粒子的基本单元及基本单元的组合原则

陈永鸿

（韩山师范学院物理与电子工程学院 广东潮州 521041）

摘 要 提出粒子的基本单元为有向弦，以及多根有向弦如何组合在一起的原则，最后，用这种观点解释了一些物理现象，纠正一些物理错误，并对一些物理规律作了补充。

关键词 粒子 有向弦 有向弦的组合原则

1. 引言

基本粒子的场论描述方式是把粒子看成质点，通过描述质点的各种相互作用方式较好地描述了粒子的各种状态特性，能够精确地计算各种物理量，如质量和电荷，在描述强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用方面都相当成功，但是它仍然存在两个问题：（1）粒子种类繁多，有多达数百种，比元素周期表中的元素种类还多。（2）粒子的一些特性无法给出解释，如状态特性类似的基本粒子质子和中子质量微小差别无法给出解释。针对第一个问题，本文采纳弦的观点，针对第二个问题，从粒子的组成出发，而不是如场论一样从粒子的相互作用出发，以此描述粒子的各种状态特性。

2．粒子的基本单元及基本单元的组合原则

本文提出粒子的基本单元为一根根有向弦，如同箭头一样，有向弦可以有3种最基本的组合方式，如图1所示：(1)2根有向弦以相反方向吸引在一起；(2)2根有向弦首尾相接；(3)一根有向弦围绕另一根有向弦的某一位置做平面旋转运动。有向弦的3种基本组合方式，可进一步多次组合，如3根有向弦首尾相接，一根有向弦围绕图1(a)中2根有向弦做旋转运动，可有如下三种进一步的组合方式：(1)2个有向弦集团可以复合组合在一起，形成一个集团。如图2(a)，第1个集团为2根以相反方向并列在一起的有向弦，它们围绕有向弦的中心顶点做任意运动(3维球形)，第2个集团为1根有向弦围绕其中心顶点做任意运动（3维球形），第3个集团为一根有向弦围绕一根中心有向弦作平面旋转运动，中心有向弦围绕中心作3维球形运动。前2个集团可以按照第3集团组合方式复合组合在一起，用第1个集团替换第3个集团的中心有向弦，用第2个集团替换第3个集团的另一根有向弦，第2个集团的那根有向弦可以紧紧围绕第1个集团2根并列有向弦中心点做2维平面旋转运动，第1个集团的2根有向弦继续围绕有向弦的中心顶点做任意运动(3维球形)；(2)2个有向弦集团可以以2个独立集团方式紧靠在一起，象2个紧挨在一起的孪生兄弟。如图2(b)，2个做3维球形任意运动的集团象孪生兄弟紧挨在一起；(3)一个有向弦集团可以围绕另一个有向弦集团做2维平面旋转运动。如图2(c)所示，第1个集团为2根反向并列的有向弦围绕一根主要的有向弦做圆形旋转运动，而主要的有向弦围绕没箭头的一端作球形任意运动，第2个集团为一根有向弦围绕其带箭头的一端做球形任意运动，当2个集团组合在一起时，第2个集团围绕第1个集团做平面旋转运动。对上面的说明总结如下：（（1）回答了信息是什么；（2）和（3）回答了物质是什么；（4）回答了能量是什么）

（1）粒子的基本单元为一根根长度相等的有向弦，有向弦的2端性质相反。

（2）有向弦最基本的组成原则：

（a）2根有向弦能够以相反方向并列组合在一起；若它们以相同方向并列放在一起，必产生互斥，互斥速度为光速C。

（b）k根有向弦以相同方向首尾（箭头端对尾端）连接在一起形成的有向弦集团，它可以进一步跟另外一根有向弦以相同方向首尾连接在一起，形成一根长度增加1的有向弦集团；若后两者以相反方向连接在一起，必产生互斥，互斥速度为光速C。

（c）2根有向弦中一根有向弦能够围绕另一根的某一位置做平面旋转运动，处于旋转状态的那根有向弦其2端的速度为光速C。

（3）有向弦集团的进一步组成原则：

利用（2）中3种最基本组合方式形成的有向弦集团，以及单根有向弦（可看作一个特殊的有向弦集团），可按如下方式进一步经有限次组合，以成为一个整体（更大的有向弦集团）。

