《粒子波动演生时空物理学》  

                       ——物理学基本疑难问题及其系统解决途径

                                                       目录

      序 

      前言 

      第一篇 粒子波动性物理机制及其应用研究 

      1 引言                                               

      2 相关研究背景及综合分析                             

      3 粒子波动性物理机制                                 

      4 在深化质量与时间和空间认识方面的应用               

      5 在阐明惯性起源与引力机制方面的应用                 

      6 在解决宇宙膨胀及加速膨胀与星系旋转曲线疑难方面的应用 

      7 与空间本底量子相关的一些特征量关联式及其对应关系 

      8 主要推测和推广及相应检验证据                       

      9 讨论                                               

      10 结语                                              

      附件A：理论推导关系图及图示说明 

      附件B：归纳本篇主要推导出的80个结果                 

      附件C：时空偏转物理基础与相对论坐标变换关系探讨      

      附件D：相关物理创新思维启示录                        

      附件E：归纳可以尝试系统解决的70个疑难问题          

     第二篇 物理学基本疑难问题 

      一 粒子波动性疑难        

      二 引力与惯性疑难                                   

      三 时间和空间疑难                                                  

      四 宇宙膨胀及加速膨胀与星系旋转曲线疑难             

      第三篇 系统解决物理学基本疑难问题的思想认识 

      一 物理学两大思想体系及其拓展                       

      二 粒子波动性的本质及其普遍联系                     

      三 质量与时间和空间的内在联系                                               

      四 宇宙膨胀和地球膨胀相关问题的探讨                 

      五 物理世界统一演化的思考                           

      六 探索物理学统一之路                                   

      第四篇：A DYNAMIC SYSTEM OF MATTER 

SPACE-TIMEWITH EVOLUTIONARY CHARACTERISTICS

      ——THE INTERNAL RELATIONS AND UNITY 

            OF THE FIVE BASIC LAWS OF PHYSICS

      后记       

                                                          序

       几百年来，物理学的发展使人类对自然规律的认识取得了一次次的进步和飞跃，逐渐揭示出大自然的和谐与统一，映衬着宇宙的庄严、神圣，闪耀着一代代科学家智慧的光芒，谱写着人类追求自然真理一曲曲交响乐章。然而，以往一直未完全解决的那些重大的基本的物理学疑难问题，例如，惯性起源和引力的机制、时间和空间的本质、物质粒子为何具有波动性、究竟是什么驱动宇宙膨胀等，似乎与观测遇到的“星系旋转曲线疑难”和“宇宙加速膨胀动力疑难”纠缠在一起，显得更加扑朔迷离。

       长期以来，科学家在观测宇宙其他一些星系中的恒星运行速度时，发现越往外，围绕中心的速度并不是衰减下去，而是和内圈恒星的速度差不多。这与越往外，物质越少，引力也越小，速度也应该越低的引力理论不符。为了维持现有理论，于是科学家们猜测：宇宙中可能有某些物质没有被我们的天文观测所发现，这些只显现出引力作用的物质被称为“暗物质”。为了探测宇宙膨胀在引力作用下的减速情况，1998年，通过宇宙超新星的观测，发现遥远的超新星的实际距离都比用哈勃定律算出来的更远，表明宇宙非但不是减速膨胀，反而呈加速膨胀状态，这项重大发现震惊了世界。为了解释宇宙加速膨胀的动力来源，提出宇宙空间存在着负压、斥力性“暗能量”假设。对此，只有观测到“暗物质”和“暗能量”，并弄清暗物质在不同星系中分布问题和暗能量的形式及其密度在宇宙膨胀过程中是否变化等问题，才能缓解这两个观测现象所引发的疑难对现有物理学理论构成的尖锐的挑战，或者直接修改原有相关物理理论甚至提出创新理论解释这两个观测结果。 

        李政道教授说：“21世纪最大的科学之谜是暗物质和暗能量，这将会导致新的物理学和天文学的革命。”

        杨振宁教授说：“所谓暗物质、暗能量就是非常稀奇的事物，这里面我想是可能引出基本物理学中革命性的发展来的。”

        十九世纪末，物理学天空中飘浮的两朵乌云（主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说的矛盾、黑体辐射实验结果和理论不一致的“紫外灾难”），最终掀起了狂风暴雨，催生出二十世纪现代物理学两大支柱——相对论和量子力学。积聚在二十一世纪物理学上空的暗物质和暗能量疑难现象这两朵新的乌云，使物理学基础面临着前所未有的巨大冲击，预示着一场新的变革在酝酿和到来。无论采用哪种解决途径，对这两个新疑难的破解将促进人类对宇宙的认识迈上一个新的台阶。 

