粒子模型（粒子模型）

性质考察

现代物理学认为，粒子具有波粒二象性。然而，波和粒子的解释相互不协调，粒子将其能量集中于一个小的区域内，波的能量是均匀分布在整个波前上。对于波粒二象性的困境，自量子论诞生以来，许多物理学家和哲学家都顽强地拼搏过这个问题，遗憾的是都无果而终。虽然波粒二象性已被科学界广泛接受，但这仅是一种限于当时科技和认识水平而被迫妥协的结果，许多人将它视为一个权宜之计，而不是一个终极的答案。

实验考察

在物理学上，单粒子的双缝干涉实验被视为粒子具有波动性的最有力证据。在该实验中(以光子为例)，入射光里只包含一个光子，在屏幕上光子将整体的为其上某个感光单元所接收。在底片上起初星星点点、继而干涉条纹渐露端倪、最终呈现出完整的干涉图样。如果交替地每次挡住其中一条缝，就可以肯定每个光子通过的是另一条缝，结果是双缝干涉条纹消失了，屏幕上显示单缝衍射图样。

物理学界对上述实验的通常推理是：干涉条纹是两束光相干叠加的结果，按经典粒子的概念，一个光子只通过双缝之一，另一个缝的存在与否，似乎对它的行踪没有影响。它打在屏幕上的概率怎么会受另一半的制约？如果说下一个光子通过了另一条缝，前后两光子在时间上相隔甚远，干涉效应绝不可能在它们之间发生。所以，是一个光子自己和自己发生干涉，即一个光子同时通过了两条缝。

1.单光子与光束在干涉机制上的矛盾

理性比较光束和单光子的双缝实验不难发现，一方面，前者要求光束必须为相干光，否则不能干涉；而后者单光子之间不存在相干，也能出现干涉条纹。显然这两个实验本身就存在无法调和的矛盾。

另一方面，前者的解释是：通过双缝后的不同光子之间发生干涉；而后者的解释：是同一个光子同时通过双缝后与自身干涉。显然，对于同一套实验装置产生的干涉条纹，出现了两种完全不同的干涉机制。难道自然界为我们准备了多套干涉方式，以供我们根据需要来任意选择吗？

面对上述两种实验事实，我们已经陷入干涉机制的困境。

2. 单光子双缝干涉效应的系统相对论解释

粒子模型

在这个电流磁场的诱导作用下，缝的另一侧上产生一个其表面原子核形成的协变磁场，这两个场统称

缝隙场

在间隔上做环绕运动的自由电子具有一个稳定转动周期T，设

如上所述，相隔时间T的两个光子受到缝隙场的作用相同，设光子与缝隙场的作用共分x种情况，则有：

可见，光子与缝隙场的作用共有

当任意一个缝被挡住，间隔消失了，间隔上的电流磁场也就消失，缝隙场也就不存在了，所谓干涉条纹也就消失了。于是，在屏幕上呈现出因受缝隙边沿临界场影响而形成的衍射图案。

适用范围考察

现代物理学认为，对于粒子的波动性和粒子性，它们的使用范围是不同的，即在讨论与物质(物体)相互作用时粒子性有效，在讨论在空间中的运动时波动性有效。

我们知道，不论任何物体，构成物体的分子或原子之间存在着间隙、原子核与电子之间也存在间隙。因此，一个物体就是由悬浮于空间中的各级粒子通过不同作用关系逐级构成的一个松散结构的聚合体。

一方面，根据接触的相对性原理，任何物体或粒子之间的相互作用都是在一定间隙下通过场传递的。也就是说，无论一个粒子与某个物体作用与否，粒子始终处于空间中。而无论物体内的空间还是物体外的空间，它们都是整个连续空间的一部分，粒子性和波动性的精确分界线应在哪个位置呢？显然，从连续空间的角度看，这个分界线并不存在。

另一方面，一个粒子与物体的相互作用，本质是与物体中的某个粒子的相互作用(如核外电子、原子核等)，只不过这个粒子处于束缚态、具有我们可以描述的位置和状态罢了。如果一个粒子与束缚态粒子相互作用就表现出粒子性，而与自由态粒子相互作用时就表现出波动性。这显然是表明，一个粒子是根据与它作用粒子的束缚态或自由态，来决定它要表现出粒子性或波动性。难道一个粒子能够识别与它作用粒子的状态吗？显然，粒子是不可能有意识的。

