粒子的构成,早就有夸克、弦振动等理论论述,本文的作者认为,对粒子和埸的最基本构造的探索,还要归朔到《高等量子力学》的二次量子化理论。
1.量子力学中,二次量子化理论的要点是:把态函数作为物质埸的自由度的广义坐标,把空间坐标作为广义坐标的指标, 是连续的指标。拉
格郎日函数
欧拉-拉格郎日方程为:
它的整个思想是把粒子物质波看作一个“多粒子系统”,与电磁场的“光子系统”相类似。
把态函数作为物质埸的自由度的广义坐标,就是把不同坐标的一个态函数看作物质波即“多粒子系统”中的一个单元, 而每组坐标对应这个
多粒子系统的一个单元,即一个多粒子质点的坐标。粒子物质波看作一个“多粒子系统”, 每个多粒子系统中的一个质点正是组成物质波
即粒子的最基本的元素单位。
反映粒子能量的拉格郎日函数,是以为积分变量。从这个式子可以看出, 粒子能量是与,以无穷多个“多
粒子系统”中的“多粒子”的态函数的累积相对应, 也就是说与无穷多个“多粒子”累积相对应的。每个“多粒子”在任一个瞬间都对应一
个项,是一个载体。
二次量子化是量子场论的基础理论之一。可以这样认为,量子场论是在二次量子化的基础上,结合量子方程导出了粒子整体的拉格郎日函
数,然而进行量子化,……。 它研究的是粒子整体的拉格郎日函数,也即粒子的多粒子系统整体与外场的作用。而本文进一步研究二次量子
化,将是直接研究粒子的多粒子系统的分布、密度、运动等等情况,使研究能深入到粒子内部的结构。因此,对二次量子化的进一步研究的
目的,是在于为研究粒子内部的结构增添一条探索的路径。现在我们不妨定义粒子的多粒子系统为粒子的光量子。
现在还不能完全这样说“多粒子系统”中的“多粒子”即光子, 但因为物质波是微观尺度的波, 物质波的速度与光速相同, 所以“多粒子系
统”中的“多粒子”, 在尺度、 速度、 质量、 能量等方面都具有光子的特征, 因此不妨称它为“光量子”。 光量子的质点具有光子相同的微观尺度、 光的速度、 以及无穷小的质量,是一个能量及动量的负荷体。按二次量子化理论, 粒子的物质波或者物质场可以认为是一个由
无穷多个光量子的质点组成的“多粒子系统”.
按照二次量子化理论, 在一个坐标系里每个点的坐标都是一个态函数的指标。 也即“多粒子系统”中的“多粒子”的指标, 在一个坐标
系里每个点的坐标在一个瞬间都应该对应一个随机出现的“多粒子系统”中的“多粒子”。 每一个“多粒子系统”中的“多粒子”在任一
个瞬间都对应一个坐标, 光量子的质点具有随机出现的确定的坐标。
粒子的拉格郎日函数。从这个式子可以看出,每个“多粒子”在任一个瞬间都对应一个
. 由此可以看出“多粒子”,也即光量子,具有能量和质量.
从这个式子含有这个因素, 可以看出每一个“多粒子”都具有相应的动量. 光量子是动态的。再从物质具有
内能为这一点来推测,在用平度度规观察的空间中,光量子的动量是。
粒子的光量子系统既具有波动性,是稳定的物质波,同时又具有粒子性。 这说明粒子的光量子具有稳定的分布,说明光量子有稳的密度、能
量和动量的分布。光量子的这种分布是动态的而又不是混沌。以库仑场中的电子云为例,电子云始终在围拢中心的态函数的等位面上分布
着,并且在它的切线方向上环绕等位面运动着。由此有理由假设,对于自由粒子,作为光量子系统中的光量子的质点也应该在它的态函数的等
位面上分布着, 在它的切线方向上环绕等位面运动着. 因为只有这样,才能使自由粒子始终保持独立性和稳定性。与电子云不同的只是保持
这种随机稳定性的因素不是库仑场, 而是自由粒子光量子系统内部弹性碰撞,自旋等等.
