1、1关于用多维度空间形状解释四种基本力的假说中图分类号：TU835 文献标识码：A 文章编号：1673-0992（2011）01-0149-02 一、问题的提出 引力、电磁力、强力、弱力这四种基本力是构成宇宙间万物的基石，对它们的理解自然也成了人们理解宇宙最基本的理论之一。长久以来人们提出了许多的理论来试图解释它们，这些理论最终筑成了四幢雄伟的力学大厦。它们分别是以牛顿力学为基础的经典力学、相对论、量子力学以及新兴的弦理论。虽然一路走来我们在认识这四种基本力的原理上撷取了丰硕的成果，但毋庸置疑至今我们仍未能彻底理解这四种基本力：弦理论的正确性还有待验证、相对论只解释引力。 在经典力学的关于这四种
2、力的解释中，似乎有违背能量守恒原理之嫌。能量守恒原理告诉我们能量不可能凭空产生，所以宇宙间不应该存在永动机。但按照经典力学对四种基本力的解释，这四种基本力无疑都是推动其相关媒介物质的永动之源。例如按照经典的引力理论物体只要存在质量便会存在相应的引力，只要物体的质量不减少则引力不会减弱，所以地球亿万年来吸引着月球做绕地运动其引力却并没有衰减。而在此过程中由双方引力所导致的潮汐，地心岩浆变热等所需的能量似乎是凭空产生的。同理按目前的解释电子绕原子核运动是由于带正电的质子对2带负电荷的电子的电磁引力所致，而质子和中子之所以会待在原子核中是由于强力所致，然而毫无例外的在上述两个例子中无论是导致电子运动
3、的电磁力还是固定质子、中子的强力均不需要以消耗能量为代价，电磁力和强力无疑成了这些永动机永不枯竭的动力源。并且在经典力学的解释中还无法解释除引力之外的其余三种力，为什么既包含吸引力同时在粒子靠近到一定距离时有会表现出斥力，吸引力和斥力并存的机理是什么？ 为了解决经典力学对四种基本力的解释中出现的诸多问题，量子力学提出了一种全新的理论来解释这四种基本力即标准模型理论。标准模型理论认为宇宙中所有的物质和力均是由粒子构成和产生的。这些粒子总体可分成两大类即费米子和玻色子，其中费米子构成了宇宙中所有的物质，而玻色子则是传递作用力的粒子。而四种基本力则是通过交换某种媒介粒子来传递的，这类媒介粒子统称为规
4、范玻色子（也称“信使粒子” ） 。 “信使粒子”告诉费米子应该表现出怎样的受力状态（吸力或是斥力） ，而力的大小则取决于“信使粒子”来回的次数，次数越多力就越强。同量子力学别的物理解释一样，这个解释对普通人而言是相当费解的。但这不是问题的关键，关键是这种解释从某种程度上来说只是一个假说，因为标准理论的成功需要依赖于一种非常重要的粒子：希格斯粒子。希格斯玻色子被认为是物质的质量之源，没有希格斯粒子标准模型将无法解释其它粒子的质量的来源。但这个重要的粒子至今仍未被实验所发现。如果最终被证实自然界中根本不存在希格斯粒子则标准模型理论的立论之基将被动摇。 3本文则试图从一种全新的角度来解释这四种基本力
5、即：用多维度空间形状效应来解释它们（以下简称 S 理论，S 是英文单词 shape 的首字母）。之所以没有循着如今主流的量子力学来解释它们。主要是笔者觉得量子力学对我们这个世界的解释太过离奇，虽然量子力学在数学上非常成功但由它推出的物理解释却往往令人感到无比惊奇：平行世界、人择原理、薛定谔的猫以及在双缝试验中那个遍历了所有路径的电子等等。笔者认为必定是由于量子力学对这些力学现象本质存在着某种认识上的谬误，所以才导致了它在解释一些实验或计算结果时不得不采用一些非常不符合常理的解释。接下来您将会看到虽然没有用广义相对论和量子力学但 S 理论同样能解释这四种基本力起因及构成，并且更简洁更图形化，在逻
6、辑上也不会引起人们过多的困扰因为 S 理论同经典力学理论一样同样认为宇宙万物是遵循严格的因果律的。 二、S 理论的假说 同别的需要以消耗能量来维持的力有所不同的是，S 理论认为认为我们所感知的由四种基本力所产生的那些力学现象实际是由一些复杂的空间形状所引起的。换句话说并不存在力学意义上的四种基本力，所谓的四种基本力是由不同纬度空间的几何形状所产生的（若非如此这些不需要能量的永恒之力将会凭空增加宇宙的总体能量） 。 S 理论认为我们的宇宙是由各种多维的空间嵌套而成的，并且这些空间嵌套还遵遁了这样一种原则即：高纬度的空间总是被包裹在低纬度的空间之内的， （例如我们所处的空间是三维的，原子所在的空间
