物理学前沿问题探索分析_物理论文
发布时间：2014-10-18
来源：人大经济论坛
摘要：从简单的自然规律出发，推导出了宇宙的诞生、万有引力、万有斥力的、物质的结构形式、原子核的放射性、低温超导现象、同位素等之间有着内在的必然的联系。合理的解释了时间的不可逆性、电磁力的产生、太阳系的起源、原子结构、原子核放射性规律、重核元素结构等。其中有许多的新观点和新思维，对拓宽视野，推进物理学的发展很有好处。
关键词：万有引力 万有斥力 宇宙 低温超导 原子结构 同位素 放射性 太阳系的起源
1.万有引力和万有斥力
弹簧振子作往复振动，压缩时, 弹簧产生一个向外伸展的弹力;拉长时, 产生一个向内拉伸的弹力;平衡位置时,弹簧不产生弹力。如同弹簧振子, 对于宇宙, 也具有类似的特性。现代天文学发现, 当今宇宙正好处在拉伸的状态, 正在向着要收缩的趋势发展. 既使宇宙今天仍在膨胀, 总有一天, 整个宇宙将会膨胀到终极点后再向内收缩. 这就是为什么现在存在万有引力的原因。
根据对称性原理, 宇宙在特定的条件下会产生万有斥力, 当宇宙收缩且通过其平衡位置(即万有引力和万有斥力的临界点)时, 宇宙中的所有物体就开始相互排斥. 但由于宇宙的巨大惯性, 仍将在其惯性的作用下克服物质间的万有斥力继续收缩, 直到所有宏观宇宙动能转换为物质间的万有斥力为止. 这时宇宙成了原始宇宙蛋，这时宇宙的体积最小。
在这宇宙的整个宏观运动过程中, 宇宙的运动动能和势能(引力势和斥力势)相互转换. 当宇宙收缩到极点时, 宇宙的引力势能释放殆尽, 这时宇宙的万有斥力势能积蓄到最大值, 物质间的万有排斥力达到顶峰, 宇宙瞬时静止. 紧接着宇宙又开始反方向将宇宙万有斥力势能逐步释放转变为宇宙动能, 当达到平衡位置时, 其斥力势能释放完毕, 引力势能开始诞生并发挥作用. 在引力势和斥力势的临界点(即平衡位置)的一瞬间, 宇宙中的物质不受斥力和引力的作用, 这时宇宙的膨胀速度达到最大值, 通过平衡位置后, 宇宙引力势能的逐渐积累, 导致宇宙的膨胀速度缓慢降低. 由于宇宙巨大的惯性作用, 将继续膨胀, 宇宙动能慢慢转变为宇宙引力势能, 当宇宙动能完全转变为引力势能时, 宇宙将停止膨胀, 这时宇宙膨胀体积达到最大, 其引力势能的积累也达到最大, 宇宙将有一个瞬间的静止. 紧接着, 宇宙又在强大的引力势能的作用下开始收缩, 又将其积累的引力势能转变为宇宙动能. 如此往复, 以至无穷.