        虽然有牛顿、爱因斯坦和一代又一代物理学家不断奋力探索开拓和艰辛努力地加以完善，但是作为描述自然和宇宙基本规律的物理学，一方面，各种基本理论自身作为逻辑体系至今仍都没有完成，理论之间还存在着不协调；另一方面，对一些基本的实验和观测事实，理论上还无法作出合理解释。例如，经典力学、电磁理论、相对论、量子力学，没有一个理论体系对时间的本质给予深刻的揭示，以致基本物理方程中的时间反演不变性和热力学现象的不可逆性相矛盾，导致理论体系之间在自然观方面有冲突，距一个统一的时间学说更是相差甚远；物质的波动性与粒子性及惯性之间还存在着似乎难以调和矛盾；由量子理论得到的宇宙学常数竞比实际观测值大了120个数量级，被称为“真空灾变”和“物理史上最差劲的理论预测”，这是当今物理理论重大瑕疵。尤其是面对物理学天空暗物质和暗能量现象两朵新的乌云带来的风暴，需要重新审视和完善物理学根基。

        经典力学、量子力学、宇宙膨胀学说、狭义与广义相对论，这些理论中几乎所有基本问题都指向时间和空间是什么，时间和空间究竟是如何存在的。物理学发展到今天，需要更加关注和深入思考研究时间和空间本质问题。

        Lee Smolin在《物理学的困惑》一书中坦言：“我们眼下的问题不可能通过那种实用主义的科学路线来解决。为了让科学不断进步，我们要再次面对空间、时间和量子理论的基本问题。”欧文·拉兹洛(Erwin Laszlo)总结道：“时空需要物理实在。”爱因斯坦预料“人们慢慢地习惯于这样一种观念，空间本身的物理状态是最终的物理实在”。

        一直以来，时间和空间这两个概念还是经验直觉的、抽象数学化的，仅仅是事物外在的参照维度。质量、时间和空间是物理学三个最基本概念，在时间和空间两个概念尚未与物质的基本属性质量密切关联，以致不清楚时空的物理状态和物质过程情况下，实难以弄清惯性起源和引力机制、物质波粒二象性的本质、宇宙膨胀动力来源，再加上为解决观测和现有理论之间的重大矛盾被迫提出的暗物质和暗能量。现在看来，所有这些基本问题都是相关联的。在这些重大的基本的物理学疑难还没得到解决的时候，也难以实现基本物理定律和物理理论的统一。

        牛顿在《自然哲学的数学原理》序言中写到：“由于古代人在研究自然事物方面，把力学看得最为重要，而现代人则抛弃实体形式与隐秘的质，力图将自然现象诉诸数学定律，所以我将在本书中致力于发展与哲学相关的数学。”牛顿谈到了某种最精细的精气的事情，它使物质粒子在近距离上相互吸引，等等。牛顿暗示，他曾想探究隐秘的质或最精细的精气，但他的学说对这类问题还无能为力。牛顿坦言，惯性起源和引力机制等问题还是留给后人去解决吧。

        今天的科学和技术大大超越了牛顿时代，但是在两个问题上我们还没能超越牛顿：一是构建一个与牛顿的同样简单的宇宙体系；二是用统一的理论去描述和解释牛顿提到的种种现象和问题。

       爱因斯坦指出：“在物理学中有那么多尚未解决的问题。其数目多到我们不得而知，我们的理论远不能胜任。”在谈到科学史上时常碰到有些重大问题似乎得到了解决，但后来又以新的形式重新出现时，爱因斯坦说，这也许是物理学的一个特征，并且认为某些基本问题可能会永远纠缠着我们。德布罗意认为，物质的波粒二象性是自然界最为核心的本质。

        通过提出物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系，探讨物质波粒二象性的内在统一性，使自然演化的思想观念进入到物理学中，融通各方面的真知灼见，尝试系统地解决物理学一些重大的基本的疑难问题。把物质粒子波动性、时间之矢的物质根基和空间本底的量子构成、惯性起源与引力机制、宇宙膨胀及加速膨胀、星系旋转曲线疑难等，统一归结为物质粒子质量的一种结构性的能量趋向均衡运作过程，自然地推导出由大量实验观测总结提升而来的微观、宏观和宇观一些核心物理学公式：爱因斯坦—德布罗意关系、薛定谔方程、牛顿第二定律、万有引力定律、哈勃定律等，为创建量子引力及演化物理学奠定物质基础。