7、是四维的，原子中的电子是四维空间体，原子核是五维空间的，原子核中的质子和4中子是五维空间体，质子和中子中的夸克是六维空间体） 。这样的表述既突兀又抽象肯定使您备感困惑，下面我将通过一个实例来向您解释S 理论。 下图是一条一维细线。 调整我们的视届，当我们用放大镜放大了几十倍后，我们就会看到一个二维的世界。 再次调整我们的视届，当我们用显微镜再次放大数十倍观察这个二维世界时，我们会发现构成它们的实际是一些三维的分子。 下面所描述的世界也超出了我们的感知，我们再次回到文字，并假设作为后续观测者的我们可以认知高维度的世界。当我们再次放大观察那些分子，S 理论认为我们将看到四维构造的原子。放大这些四维
8、构造的原子，S 理论认为我们将观察到四维构造的电子和五维构造的原子核，依次类推我们将继续会观察到六维构造的质子和中子，七维构造的夸克。S 理论认为目前我们所能知道的最小的粒子，就是目前维度最高的空间构造，我们的世界便是这样由不同纬度的空间构造嵌套而成。并且S 理论认为空间的维度越高越难在大尺度下维持稳定，所以通常维度越高的物体看起来就越小，但在高温高压的环境中，允许存在大尺度的高纬5物体，S 理论认为黑洞就是这样的星体。 S 理论认为宇宙间的物质之所以会以这样一种空间嵌套的方式构成，是因为这样的方式产生的物质会是一种力学上相对稳定的空间结构（本句的解释请参阅下文） 。 三、S 理论对物体质量的
9、解释及光子空间的特性 这样的空间嵌套会给我们带来的最直观的感知是什么呢？答案是质量！假设我们卷曲一根 3CM 长的一维细线，并最终使它变成一个二维平面世界的小球，现在我们将它重新放回到一维的世界中，如果一维世界有智能生命存在它会感知到什么？ 它将不会看到一条 3CM 长的细线，它会看到一条短的多的细线（因为它看不到那个二维小球的别的部分） ，同时它会发现这条细线的周边空间发生了变化。如果这个一维空间上站着一个能感知二维空间的生物，它感知到的情况会真实许多：它会看到一个二维的小球，这个二维的小球压弯了周围一维的空间，如果它用手尝试去拾起那个二维小球，它会发现同周围占同样一维体积的物品相比它要重很
10、多，这是因为实际上这个二维小球在那个一维世界中承载了比它所占空间多的多的一维空间，因此对一维世界而言它会显示出它同别的空间不一样的一个属性那就是质量！。 对我们人类而言我们所能感知的最高纬度是三维，我们也能清晰的感受到周围物体的质量，S 理论认为那是因为组成它们的原子、质子、中子实际是由更高纬度的空间所构成，所以它们实际上拥有比我们所能感知到的多得多的三维空间。 6S 理论认为站在我们人类可感知的视角，组成我们宇宙最基本的单位是单个电子（四维空间体）释放到三维的宇宙空间所占的空间体积，实际上也是单个光子所占的体积（以下简称光子空间） 。在 S 理论中宇宙空间不等于真空（真空在 S 理论中特指宇
11、宙之外的空间，后面将会再次提到这个概念） ，由于光子空间是三维空间中最基本的单元，所以它不能再压弯任何的三维空间，因此它不具有我们所能测量的质量。光子空间在静止状态时其质量为零动能也是零，当它运动时它将在三维世界展现其能量特性，由于其质量为零所以它能以三维世界最快的速度光速运行，那时它就是我们常说的光。光子空间的另一个特性是当它受力后可被压缩，压缩后形成我们常说的不同频率的光，并且最终它可被压缩进原子核中形成原子核中的四维空间体-电子。当它被压缩成四维空间体后它将在三维世界中展现其另外的一个重要属性：质量。 四、S 理论对宇宙中四种基本力的解释 1. S 理论对引力的解释 对于引力最初人们认为
12、它可能是一种类似于人拉一个用绳子系住的小球然后舞动使之做圆周运动的拉力，但如前我们论述的这样的引力模型是有违能量守恒原理的。1916 年爱因斯坦在其广义相对论中提出了一个新的引力模型，新的引力模型将引力描述成了时空的一种几何属性（曲率） ；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组） 。根据引力场方程他认为大质量的物体会引起宇宙时空的弯曲从而引起引力。S 理论的引力模型同广义相对论的引力模型大体是一7样的，即 S 理论同样认为引力是物体的质量对空间的弯曲所引起的。但对这种引力模型的解释上 S 理论却与广义相对