在宇宙膨胀(或收缩)的不同时期, 万有引力(或斥力)的大小是不相同的, 且呈周期性变化. 宇宙的膨胀(或收缩)的周期对人类来说大得惊人. 人类历史与宇宙运动周期相比, 仅相当于其中的一个极小极小极小的点. 所以人类无法用实验或观察的方法进行验证。
2.宇宙膨胀(或收缩)过程中的时间和时间矢
对于一个假想的处于宇宙外的观察者看来, 在宇宙运动过程中, 时间的流失也是不均匀的, 在引力或斥力较大的空间, 时间过得较快，反之亦然。对处于宇宙中的假想观察者, 其自然生理周期也将随引力或斥力的大小而发生变化, 当其生理周期发生了变化时, 用来测量时间的时钟的运行速度也将发生同样的变化, 所以, 对观察者来说,他并不能发现其生理周期发生了变化. 对宇宙外的观察者来说, 这种变化是十分明显的。
无论宇宙是处于膨胀阶段还是处于收缩阶段，在其阶段内生存的所有物体都不会出现破镜重圆的时间倒流现象，宇宙中的时间矢永远是不可逆的，对于生存在其间的生物，始终是由诞生-发育-衰老-死亡进行的，永远不可能逆过来进行，这就是宇宙的时间矢和宇宙中的万物一样，永远不可逆。
宇宙运动的周期是多少? 宇宙膨胀后的最大体积和收缩后的最小体是多少? 宇宙的平衡位置在哪里? 在平衡位置时宇宙运动的最大速度是多少? 宇宙的总的引力势能和斥力势能是多少? 等等一切宇宙学方面的问题有待探讨
如果人们能计算出现今宇宙的总的势能和宇宙的膨胀速度，就可以计算出宇宙的总的机械能。宇宙中的物质从宇宙中心到宇宙边缘. 处于宇宙中不同位置的物质具有不同的动能和势能, 另外, 人类现在所能探测到的宇宙空间仅是宇宙总的空间的很小的一部分, 所以，人类在现代科学技术水平下, 还很难进行这样的计算。既使计算出了宇宙的机械能, 宇宙还具有宇宙内能和场能。
3.原子核的放射性与宇宙的周期性运动
原子核的放射性也可以由宇宙的周期性运动得到圆满的解释.
现今宇宙中, 到处都存在原子核的放射性, 从原子核的内部不断发射出各种粒子和能量. 宇宙在其膨胀的最初时期, 宇宙中的所有物质都聚集在一个相当小的球形体积内, 成为一个巨大的唯一的原始原子核, 也是宇宙中最大的原子核.
由于能量的高度集中, 在聚集在核内的强大的万有斥力作用下, 巨大的原子核难以保持稳定. 在极其短的时间内, 发生了宇宙大爆炸, 这时原子核一分为二, 二分为四, ……, 就这样一直分裂下去, 在刚开始裂变的极短的时间内，核子的链式裂变极其迅速，随着原子核的不断裂变而变小，宇宙的体积也不断增大，极其强大的斥力势能不断得到释放，裂变的剧烈程度也随之慢慢的降低，逐渐演变成形各种不同的原子核。在发生核裂变一个较短的时期内, 所有受斥力能作用而破裂的原子核，其核内蕴含的斥力能远大于核子的结合能，都能自发分裂成小的原子核。
由于核的变小，宇宙的体积不断增大，斥力势能的进一步降低，在这个较短的时间过去后，有少部分破裂后体积较小的原子核，其斥力势能与其核子的结合能大小相比拟或更小时，核停止了自发分裂，暂时处于相对稳定时期，但是，大部分原子核内的斥力势仍十分巨大，原子核的结合能抵挡不了斥力能的作用而自发裂变。再过一段较长的时间，随着原子核的体积的进一步变小，斥力能的进一步释放，越来越多原子核的斥力能小于核的结合能而进入核的稳定时期，暂时不再分裂. 因而就失去了放射性。但有这些核仍具有多次分裂的潜在能力, 有潜在的放射性。
随着时间的推移, 放射性逐渐减弱, 能继续分裂的核越来越少, 当宇宙膨胀到最大时, 仍有极少数核具有放射性. 这就是为什么现在宇宙中仍有数量可观的核具有放射性的原因。
原子核的放射性是相对的, 核在不同的时期具有不同的放射性, 随着宇宙的不断膨胀, 宇宙中物质密度的减小, 温度的降低, 以往某一时期失去了放射性的原子核, 这时又会进入一个新的不稳定时期, 核子又重新活跃起来产生新的放射性. 这是因为, 在不同的时期, 核子的温度和核周围物质的密度下降, 核子外部抗放射性的背景压力(简称：抗放射背压)的降低, 使得核子又能克服抗放射背压重新具有放射性. 随着宇宙的进一步膨胀, 宇宙的密度和宇宙背景辐射压力的降低, 在某阶段没有放射性的核子, 过一段时间后, 核子内部的结合力抵抗不住外界背景压力的降低而产生放射性. 经过一次或多次放射后, 核子又进入一个新的相对稳定期，须再经一段时间的相对稳定期, 待外界放射背景压力再一次下降后,又重新活跃起来产生新的放射性。随着宇宙的不断膨胀，抗放射背压的不断降低，核的裂变也将不断的进行下去。
在同一时刻和宇宙中的不同位置, 对于具有相同结构的核，其放射性能也会大不一样. 在宇宙中的某一区域具有放射性的核子, 在宇宙中的另一区域不一定也具有放射性. 但具有放射性的潜力, 待抵抗放射性的背景压力下降到一定程度后, 才能表现出其放射性. 也就是说, 物质是否具有放射性, 要由它所处的宇宙中的位置的抗放射背景压力的高低来定.