        爱因斯坦说：在物理学史中总是一再出现两种一直完全互不相关的、由两类不同的研究者所关心的物理学思想范围——例如光学和热力学，或者是伦琴射线的波动理论和晶体原子理论—–它们不期而遇并且自然地相结合……这些相互结合的理论，即使不包含完全的真理，终究也包含了与人类的附加因素无关的客观真理的一种重要的内核。否则，他们的结合只能够解释为奇迹。物理学史的思想必须是把这样的事件尽可能明晰地刻画出来。 

        海森堡认为，在人类的思想史中，最具决定性的发展通常发生在两条迥异的思想路线相会之处，一般而言大概都是如此。这些不同的思想可能植根于完全不同的文化、不同的年代、不同的环境、不同的宗教传统。所以，如果这些路线相遇了，或者说，如果这些思想彼此间至少有某种关联的话，就会发生真正的互相反应。于是，我们可以预期，随之而来的是崭新且有意义的发展。

                                                                2023年6月11日于希腊雅典卫城

                                                       前言

        在对量子力学波函数坍缩解释的争论中，冯诺依曼认为量子力学是普适的，无论是微观还是宏观世界，它们都应该遵从同样的物理定律。如今，似乎在宇宙星系尺度上，也发现了符合量子力学的踪影。

        面对和谐统一的物质世界，经典力学和量子力学在本质上应该是相通的，它们应该存在共同的物质基础。真实的物质粒子绝不是经典力学中抽象的质点，虽然把物质粒子看成质点在有些情况下能使描述和计算变得简单，但也封闭孤立了物质粒子自身，割裂了事物的普遍联系，割裂了物质粒子与时间和空间及引力场的物理联系。经典力学中僵化被动的物质粒子和质点概念，使得牛顿不得不把物质运动的第一因归于上帝的推动。波粒二象性则更真实更全面和丰富，我们通过长期深入研究，认识到物质粒子与波同时存在和相互作用，物质的波粒二象性是物质粒子与时空及引力场相互联系和相互作用的表现形式，其实质可能是物质粒子波动演生时空及引力场，从粒子波粒二象性概念可以认识到物质运动和保持运动的能力根源于物质自身。玻尔把太极图作为哥本哈根研究所的图徽意味深长，老子的《道德经》值得好好深思，德布罗意意识到“波粒二象性是大自然最为核心的本质”，寓意极其深刻。爱因斯坦与玻尔的旷世之争各注重一面，尚未最后定论。世界的统一性在于它的物质性，隐藏在现象背后的深层本质终将彻底揭开。

        坚持大道至简和谐统一，才能真正揭开波粒二象性的神秘面纱，认识波粒二象性的物理本质这一关键点必须加以突破——其实也就是捅破遮掩在传统思维观念上的一层窗户纸而已，其最大的可能就是物质粒子与其空间本底量子辐射相生相伴，且符合动量守恒和能量守恒。这样便自然地从根本上解决了粒子与波、粒子惯性与波动性概念上的矛盾和冲突，推得物质粒子辐射空间本底量子的速度为光速c、推得空间本底量子即是构成引力场的基本量子，推得空间本底量子能量和质量，推得空间本底量子半径正是普朗克长度，其波长恰为哈勃宇宙半径。这样便从物质及相互作用过程的角度，自然地推导出康普顿波和德布罗意物质波的产生、推导出薛定谔方，窥见其隐含的相互作用和因果性及其相应的粒子振动方程与传播的波速和波动方程原貌，同时解决经典力学中的惯性起源与引力机制问题，自然地推导出牛顿第二定律和万有引力定律，解决宇宙学中宇宙膨胀之因和现在面临的所谓“暗能量”与“暗物质”现象之谜，自然地推导出哈勃定律，给出宇宙膨胀及加速膨胀的动力之源，给出符合实际观测的星系旋转曲线。从而明确时间之矢的物质根基和空间本底的量子构成，把物理学中抽象的时间和空间概念加以实在化——物理化和物质化，使时间和空间成为物质的内在属性，能够解决物理学中时间反演不变性与热力学第二定律及宇宙膨胀演化的矛盾，给出光速极限和惯性质量与引力质量相等的理论证明，给出闵可夫斯基四维时空和爱因斯坦物质存在导致时空弯曲以实在物理图景，由此解决量子力学与广义相对论不相容问题，给出经典力学、量子力学、宇宙膨胀学说、狭义与广义相对论统一的具有物质性的理论基础，给出新理论对原有物理理论极限式包融性和诸多新的预测及大量检验证据，赋予哈勃常数以普遍意义，哈勃常数既是宇宙膨胀率，又是质量时变常数，也是空间本底量子频率，还可能是哈勃宇宙旋转角速度，从而揭示和描述真实的演化着的大自然。