综上所述，系统相对论认为，包括光子、电子等各种粒子，它们都不具有波动本性，但在特定条件下可以显示出波动的某些特征。

基本粒子考查

基本粒子原意是物质存在的基本单元，它是随着人们对物质结构认识进展而不断发展的，现已认识到不能把它看成是最后的、最简单的组成单元。

自旋量子数

1921年，德国史特恩和格拉赫在实验中将碱金属原子束经过一不均匀磁场射到屏幕上时，发现射线束分裂成两束，并向不同方向偏转。基于当时的认知人们认为，电子除了有轨道运动外，还有自旋运动，上述现象是电子自旋磁矩顺着或逆着磁场方向取向的结果。1925年，荷兰物理学家乌伦贝克和哥希密特提出，电子有不依赖于轨道运动的固有磁矩(自旋磁矩)的假设。

粒子物理学认为，电子自旋量子数

粒子模型

在微观环境中，粒子总是在不停地转动。如图2-2所示，自旋为1的粒子(如光子)，是指粒子的场在旋转一圈后看起来一样，即该粒子场在转动面上是360度对称结构；自旋为

值得注意的是，在量子力学中，自旋为2的粒子在旋转180度后看起来一样、自旋为

对于史特恩和格拉赫的碱金属实验，根据系统相对论原子模型可知，核外电子是在原子核的场域中做环绕运动的，核外电子不可能与外界磁场发生直接作用(否则，电子将不再围绕原子核运行)。换言之，与外界磁场发生相互作用的是原子核的极性场。因此，将原子束分裂的原因归结于核外电子是不正确的。

系统相对论的解释是：根据场域原理，在强磁场中，碱金属原子的场域都较小，原子场域都相对独立而几乎不存在相互作用。当进入弱磁场时，碱金属原子的场域迅速增大，导致相邻原子之间产生相互作用，自转方向相反的原子之间因相互排斥而远离，同向转动的原子之间因相互协变而形成一束稳定的粒子流，这就是原子束分裂的原因。

现代物理学认为，基本粒子理论在本质上是一个发展中的理论，它在许多方面还不能令人满意，其中有两个具有哲学意义的理论问题尚待澄清，即：层次结构问题和相互作用统一问题。

在物质结构的原子层次上，可以把原子中的电子和原子核分割开来；在原子核层次上，也可以把组成原子核的质子和中子从原子核中分割出来。可是进入到“基本粒子”层次后，强子虽然是由带“色”的层子和反层子组成的，但却不能把层子或反层子从强子中分割出来。这种现象被称为“色”禁闭，对于“色”禁闭现象的原因，至今还未能从理论上找到明确答案。

上世纪80年代已知的层子、反层子已达36种，轻子、反轻子已达12种，再加上作为力的传递者的规范场粒子以及希格斯粒子，总数已很多，这就使人们去设想这些粒子的结构。对此物理学家们已经给出许多理论模型，但各模型之间差别很大，近期内还很难由实验验证和判断究竟哪个模型正确。

系统相对论认为，现代物理学所定义的基本粒子并不基本，真正的基本粒子是cn粒子。

光子模型

光是人类认识最早的事物之一，然而对于光的本性，直到今天人们尚未形成一致的观点、还在争论。当前物理学面临的各种困难与挑战、矛盾与困惑，或多或少都与光本性的认识有关。

结构启示

尽管粒子物理学把光子定义为一种基本粒子，然而还是有人提出了光的光子模型和光波模型，这两类光的模型与许多实验事实相矛盾、是错误的。可以看出，这些模型的构建受到了正负电概念的深刻影响。细致观察光子的一些特性，可以窥见光子存在结构的信息。

1.光子的频率与自旋

根据我们在宏观上获得的经验，将光子频率视为光子的转动频率是一个容易理解的方案。然而，对于各向同性(即没有极性)的粒子，我们是无法探测它的转动频率的，因此光子频率的存在，意味着光子是非各向同性的，即光子是有极性的，而极性又意味着结构的存在。因此，光子的频率特性给出了光子存在结构的暗示。

光子的自旋量子数为1。从2.2节可知，光子每转动1圈我们才看到相同的面(场)，即在转动方向上光子是360度对称结构。如果将光子理解为一个条形磁铁，这个磁铁水平放置且在水平面内转动，那么这个磁铁转动360度时，我们看到的将是同一个磁极。因此，从光子的自旋量子数，我们可以获得光子可能存在两个极的信息。

