学的向前发展，还是可以办到的。 §3、电磁与引力的统一思想 由于Einstein的引力场与Maxwell的电磁场都是从宏观物质存在总结出来的，且均为宏观物质实体，所以统一场论思想也应从宏观存在入手。另外，应力作用影响实在空间的几何形状，而与引力相类似的电磁力作用同样也应该影响实在空间的几何形状。因为空间和时间的客观意义在于：四维连续区是双曲面型的，因此，从每一点出发，都有“时间的”（即ds2＜0）和“空间的”（即ds2＞0）线元。[7]从这一点，统一场论理所当然地也应从宏观存在的空间的几何变形入手。基于以上两点，从微观世界寻找统一场的考虑就不存在了，这也符合Einstein的统一思想。 如果接受Einstein的有引力场的对称度规张量gμν和电磁场的反对称电磁张量Fμν考虑的一个对称部分sik和一个实数的或纯虚数的反对称部分aik之和而形成的表示度规的非对称张量gik的思想的话，那么，我们将走入误区。因为引力场的度规张量gμν为对称张量，且每个元素是非矢量的协变分量和逆变分量的集合——纯几何量构成的；而电磁场的电磁张量Fμν只能表示电磁张量，其中的每个元素是由只具有几何特征的纯电磁场量构成的，并非表示电磁场的空间度规成份——电磁场引起的空间的几何变形。因此，电磁场的空间度规，不一定非为反对称张量aik不可——由电磁张量不能确定电磁度规的结构，也许与引力场相似它也是对称张量。 如果接受束星北的电磁与引力间的复数形式的结合的话，虽然满足了相同符号的两个质点彼此相吸，而相同符号的两个电荷彼此相斥的结论，但这也许得到电磁与引力之间毫无相干这样的结果，尽管这对从总场分解出电磁与引力的各分场有利，但和电磁与引力也许是一个统一的相互影响的整体的可能性相矛盾。 也许Kaluza的五维空间法是一个很不错的方法，但要注意的是电磁张量Fμν并不代表空间的几何变形，要重新寻找电磁的度规表示。这样，也许才能在更高维的空间中构成一个单一的“统一场”。 综上所述，二场的统一，一方面要在宏观世界上进行，另一方面，还要相互和谐，不能是简单的合并，要符合物理的实在同一性，也要符合物理意义。 Einstein曾指出：“我设法去找在形式上有点类似于真空引力方程而又同总场有关的东西，把它作为总场方程。”[8] 在宇宙物质的场方程中，曲率张量的出线应该说是由于受到某种或者是引力或者是电磁力的作用而引起的，即由于物质储备了能量动量而引起了周围时空的曲率张量。这样，我们如果分析Einstein的引力场方程就会知道，方程的左边是空间的几何变形量，我们不妨叫它“几何能量动量张量”（因为在平直空间的基础上，几何变形应该说是“蓄能”的过程）；而右边是物体的能量动量张量形式。因为从作用力的角度来考虑，两个质点的引力与两个异种电荷的引力在本质上的作用机理是相似的——都是吸引力，所以电磁作用同样会引起与引力作用相似的空间几何变化，也许变形的程度有所不同罢了。若对两个同种电荷质点的相斥来说，由于引力引起空间变形的事实，斥力也应该会引起空间几何形状的变化。从能量辐射的角度来说，引力辐射会引起空间形状的改变，那么电磁辐射也应该影响空间形状，只是影响的形状或程度不同罢了，Einstein本人在1923年发表的《仿射场论》一文中也得到了类似的结果。[9]此外，Einstein的广义相对论的结论也与电磁场情况相对应——具有与电荷在其周围引起静电势一样的引力势，即“电”分量；也有做圆周运动的电荷具有磁矩及磁矩与磁矩之间的作用相类似的旋转的物体会有引力“磁”矩，而且两个旋转物体之间会有引力“磁”矩的相互作用。[10]这样，我们应该考虑到有把Einstein引力场方程修改为统一场方场的可能。从形式上看，Einstein的引力场方程应该说是能量动量守恒的一部分，因为在广阔的宇宙之中，除了引力的能量动量之外，还有电磁的能量动量部分。由于在Einstein引力场方程中左边已经是“几何的能量动量”形式了，所以可以认为两种场的合作用所引起的合几何变形归因于这个“几何的能量动量”形式，而右边的物体的能量动量形式应该变为电磁与引力共同作用下的物体的能量动量形式，其中由于Lorentz力是电磁作用的另一种形式，它同样会引起力效应和电磁辐射，所以为了包含所有客观的二场作用，也考虑根据物体的能量动量守恒情况，在方程的右边也应考虑到Lorentz力作功的情况，基于这些思想，在不修正Riemann几何的情况下，左边的几何形变应该是两种能量动量张量和Lorentz力作功的合作结晶。这样，统一场方程可以写为[11] Gμν＝8πGμ02ε02(Tμν＋∫FμνJνdxν) 其中Gμν为Einstein张量，G为Newton引力常数，Jν为电流密度，Tμν为引力与电磁能量动量张量之和。在这个方程中可以看到，电磁与引力是不可分的统一整体，只是存在的环境不同，哪种成份表现的更强与更弱的问题——在大尺度宇宙空间中，引力更强一些，相对地电磁力可以忽略，而在我们生活的空间（比如实验室）和微观世界里，电磁作用更强一些，引力可以忽略。当然，这个方程与Einstein的引力方程相似，同样包含有物质的运动方程。而且从这个方程中很自然地可以分解出Maxwell电磁场方程组和Einstein引力场方程，这也许对引力场的量子化有好处，能提供一个引力场的量子化方法，因为电磁场可以量子化，那么用同样的方法对统一场量子化，即可得到引力场的量子化。 参考文献 [1]许良英、赵中立、张宣三编译 爱因斯坦文集（第三卷） 第1版 北京 商务印书馆出版 1979年 P.392. [2]范岱年、赵中立、许良英编译 爱因斯坦文集（第二卷） 第1版 北京 商务印书馆出版 1977年 P.2. [3]韦伯著 陈凤至、张大卫译 广义相对论与引力波 第1版 北京 科学出版社出版 1979年 P.139. [4]吴大猷著 理论物理第四册——相对论 第1版 北京 科学出版社出版 1983年 P.224. [5]戴念祖主编 20世纪上半叶中国物理学论文集粹 第1版 湖南 湖南教育出版社出版 1993年 P.566. [6] 许良英、范岱年编译 爱因斯坦文集（第一卷） 第1版 北京 商务印书馆出版 1976年 P.40～42. [7] 许良英、赵中立、张宣三编译 爱因斯坦文集（第三卷） 第1版 北京 商务印书馆出版 1979年 P.421. [8] 许良英、赵中立、张宣三编译 爱因斯坦文集（第三卷） 第1版 北京 商务印书馆出版 1979年 P.470. [9] ]范岱年、赵中立、许良英编译 爱因斯坦文集（第二卷） 第1版 北京 商务印书馆出版 1977年 P.397. [10]方励之 天体物理学前沿鸟瞰 第1版 上海 科学技术文献出版社出版 1989年 P.30. [11]请参阅第二章《统一场论模型》一文。 写于1998年11月01日 |
5楼2005-12-29 09:50:14