        牛顿、普朗克、爱因斯坦、德布罗意、薛定谔、哈勃等这些伟大的科学家，为探索宇宙真理、为人类文明做出了巨大贡献。通过深入地研究他们的科学思想和科学成就，尝试把牛顿经典力学和量子力学以及宇宙膨胀学说甚至狭义与广义相对论在新的物理基础上联系起来，以开拓物理学新的统一之路，察觉到这些伟大的科学家的科学思想和科学成就为标志的各个关节点，通过物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系能够联结成一个认识物理世界的逻辑链条，与逐渐揭示出的物质世界的演化相融相通！

       二十一世纪，物理学以往的成功和弯路该仔细地加以梳理、甄别和总结了，那么多分门别类的实验观测结果也该系统地加以提炼了，一些新的科学探索和技术发展也正急需创新物理理论来加以指导。在粒子波动演生时空的新观念下，从物质相互作用的认识角度出发，现有的这些物理理论就很少有需要解释的问题，几乎现在所遇到的一系列重大的基本的物理学疑难问题，包括暗物质和暗能量问题，都能得到自然地合理地解决，所作出的许多预测已有一些得到了验证，例如，1996年我们发表论文指出宇宙在加速膨胀，星系和银河系旋转在变慢、地球膨胀等，得到了观测检验；还有许多是在现有的条件下是可以检验验证的，例如，我们预测长时间观测同一星系红移，将会发现红移量在逐渐增大，金星、地球、火星等太阳系行星在逐渐远离太阳，等等，这些都已给出新的物理公式和精密计算，更多的则是给出理论上的各种结果与实际观测相符，还给出与其它一些探索性理论相同或相似的核心点并予以系统化阐明。一个从微观到宏观直达宇宙的物质世界的演化图景正开始展现在世人面前，山雨欲来风满楼，阳光总在风雨后，二十一世纪，应该是创建量子引力及演化物理学的世纪。让我们拭目以待吧！

        徜徉在宇宙天地，试图通过“原天地之美，而达万物之理”的庄子，在《庄子.知北游》中感慨：“天地有大美而不言，四时有明法而不议，万物有成理而不说。”尽管如此，还是有一些著名学者对宇宙天地与物理学深入研究和发展有着真知灼见，给人以启发。

       爱因斯坦指出：“物理学构成一种处在不断进化过程中的思想逻辑体系。进化的方向是增加逻辑基础(原理)的简单性。”“我们应该准备改变这些概念即物理的原理基础, 以便以逻辑上最完美的方式正确处理已感知到的事实。”“空间——时间未必能看作是可以脱离物质世界的真实客体而独立存在的东西。并不是物体存在于空间中，而是这些物体具有空间广延性。空间有无限多个，这些空间彼此作相对运动，这一观念在逻辑上的确是无可避免的，但是这种观念甚至在现代科学思想中也远未起过重要的作用。” 

        惠勒预料“应该会有⼀个物理学的理论从⽅程中把时间和空间给推导出来。只有找到了时空概念更深刻的含义，各种相互作用才有被统一的希望。总有一天，有一扇门肯定会开启，显露出这个世界的闪闪发光的中心机制，既质朴又优美”。

        瑞德尼克在《量子力学史话》一书中写到:“今天，决定微观世界统一体的最深刻本质的全部问题，就是物理学所面临的尚未征服的山峰中的最高峰：物质的两种基本形式——实物和场——之间的相互关系。”

        肖恩.卡罗尔在《隐藏的宇宙：量子世界与时空涌现》一书中写到："很多年以来，找到完备的、令人信服的量子引力理论一直是极为重要的科学目标。秘诀也许并不在于从引力入手再将其`量子化'，而是深入挖掘量子力学本身，最后发现引力一直潜藏其中。”