2.对

“能量子

的推导

1900年，普朗克从适用于高频的维恩位移定律和适用于低频的瑞利-琼斯分布公式，拟合出了普朗克黑体辐射公式，该公式完全符合于实验。为了给出公式的解释，普朗克认为，产生电磁波的源可看成是“谐振子”，进而假设谐振子的振动能量(E)只可能取离散值，即E=nhv=nε 。与此不同，1905年爱因斯坦假设电磁波(光)本身是量子化的，即光由粒子组成，这种粒子称为光子，光子的能量E=hv，进而给出了光电效应的解释。

实际上，谐振子的概念是普朗克为了理解他的黑体辐射公式而提出的，它未必是一种真实的存在，因为谐振子无法被直接观测。事实上，我们是通过观测谐振子发出的光子来间接理解它的。换言之，谐振子的能量E是通过它发出的光子的能量E反映出来的，可见E与E是完全等价的概念。于是有：

上式中，

上述推导出的光子中的能量子

管状体模型

如上所述，系统相对论构建的光子模型如下：

粒子模型

光子的场结构如图2-3b所示，光子的场是由内场、临界场和外场组成的三层结构。光子中，各cn粒子独立涡环的包络线围成的区域称作光子的

内场

在内场外侧，部分cn粒子之间耦合涡环的包络圆围成的区域，称作光子的

临界场

光子体

在光子体的外部，弥散着所有cn粒子共同的耦合涡环，称作光子的外场，简称

光子场

从单个cn粒子到若干cn粒子构成的光子，它们都具有管状体的结构，系统相对论称之为

管状体粒子族

电子模型

现代物理学认为，电子是一种带负电的稳定的基本粒子。然而，对于电子为什么既有质量又带电荷，尚给不出合理的解释。

粒子模型

电子的自旋量子数为

粒子模型

如上所述，系统相对论构建的电子模型如下：

电子是由若干光子凝聚成的近长方体的稳态粒子，如图2-6a所示。电子中的光子是对称的凌形排列，相邻光子的极向相反，它们之间的耦合涡环(中性场线)，如同一条条绳索将它们紧紧地捆绑在一起，光子的层数是2的倍数，图2-6b为上下对称的8层光子构成的电子正方形端面。

粒子模型

在电子内场外侧，场强衰减步长(见3.1节)从光子间距逐步增大、最终达到一个常数r，半径r围成的区域称作电子的临界场，又称作

电子体

在电子体的外部，场强衰减步长为常数r，这个区域称作电子的外场，简称

电子场

如图2-6c所示，电子场在两个端面上属中性场；在四个侧面上的场是极性场，且相对两侧面极性方向相同，相邻两侧面极性方向相反。从电子场的结构，我们可以推导出电子的一些性质。

电子的四个侧面如同四个条形磁铁，从每个端面看都是相对两侧面极性相同，相邻两侧面极性相反，称之为

四极场

中微子与长方体粒子族

1930年，德国科学家泡利预言了中微子的存在，1956年美国莱因斯和柯万在实验中直接观测到中微子。根据现代物理学研究的结果，中微子自旋为

据此系统相对论认为，中微子与电子结构类似，是由较小光子聚合而成近长方体的稳态粒子，但所含光子的层数和尺寸远小于电子。一方面，由于中微子尺度小，而呈现出具有极强的穿透力；另一方面，由于中微子场非常弱，这使它难以探测。

中微子具有与电子类似的特性，它们属同一类型的粒子，中微子和电子统称为

长方体粒子族

质子和中子

现代物理学认为，质子和中子是构成原子核的基本单元，故统称为核子。系统相对论认为，质子和中子理论都是发展中的理论。

质子的正十四面体模型

粒子模型

如图2-7所示，质子的表面由8个相等的正六边形和6个相等的正方形组成。其中前后两个正方形构成了质子的两个端面，剩余四个正方形构成质子的四个侧面；在质子的前后两端各有四个正六边形的斜面。与电子相比，质子更接近于一个球体。

1. 质子的场结构

从质子的一端看，质子是一个八边形，见图2-7b。四个侧面上的场线分布，随侧面上光子极向的相间分布，而呈现出正、反向场线相间分布的特征，这种场不同于场线同向的极性场，也不同于质子端面上的中性场，称之为

混合极性场

在质子前后斜面的共同边界上是一个尺度相对较小的极性场，这是因为这个边界上的光子非常小导致的。一般这个极性场位于质子的临界场中，不参与跟外界的相互作用。与之相比，侧面上的混合极性场尺度要大得多，它参与跟外界的相互作用，并呈现为质子的正电荷性质和四极矩性质。