在宇宙的整个膨胀过程中, 宇宙中的核子相对地越变越小, 直到宇宙膨胀到最大且开始收缩时, 一些核子仍具有放射性，只有等到宇宙收缩到一定程度, 待抗放射背景压力上升到核子不能放射出粒子为止。
由对称性原理，既然核子在一定时期具有放射性, 在其相对应的另一时期核子必定具有结合性。
当宇宙膨胀到极限，宇宙的引力势也积蓄到极限，这时，在引力势的作用下宇宙开始收缩, 核外的抗放射性背压开始增加，随着抗放射背压的增加, 部分较小的核开始具有结合性，慢慢地，随着宇宙的进一步收缩, 核子的不断收缩，宇宙中的核子数会逐渐减少, 核子的单个体积增大, 最后形成一个巨大的原子核. 这时宇宙的所有动能全都转换为宇宙势能, 宇宙的斥力势能达到最大, 一个新的宇宙大爆炸的条件又已具备, 并又进入新的一轮宇宙膨。.
值得一提的是, 在宇宙的同一区域内，在同一个放射背景压力的情况下，核子放射性和结合性是矛盾的统一体。部分较大的核具有放射性, 即此时的背压低于该核放射性终止的背压, 不足以阻止该核停止放射. 而部分较小的核, 由于其背压高得足以使其发生核的结合, 所以在当今世界上核的裂变和聚变反应同时存在. 一般核的裂变都是大的核子, 核的聚变都是小的核子，对于中等质量的核, 由于外界的抗放射背景压力正好能阻止核的裂变和聚变, 暂时没有核的裂变和聚变. 所以, 通过测量原子核的裂变和聚变能力, 以及核子体积的大小, 就可以计算出我们所在宇宙空间的抗放射性背景压力的高低。
4.合成超大原子核的可能性
我们现在正生活在一个膨胀的宇宙中, 总的趋势是, 核的裂变占优势, 聚变处于次要地位. 要想合成大于元素周期表中的核子, 在现今实验室就能做到, 但是其寿命很短. 如果能制造出一个高的抗放射背景压力的容器或环境, 我们就可以将实验室制造出来的重核储存起来. 但合成大的核子必须消耗相当多的能量，这个能力大于或等于在合成该核的环境下其自然裂变所释放出的能量，因为这个过程正好是核裂变的逆过程, 核裂变后放出多少能量, 则核结合时必须付给它相对应的能量.
对于核的放射性, 正是一个由高的抗裂变背景压力环境过度到低的抗裂变背景压力环境的演变. 因为, 在原子核这个环境中, 核的密度比核外物质的密度要高出许多倍。这是一个在一定温度的情况下, 物质由高密度(即高抗核裂变背景压力环境)向低密度(低抗裂变背景压力环境)的节流裂变过程.