        S.Penrose推断“所要寻求的量子引力必定是一个时间不对称的理论”。

       John D.Barrow设想“存在着某种更深刻的原理，它使宇宙必然(或者至少是以压倒优势的可能性)肇始于某种各向同性膨胀的状态之中，这一原理也许在较为局部的范围内还有着其它应用，据此便可以揭示其自身之存在”。

        武向平院士指出：“今天我们脑海里一个固有的东西可能或者一定是错的，也许质量会变，也许引力常数会变，也许光速会被超越。”

       费曼说：“真理总是比你想象的更简单。你可以通过它的美和简单性来认出真理。

        歌德有言：人类精神所能达到的最高境界便是在自然界的基本现象或规律面前表示深深的敬畏和惊叹不已。

        恩格斯在《自然辩证法》中谈到建立科学理论时指出:“一个民族想要站在科学的最高峰，就一刻也不能没有理论思维。”“经验自然科学积累了如此庞大数量的实证的知识材料，以致在每一个研究领域中有系统地和依据材料的内在联系把这些材料加以整理的必要，就简直成为无可避免的。建立各个知识领域互相间的正确联系，也同样成为无可避免的。因此，自然科学便走进了理论的领域，而在这里经验的方法就不中用了，在这里只有理论思维才能有所帮助”。

        普朗克强调：“科学本身是一个内部统一的整体。我们把科学分为独立部分，并不是由于自然本身的条件决定的，而是由于人类的认识能力的局限造成的。”

       霍金说:“人们总是不满足于把事物视作互不相关和神秘莫测的，我们渴求理解世界的根本秩序。”“如果我们确实发现了一套完整的理论，它应该在一般的原理上及时让所有人(而不仅仅是少数科学家)所理解。那时我们所有人，包括哲学家、科学家以及普普通通的人，都能参与和讨论我们和宇宙为什么存在的问题。如果我们对此找到了答案，那将是人类理性的终极胜利——因为那时我们知道了上帝的精神。”

        后记

        质量与时间和空间作为物理学三个最基本概念和三个逻辑基元，为人类科学理论发展提供了广阔的舞台。从最早有天时的华夏文明和建立空间逻辑体系的古希腊文明，到有了时间、空间和物质(质量)的西方近代文明，实验研究领域在不断扩大，实验的方法在不断丰富，实验结果的精度在不断提高，理论逻辑体系在不断完善。追根寻底，可以说人们之所以长期无法把牛顿所阐述的抽象的数学时间转化为普遍的物理化时间，实际是没有建立物体质量和能量与永远流逝时间之间的内在联系，以致缺乏物理化时间之矢和缺乏物质化空间本底引发的一系列问题一直困扰着物理学，现如今又为暗物质和暗能量疑难所困。

       从普朗克的能量子到爱因斯坦的光量子以及康普顿波和德布罗意物质波，从牛顿经典力学到狭义相对论和广义相对论，直至发现宇宙膨胀演化，让人们逐渐感到物质的存在、运动与其空间和时间本身应该有某种联系，但由于其物理过程和物理机制还尚不清楚，所以在物质基础和物理背景方面疑难重重。

        对粒子缔合以周期性因素，是德布罗意的伟大贡献，带来了东西方文化汇流的契机。从根本上解决三个逻辑基元——质量与时间和空间之间联系的条件已经具备。对现已揭示的物理世界最基本最普遍的关系、方程和定律：爱因斯坦——德布罗意关系、薛定谔方程、牛顿第二定律、万有引力定律、哈勃定律的深入分析发现，质量与时间和空间的关系是联系这些基本的普遍的公式一条金纽带，并且这些基本公式及其深刻含义也将在它们相互的联系中得以自然推导出来和阐释清楚。物质粒子波动性机制、波函数的物理意义、惯性起源与引力机制、时间之矢的物质根基和空间本底的量子构成、宇宙膨胀及加速膨胀的动力来源、星系旋转曲线疑难现象的实质等，其物理根据都可以从物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系中引申出来和联系起来，并予以统一阐明。

       通过探索尝试提出的物质粒子辐射空间本底量子新概念及其质量时变关系，把质量、时间、空间这三个基本概念密切联系起来，初步建立起一种新的量子引力论以及动态的具有演化特征的物质时空体系，较好地解决了物理学存在的一系列重大的基本的疑难问题，得到许多与其它理论相融洽、与大量实际观测相符合的结果，完善了牛顿经典力学的基础，实现了牛顿经典力学与现代物理学的自然衔接，并把原有物理理论作为时间跨度较短的极限形式包含于其中，从而使原有物理学逐渐趋向演化物理学。