从图中可以看出，中性场占据了质子表面的绝大部分，因此质子的场是以中性场为主的、由中性场和极性场构成的复合场。

2. 质子的质量与电量

现代原子核物理公认，质子带正电荷

如同太阳场域可以容纳下八大行星而太阳的质量远大于八大行星质量之和一样，作为氢原子，虽然一个质子只能容纳一个电子在核外环绕运行，这并不代表质子的“电量”就等于电子的“电量”。可见，“质子带一个单位的正电荷e”的说法是值得商榷的。

实际上，作为氢原子，质子与核外电子之间的相互作用并非主要是二者极性场之间的所谓电磁相互作用，二者中性场之间的引力作用也对电子的运行起着重要的作用，是不可忽略的。因此，认为“氢原子中质子与电子的引力作用可以忽略不计”的观点是不正确的。

中子的复合粒子模型

现代物理学认为，中子是中性不带电的、自旋为1/2的粒子。在原子核物理中，通常将中子和质子视为同一种粒子的两种不同的电荷状态，以不同的同位旋量子数相区别。

1. 中子模型

粒子模型

如图2-8a所示(质子斜面上的中性场未画出，参见图2-7)，一方面，电子与质子端面上的中性场线相互耦合，即中性场之间的引力作用；另一方面，电子与质子之间的极性场线也相互耦合，即极性场之间的所谓电磁相互作用。

从图2-8b可以看出，电子半个侧面的极性场线与质子半个侧面上的同极向光子的极性场线之间相互耦合，这些耦合场线如2-8a所示，向中子体内进一步收缩、聚集。于是，质子侧面对称两半的、未与电子耦合的正反向的极性场线，向中线偏移、相遇而导致耦合，如图2-8b中红线所示，红色实线表示在前端耦合的场线，红色虚线表示在后端耦合的场线。

如上所述，中子较质子的极性涡通量敛聚于更小的区域内，导致对外呈现出极性涡通量减小；另一方面，电子与质子相互耦合而构成的中子较质子的半径更大，相应地其表面场强较质子减弱。这就是我们所观测到的宏观环境中“中子不带电”的原因。

根据原子核的梭状模型，原子核表面附着的电子与质子共同构成了中子，这就是人们将中子视为核子的原因，当然作为核子的中子只能位于核表面。

2. 中子的质量

在原子核物理中，中子静止质量

1931年春，国际核物理会议在罗马召开，W.泡利在会上提出，

实际上，中子的质量m与它的中性涡通量

综上所述，根据系统相对论的质子和中子模型，同位旋的概念进而夸克模型都是值得商榷的。

原子核模型

两个质子的凝聚

粒子模型

原子核中的质子之间和质子与电子之间是通过场的耦合而凝聚在一起的。质子与电子之间的耦合原理见中子模型。根据质子模型可知，质子端面的中性场是比其斜面和侧面更强的场，因此两个质子是端面相对凝聚在一起的。

如图7-1所示，凝聚在一起的两个质子，它们内部的光子一一对应且极性相反，端面中性场之间、斜面中性场之间以及侧面极性场之间的场线相互耦合，所有耦合场的耦合力共同构成了物理学上所谓的强核力。

原子核的梭状模型

粒子模型

中轴

主面

从氮原子核模型可以看出，原子核是由质子和电子凝聚成的梭状体。核内质子同向规则排列，相邻轴上质子相互咬合而不存在间隙，原子核的剖面图呈肺泡结构，可见原子核的物质密度是极高的；所有相邻的质子间，它们相对的光子均极性相反而紧密耦合在一起(参见图7-1)，这就形成了核力的强力性质；电子如同毛发一样附着在核表面的质子上，电子和它所附着的质子一起，我们称作了中子，这就是实验观测到中子都分布在核表面的原因。

从上述核结构模型可以看出，核力是由核子之间多个中性场之间和极性场之间的耦合力共同构成的，其中中性场之间的耦合力起主导作用。可见，核力和引力是性质相同的力，关于核力的短程性，这是由质子费米级的场强衰减步长(即质子半径)所决定的。

部分原子核的结构模型

粒子模型

从图和表可以看出，丰度为

粒子模型

需要指出的是，上述核结构模型还处于初级阶段。尤其中轴以外各轴上的质子和电子的排列，存在多种可能性。只有通过实验观测，才能从多个可能性中确定唯一的排列，或确认同位素存在进一步的细分。