上面谈到的抗高放射背景压力的容器或环境, 如果能制造出来, 将会产生极其巨大的作用. 我们可以将当今不能很好保存的具有放射性的核子以及人类新合成的重的具有放射性的核放入其中, 这样这些具有放射性的核就不会再进行放射演变. 就相当于储存了核能. 由于没有核放射性, 也就没有核污染，也没有大量高纯放射性核子储放在一起会产生核爆炸的危险。宇航员可以带上装有放射性核的容器作为宇宙航行的动力。同时，也是研究宇宙起源和演变最好的科学手段. 如果这样的容器能抗很大的放射性背景压力, 人们就有可能制造出质量很大的单个的原子核, 或许这样的原子核重量能达到100kg以上. 这种大的原子核通过某种特殊装置, 将其节流后释放出来, 将会放射出大量的核裂变能量. 其裂变方式将会是一分为二, 二分为四, ……, 直到正常核的大小为止. 其释放出来的能量比起当今的仅一分为二的核裂变来说, 不知要大多少倍. 但是, 这种容器被破坏, 也将会发生巨大的核裂变反应.
同理，如果能制造出高的抗核裂变背景压力的容器, 一定也能制造出高的抗聚变背景压力的容器. 这样的容器能使具有聚变能力的核失去聚变能力, 使没有放射性的物质产生放射性. 那么, 我们将中等质量且无放射性的核通过节流装置让其进入, 则它就会发生裂变反应,放射出核能，但是, 如果这样的容器被破坏, 将会发生核聚变反应。
上面所说的两种容器, 对具有较高抗裂变背景压力的容器, 我们可以将小质量的元素(如氕、氘等)通过节流装置注入其中, 这时小质量的元素就会源源不断地发生核聚变反应释放出结合能, 这种设施叫低温核聚变装置. 这样的容器可以储存大质量的核, 储存放射性元素, 也可以作为核聚变装置. 同样, 对具有较高抗结合背景压力的容器, 可以储存具有核聚变性的轻核元素, 也可以作为中等质量且无放射性的核的核裂变装置, 或者作为较大质量同时又具有放射性元素发生核裂变(包括深层次裂变)放射出核能的装置.
5.制造储存放射性元素容器的设想.
自然界中的抗放射性背景压力的高低是与宇宙运动(膨胀或收缩)的不同时期、不同区域密切相关的. 宇宙爆炸的初期, 抗裂变背景压力极高, 只有极大的核才具有放射性. 随着宇宙的进一步膨胀, 宇宙中的物质的平均密度与温度也进一步降低, 斥力逐渐减小, 抗裂变背景压力也会随之减小. 当达到宇宙平衡位置时. 斥力降到零, 引力开始由零慢慢增加. 此时抗裂变背景压力达到中值; 由于宇宙巨大的惯性力作用, 宇宙将克服引力的收缩而继续膨胀, 但在引力的作用下, 其膨胀速度将逐渐减弱, 宇宙中物质的密度和温度将继续下降, 这时, 抗裂变背景压力仍在进一步下降; 当宇宙膨胀达到极点时, 物质的密度和温度降到最低, 体积达到最大. 抗裂变背景压力降到最低值. 但并不意味着此时裂变就会终止, 部分大核将继续分裂, 仍具有放射性. 但比以往要弱得多. 此时宇宙的引力势能达到最大, 但静止是相对的, 紧接着宇宙又在强大的引力势能的作用下开始收缩, 一旦收缩开始, 宇宙中物质的密度和温度就会上升, 抗裂变背景压力开始增加, 具有放射性的元素和物质越来越少, 具有结合能的物质越来越多. 到达一定时期, 物质的结合性占主要, 放射性处于劣势, 核的质量将会越来越大, 数量越来越少.