13、论迥然不同，S 理论的解释相对而言要简单的多的多：如前文所述 S 理论认为我们的宇宙是由各种多维的空间嵌套而成的，那么在这种嵌套中最小的纬度是多少呢？就我们目前所知的应该是二维的。你也许会诧异我们所看到的空间不是三维的吗？没错，站在我们的视界上看我们周围的事物是三维的，但你如果有机会站在更高的角度俯视我们的宇宙，你会发现在宏观层面上我们的宇宙是二维的（目前有许多的观测证据表明我们实际生活在一张薄薄的宇宙膜上） 。在这个二维的宇宙空间中星罗棋布的点缀着一些看起来是三维的星体，在这些星体的周围，三维的宇宙空间（站在星体的视角周边的世界是三维的）因星体的质量而弯曲从而产生引力。三维的宇宙空间之所以会
14、被弯曲 S 理论认为，一是因为那些星体的组成物质实际上是由多种纬度的空间嵌套而成的，所以在三维空间中实际拥有比它所占的体积多得多的三维空间。二是由于宇宙的快速膨胀，在此过程中宇宙空间会推动其中的所有物质一起运动，由于星体的质量远大于同体积的宇宙空间，因此在受到同等推力的情况下它们的运动速度会比周围的宇宙空间慢，这就会形成一种类似于用网球拍兜住网球快速运动时的情景（此时网球会在网球拍中形成了一个凹陷） 。 2. S 理论对电磁力、强力和弱力的解释 S 理论认为原子在整体上看起来是一个四维的空间体，但其中的原子核是一个五维的空间体。五维的原子核因为其质量会弯曲周围四维的空间，这个因四维空间的弯曲而
15、产生的引力便形成了电磁力的吸引力其大8小同原子核的质量相关，而四维的原子球其本身弹性的球体则构成了电磁力的斥力。同理构成原子核内的 6 维的夸克将弯曲质子和中子内的 5维空间构成了原子核内强力的引力效应，由于质子和中子所拥有的夸克是互补的（质子由 2 个上夸克 1 个下夸克组成，中子由 1 个上夸克 2 个下夸克组成）所以他们很可能以某种互补的空间形状紧密连接在一起，而 5 维弹性的原子核球体则构成了核内强力的斥力效应。当一个原子核内因某种原因拥有了过多的中子（中子和质子一般成对出现） ，此时原子原本稳定的空间力学平衡会被破坏掉，为维持原子整体的空间稳定，多余的中子会释放掉一些空间（一个四维空
16、间体-电子）从而衰变成质子，使原子重新恢复稳定的空间形状。此过程中产生的力学效应便形成了我们可观测的弱相互作用。 原子核之所能弯曲周围的四维空间其原理同大型的宇宙天体能弯曲宇宙空间的的原因是一样的，即一是由于更高纬度的原子核所产生的质量效应二是由于因宇宙膨胀而快速运动的光子空间对不同质量的物体的推动速度是不一样的。 在弯曲的四维空间中被电磁力压缩成电子的光子空间，由内向外逐层覆盖在原子核周围形成电子轨道，并绕核快速的运动着。电子会绕着原子核运动 S 理论认为主要是三种力共同作用的结果，其一是原子核弯曲了核内的四维空间并由此而产生的电磁力；其二是因宇宙膨胀而快速运动的光子空间对它的推力；其三是由
17、于地球的自转而产生的离心力； 五、S 理论的相关公式 1统一的四种相互作用力公式 9由于 S 理论认为 4 种基本作用力都是质量对空间的弯曲所致，这也意味着用一种统一的理论来描述 4 种基本作用力是可能的。我们已经知道了在我们熟知的三维世界中万有引力可以用如下公式描述： F=G*m*M/r2，那么这样一个在三维世界中被验证的万有引力公式能否推广至所有的纬度世界呢？S 理论认为这是可能的，但在推广至其他的纬度空间时应考虑不同的纬度空间之间的换算，因此一个适用于所有纬度空间的引力公式可能应是这样的：F=K*G*m*M/r2,其中 K 为不同空间之间的换算系数。至于基本相互作用力中的斥力 S 理论认
18、为也应有存在一种统一的力学描述公式。 2质空转换公式 S 理论认为不同的纬度空间之间可以进行转换，但遵守这样一个公寸（以下简称纬度空间公式）：VKE=MCn 其中 V 代表三维空间的体积，K 为单位转换系数（能量单位向体积单位的转换） ，E 代表能量，M 代表质量，C 代表光速，n 为一个随转换的空间纬度而变动的常数。纬度空间公式凝炼了 S 理论的这样一种思想：当将低纬度的空间压缩进高纬度的空间后，对低纬度的生命来说它将感受到由此而产生的质量，反之当高纬度的空间向低纬度释放时，在高纬度物体的质量变轻的同时，将为低纬度提供新的空间和由此产生的能量。S 理论认为能量是由空间的运动所产生的。除此之外这个公式还一定让您相当的眼熟，这不是跟爱因斯坦的质能方程式很像吗？是的事实上笔者认为质能方程是空间方程式的一个特例：它描述的是 5 维的原子核空间同三维的我们所感知的世界之间的空间转换。 10