值得一提的是“原子质量单位”的概念。1960年物理学国际会议决定，定义一个C中性原子处于基态时静止质量的

原子模型

近一个世纪以来，我们之所以没有建立起一个相对完善的原子模型，是因为缺乏一个有效的原子核模型。

首先让我们先回顾一下氢原子的场结构与核外电子的运动轨道，参见图2-7。现在我们以硼11为例展开讨论(忽略中性场的作用)。

图7-3c的中心纵向剖视图如图7-4所示。从图中可以看出，硼11原子核的极性场分列四个象限中，且相邻象限的极性场相互垂直。每个象限的极性场由核表面两个质子侧面上的(混合)极性场组成，且它们具有相同方向。这四个方向上的极性场，在原子核物理中称作原子核的四极矩。

当核外电子进入原子核的极性场中时，电子受到极性耦合引力的作用而改变运动方向。不考虑原子核中性场的引力作用，绕核运动的电子轨道呈正八边形，每个极性场对电子产生平均45度的偏转作用。

所有原子核都具有四极矩的性质，所不同的是每个极的极性场个数，最少的为1，如氢核、氦核；原子核越大每个极的极性场个数越多。但每个极都对核外电子产生90度的偏转作用，每个极的极性场个数越多，电子轨道越接近于圆形。

粒子模型

当分别从两端观察1s轨道两个电子的运动方向时，我们会看到两个电子的运动方向正好相反，即一个顺时针运动，另一个逆时针运动。如果从同一端观察，在轨道上所有核外电子沿相同的方向运动。由于电子的自转方向与轨道运动方向是一致的，因此实际观测1s轨道上的两个电子的自转方向相反。这就是W.泡利不相容原理的本质。

分子模型

分子物理学认为，分子由原子组成，原子间通过一定的相互作用力，按一定的方式结合成分子。系统相对论认为，分子是两个或多个原子的原子核相互耦合而连接在一起的、有一定几何结构的聚合体。

粒子模型

氢原子核与氧原子核之间的相互作用包括两部分，一是，两核相接触侧面上中性场之间的耦合力，这个力类似强相互作用，称之为

亚核力

F类似化学上的共价键，但共价电子对这个力并没有贡献，相反共价电子是在这个耦合场中运动的。F和F涡通量表达式参见公式(3-11)。可见，水分子中原子之间的作用力是由核间的中性耦合力和极性耦合力两部分构成的，将这种复合作用简单归于某种化学键是不确切的。

另外，由于水分子中距离氧原子中轴越近场强越强，因此在氢原子与氧原子之间的作用面上，靠近中轴一侧的耦合力强于远离中轴一侧的耦合力，而形成跷跷板效应，导致两氢核之间的夹角减小，这就是实测键角为104.5°的原因。

粒子模型

常见的石墨晶体结构图中都将碳原子作为点粒子看待，使得石墨的一些特性不容易直观理解。根据系统相对论的碳原子模型(见图7-5)，绘制石墨晶体结构如图2-10所示。图中的碳原子核为碳12，它呈对称平面结构。

从图2-10可以看出，6个碳原子通过亚核力形成六边形结构，这种亚核力包括核间质子端面之间的作用和核间质子斜面之间的作用两种类型。系统相对论推测，核间质子端面之间的作用建立之前，它们端部的电子脱落而成为游离态电子；核间质子斜面之间的作用建立后，其中一个2p轨道被占用(参见图7-5)，该轨道上的束缚电子也成为游离态电子。正是大量游离电子的存在，使得石墨具有良好的导电性和导热性。

相邻解理面之间不存在上述核间直接相互作用，它们之间的作用主要是中性场之间的引力作用。这个引力作用较上述亚核力要弱得多，因此石墨晶体在层与层之间比较容易分离。

分子力又称范德华力，是指分子间的相互作用。分子物理学认为，当两分子相距较远时，一个分子被另一个分子随时间迅速变化的电偶极矩所极化，从而产生电的吸引力，这时分子力主要表现为引力；当两分子非常接近时，各分子的外层电子云开始重叠，从而产生电的排斥力，分子间距离越近，排斥力越大，这时分子力主要表现为斥力。

根据系统相对论的分子模型可知，分子的场是由中性场和极性场构成的复合场，因此分子之间的引力F包括中性耦合力F和极性耦合力F两部分，即：

另一方面，分子之间的作用面上，除了耦合面以外还有剪切面，剪切面产生彼此排斥的斥力F。因此，分子之间的相互作用类似光子中cn粒子之间的相互作用，对于处于稳定状态的物体，其内部分子之间的引力和斥力是相互平衡的，即处于平衡状态的分子受力F可表示为：

对于固体而言，内部的每个分子都在相对固定的位置上不断地振动，每个分子的运动与其周围分子的运动是相互协同、密切关联的。因此就一个物体而言，它是其内分子共同构成一个协变系统。