从上面的分析得出, 要想提高抗裂变背景压力, 可从提高物质的密度和温度两方面着手. 也就是提高物质的内能; 要想降低抗裂变背景压力, 必须降低物质的密度和温度. 事实上我们在实验室就是从这两个方面进行的. 例如要想物质发生核聚变, 通过提高小核元素的密度和温度, 来提高抗裂变背景压力, 从而达到聚合的目的;在合成大核时, 就用两核对撞提高结合时的温度和两核接近的可能性. 但碰撞后温度慢慢降下来, 抗裂变背景压力也降下来了, 这时, 刚刚合成的新的大核又将重新分裂为数个小核. 但降低抗裂变背景压力的实验还没有人做过, 如果尽量降低物质的密度和温度, 一定会使某些暂时不具有放射性的中等质量以上的核产生放射性。
6.低温超导现象和原子的特性
从以上的分析不难得出，很有可能低温超导现象的幕后幽灵就是物质在低温时产生了某种特殊的放射性物质后, 这些新的物质的电学性质发生了根本性的改变而使其导电性能发生了质的变化，因为在低温条件下, 物质的抗裂变背景压力下降了, 核子中的中子会克服外界的较低的背景压力衰变成质子和低能电子, 并发出一定的热能. 衰变出来的电子在低温约束时成为物质的自由电子. 由于原子核外自由电子数的增加, 原子半径也随之增大, 从而增加了物质的导电能力. 当物质温度恢复正常时, 抗裂变背景压力也就增加了, 这时低温条件下产生的自由电子在高的抗裂变背景压力的作用下回到原子核内与质子结合变成中子. 吸收一定热量. 原子的核外电子数和核半径也缩回到原来的值, 这时物质的导电性能又降低而回复到原初态。中子衰变成质子和电子以及质子和中子结合成中子的过程中, 伴随有能量的发射和吸收. 温度升高, 电子吸收能量后动能增加, 从而提供了电子回到核内与质子结合所需的能量.
从低温核子放射出电子可知, 由于温度极低, 放射出来的电子的能量也极小, 所以能够滞留在放射出电子的物质附近而成为自由电子. 该电子具有遇冷就出、遇热就进的两重特性, 人们很难摸清其运作的详细细节. 因为在超低温条件下所做的一切实验都显得不方面.
如果我们能找到一种物质, 能在较高的温度下发射出具有以上两重特性的电子, 超导的广泛应用就可以在不久的将来变成现实了, 这种物质必定是β放射性的.其放射出来的β粒子能量很小, 能够约束在物质的原子尺寸范围内, 在高温时又能回到原子核内.
根据以上分析我们还能得出，元素周期表中的原子序数是常温下的情况, 当物质温度发生变化时, 原子序数也将发生相应变化。物质密度不变时，温度升高, 核外电子进入原子核内的可能性就越大, 因为温度越高, 抗裂变背景压力就上升了, 核子的结合性增强了. 当温度进一步增加, 原子核外电子数就越少, 核中的质子与电子结合生成中子的数目就会增加. 原子序数随之降低, 当温度升高到一定程度时, 所有原子核外的电子都进到原子核内与质子结合成中子, 这时核子就变成了一个裸核. 随着温度的升高, 核外电子数减少, 物质的导电性能下降, 当变为裸核时, 原子核显中性, 这时完全不导电. 所以物质的导电性能随温度的升高而降低. 但是, 在整个升温过程中, 原子核外部分电子也获得能量后离开原子核成为自由电子.
当温度升高到原子核成为全裸时, 抗裂变背景压力也就会很高了, 核子与核子之间的结合就更加容易了, 由于裸核不显电性, 核子外围又没有厚厚的电子云覆盖屏蔽, 既使核子之间的对心碰撞速度很低, 也容易结合成大核, 当所需要的使原子核变为全裸核的高温条件在实验室达不到, 核外仍有少部分电子存在的情况下, 可以通过带电核子加速的办法, 使核子之间发生高速对心非弹性碰撞, 克服电子云的屏蔽使核子相互结合. 此时核子所需速度必须比裸核时高出许多.
氢核的热核聚变, 就是通过原子核裂变产生极高的抗裂变背景压力, 来达到其聚变所需的极高温条件的. 在极高温条件下, 氢原子变成全裸核(核外电子进入核内或成为自由电子). 两个小核结合生成氦原子核, 同时放射出巨大的能量. 待能量释放完后, 氦原子核周围的温度开始下降, 当降到一定温度时, 氦原子核中的两个中子放射出电子, 这两个电子就成为氦原子核的核外电子.