可以认为粒子的光量子是动态地分布在环绕粒子中心的、稳定的等位面上,并且光量子是在等位曲面切面的切线方向上运动着。 对应曲
面上的任一点, 光量子的速度是在分布曲面切面的等几率矢量。光量子的分布等位曲面是环绕粒子中心的一系列曲面,
曲面的曲率半径。
我们可以用平度或曲度两种度量方法来考察光量子的分布等位曲面。 在用曲度度规观察的空间中等位曲面是一系列平面,也可以近似看作一
系列半径十分大的球面。在用平度度规观察的平度空间中分布等位曲面是一系列曲面。在同一个等位曲面中,总曲率随曲面上的点的位置不同
而不同。在同一个等位曲面的同一个点上,不同曲线的法曲率不同。用平度或曲度两种度量方法来考察,得到在等位曲面的同一个点上与同一
曲线相关的基矢、坐标读数等等数值是不同的,存在着一个平度度规与曲度度规之间的转换函数:,其中、分别是在一
条曲线上的一个点的曲率半径和法曲率。(详细请看 “破解广义相对论的曲度”一文)。 光量子的速度是在分布曲面切面的等几率矢量。当
分布曲面是平面或球面时, 光量子在各个方向上分布是均匀的。光量子的速度矢量是对称的等几率矢量。(请看向的曲线上是分布不均匀的,
出现的几率是不相同。
终结这些论述,粒子或者说物质波就是光量子系统,它最基本的单元即光量子质点。它即二次量子化理论所述的多粒子系统中的多粒子。它的
属性类同于光子。这与夸克理论并不矛盾,因为夸克本身也是一种微小的粒子,或者说也是光量子系统。这与弦振动理论也并不矛盾,因为每
个光量子质点都处在振动和自旋振动的状态。本文只是配合夸克理论和弦振动理论,再作进一步深入的探讨
2.光量子的分布曲面是等位面,它应该是极小曲面。这里等位面的意义是:对于稳定系统,光量子始终在分布的等位面上运动,不会向
另一个分布曲面跃跹。用平度度规的度量方法,在分布曲面的任一点周围,确定一小区域,(或单位面元),在光量子的运动过程中,
和的在曲面上的位置会改变,但上的光量子质点的数量始终不变。
从平度度规的度量映射到曲度度规的度量,等位曲面就映射到一个平面,在分布曲面上的任一点就映射到平面上的一点,周围一小区
域,就映射到同一平面上的一个小区域。当平面上的点移动到点时,小区域移动到同一平面上的周围一小区域,且
。当平面上的点反过来映射到分布曲面上的点时,一小区域反过来映射到分布曲面上的点周围一小区域。这一过程相当
于分布曲面上的点移动到点分布曲面上的点时,一小区域移动到小区域。,,,
。同理。, 。 此即在点和小区域移动过程中小区域上的光量子质点的数量为
不改变。,当出现变分或时就有。此也即。在光量子的运动过程中,在分布的等位面上有
。
在分布曲面上任一点上首先建立局域坐标系。在分布曲面上点的周围取一小单位面元, 它的面积是。假设
这个分布曲面的函数是。设在小单位面元上的光量子数量为, ,。曲面的平均曲率是
,它是和 的函数。在振动过程中随曲面的法线方向会改变。的方向就是的方向。 光量子的分布曲
面是等位面,并且在振动过程中仍是等位面. 。在振动过程中随曲面的法线方向会改变,,
。 按照定义和上一段的说明在等位曲面上有: , 。 。在分布曲面上点
,光量子的振动方向是沿 方向的,对一个稳定的粒子来说,即振动的中心位置,它所对应的。对一个稳定的振动
. ,。 这样由于,按照微分几何就得到光量子的分布等位曲
面是极小曲面的结论。按照微分几何的原理,对于极小曲面有 。,是该曲面的主曲率。
问题是为什么对于必须表示成三维参数, 和的微分呢?这是因为光量子的振动的存在,振动的方向是方向。 在振动的过程中光
量子的分布曲面随而变化,但它们始终保持等位曲面。对一个稳定的方向的振动,最终能得到,
。
3.在二次量子化理论中只用作为埸的自由度的广义坐标,是一维的无穷多个指标的广义坐标. 也就是说尽管是无穷多个指标,它在
空间的自由度却仅有一维。无穷多个指标的广义坐标,只分别对应无穷多个“多粒子”,描写它们一维的状态。为了描写物质埸的矢量性,
物质埸的自由度的广义坐标也应该是多维的广义坐标,必须把推广成。。当时对应物质埸在处的振动的动量。,对应物质波的几率密度,即传统的二次量子化理论中的态函数。仍是四维广义坐标的指标,无穷指标。除此之外还
应该定义另外四个广义坐标描写自旋振动角动量和自旋几率密度.
推广二次量子化理论的目的就是在于把二次量子化理论中的“多粒子系统”推广。研究光量子即“多粒子系统”的分布曲面、分布密度、
运动状态等等。并且用四维自由度的广义坐标来描写光量子的线振动,再用另外四维自由度的广义坐标来描写光量子的自旋角振动, 从而不
仅较完整地描写粒子和埸的整体,而且可以进一步研究粒子的内部各种分布情况。
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