同样, 我们也可以得出以下结论. 要想使原子核稳定, 在不同的温度和密度条件下, 核内的质子数和中子数的比例也应发生变化. 温度越高, 核能的中子/质子比必须很高, 才能保持核子的相对稳定. 中子/质子比的改变是通过吸收核外电子使其与质子结合成中子而完成的. 这时原子核外电子数目也会相应减少. 温度越低, 原子核内质子就会裂变成质子和电子，使核内中子、质子比降低来达到保持核子的相对稳定，这时核的质子数增加了，核外的电子数也就增加了。因此可以说，原子的核质子数、中子数、电子数是温度、核密度的函数。只有三者有机的配比结合才能保持整个原子的相对稳定性。温度升高，质子数减少，原子序数降低，中子数增加，核外电子数随质子数的变化而变化。
低温超导现象。不同的物质其低温超导的临界温度不同。这跟原子核中子数和质子数有关。有些原子核中的中子放射出电子后，原子的电离降低明显，这样的原子的超导临界温度就较高;有些原子核的中子放射出电子后，原子的电离能降低不多，这时超导临界温度就会较低，它有可能要等到原子核中的中子放射出第二个电子后才使得原子的电离能降低明显，自由电子的自由能力才加强。因此，要出现超导现象，必须使核外自由电子数目多且自由能力很强。也就是在小的电场作用下，就有极为活跃的自由电子和足够的自由电子数目。
7.电子和电磁力的产生
宇宙大爆炸开始前的一瞬间，整个宇宙为一个大的原子， 核外没有电子，核内也没有质子，全由中子组成，宇宙的温度极其极其高。随着原子核的不断裂变演化，原子核越来越小，在其初期温度仍极其高，原子核仍处于剧烈的裂变过程中，核外仍然没有电子存在，整个原子核呈电中性;当温度降到一定程度时，原子核的纯中子的分裂减少，于是中子就开始分裂成质子和电子，诞生了电子和质子，同时也出现了电磁相互作用。电子在质子电场作用下绕核子运动，这时核外的电子数还是相当少，仅一、两个或四、五个;随着宇宙的进一步膨胀，温度密度进一步降低，核内中子分裂为质子和核外电子的数目增加，直到现在这种状况。现在，仍有许多核在裂变，核内的中子、质子比仍在进一步降低。从以上讨论得出，在电子诞生之前，质子和电子不存在，整个宇宙中没有电磁相互作用，直到核裂变到足以产生电子时，才出现电磁相互作用，电磁相互作用是核裂变到一定时期的产物。在电磁相互作用出现之前，只存在核力和斥力(或引力)相互作用，弱相互作用是电磁相互作用的前提和基础。有弱相互作用，核子就存在放射性。放射性是核裂变的一种特殊形式，是较为温和的核裂变，是产生电子束及带电粒子的根源。因此，超导现象又可以说是弱相互作用和电磁相互作用通力合作的典范。
8.恒星内部的大核裂变和外表的氢核聚变
现今宇宙中的恒星，均是宇宙大爆炸时遗留下来的大的正在裂变的碎片，是未能充分裂变的较大的原子核的集合体，其中正在发生作核的裂变和聚变，既有大质量的核子也有小质量的核子，大的原子核可能有几万公斤，甚至更大，小的核子就是氢核了。大质量的核聚集在恒星的中心区域，人类无法探测到大核的存在，因为大核裂变时产生的大量极小的碎片(如氢、氦等)浮在恒星的外部，包裹在大核的表面，在重力和浮力作用下，从恒星中心到表面，形成了由重到轻的核子梯级分布。对大质量的核子的裂变是一种链式裂变，其蕴含的能量比仅一分为二时大得多。
同样，在地球的中心位置，也存在较大的核子，比人类已发现的核子要大得多，仍在裂解释放出巨大的能量。形成地球内部的高温、地球表面的火山爆发。地球表面放射性元素的唯一来源就是地球核心大原子核的裂变产生的较大的原子核。距地表越深，温度越高，抗放射背背景压力就越高，核子的放射性受到抑制，所以核子的质量就越大，小质量的核子数就越少。
9. 原子核的结构与原子核周期表
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