（a）第1个有向弦集团含有n根有向弦，另外还有n个有向弦集团，第1个有向弦集团的每根有向弦用另外n个有向弦集团之一来替换，直接用有向弦集团的中心有向弦替换前面的有向弦，两者一一对应，以此形成一个集团；若不能直接融合在一起，其互斥速度 C。前一种情况两个相邻的有向弦集团的中心有向弦之间的相互作用在基本粒子条件下(如果此两个有向弦集团都是基本粒子)就是强相互作用。

（b）2个有向弦集团可以以两个独立集团方式紧挨在一起；若不能紧挨在一起，其互斥速度 C。前一种情况在基本粒子条件下就是弱相互作用。

（c）2个有向弦集团不相互接触，第1集团以某一速度从第2集团旁边经过，若2个集团相互吸引，当引力较小时，第1集团做抛物线运动，当引力足够大时，第1集团可以围绕第2集团作椭圆形旋转运动，运动速度 C；若2个集团相互排斥，第1集团沿双曲线轨迹离开第2集团，其排斥速度 C。若2个集团相互吸引，在原子世界（第1集团为一根有向弦，而且第1集团围绕第2集团作圆周运动）这种相互作用就是电磁相互作用，此时第2集团就是原子核。若2个集团相互吸引，第1集团围绕第2集团作椭圆形旋转运动，第1集团不为一根有向弦，且第2集团有向弦数目较少，这时极不稳定。对第2集团来说，类似第1集团的有向弦集团可以有多个。

（4）一个有向弦的集合，若不受外界干扰，不论其中各个有向弦之间如何相互作用，都遵守物质不灭和能量守恒定律，它有3种状态特性：

（a）这些有向弦中，每2根以相同方向并列放在一起，或每2根以相反方向两两相对接，或二者兼而有之，这时必产生强烈的互斥运动，互斥速度为光速C。

（b）有向弦集合处于涨落状态。一端以时间为主，另一端以空间为主。
（c）这些有向弦中，每2根以相反方向并列放在一起，成为一个个有向弦对，或每2根有向弦以相同方向首尾连接在一起成为一根长线段（可看作长的有向弦），或二者兼而有之，这时有向弦集合处于稳定状态。

对以上的假说再作进一步说明。（2）（c）的原因是：一根有向弦被同方向的另一根有向弦排斥出去后，以光速前进，在前进过程中若碰到第三根有向弦的阻碍，

而且第一根有向弦的中心点正好直接碰到第三根有向弦，而且这两根有向弦处于垂直方向，这时就会形成第一根有向弦围绕第三根有向弦做平面旋转运动。（3）（c）的原因与此类似。

3．对一些物理现象的解释

(1)我们首先看一下2根有向弦要达到稳定状态（有一个静止中心），有几种组合方式，通过简单画一下图就容易得知有8种组合方式，这正好是8种介子。

(2)质子和中子是由夸克组成的，但质子和中子经撞击分裂后形成介子和光子，夸克没有单独出现。若用上面的组成法则来解释，夸克就是质子和中子中的有向弦，质子和中子都含有3根有向弦，质子和中子经分解后产生介子和光子，介子由2根有向弦组成，光子就是一根有向弦，这就是夸克不能单独存在的原因。

(3)质子和中子分别由3根有向弦组合而成，3根组合在一起的有向弦围绕一个静止中心（一根有向弦的中心点或2端）做3维球形运动，由于组合方式和静止中心的不同，使得运动方式不同，从而造成质量上的微小差别。

(4)夸克有6种，这对应于有向弦的6种运动状态，(a)围绕有向弦的中央做任意运动（3维球形）(b)围绕有向弦没箭头的一端做任意运动（3维球形），(c)围绕有向弦有箭头的一端做任意运动（3维球形），(d)围绕有向弦没有箭头的一端做平面旋转运动（2维圆形），(e)围绕有向弦有箭头的一端做平面旋转运动（2维圆形），(f)围绕有向弦的中央做平面旋转运动（2维圆形）。

围绕一个点，有向弦运动状态可归结成这6种，若那个点也运动，这就等于有向弦可作任意运动。

(5)电荷是体现在有向弦箭头方向上的，基本粒子的组成单元为夸克（有向弦），当有向弦围绕其一端做三维球体的任意运动或2维圆形的平面旋转运动时，有向弦带一个正电荷；当围绕另一端做类似运动时，有向弦带一个负电荷；围绕这根有向弦的中心做类似运动时，有向弦带电中性。因此夸克没有分数电荷。

(6)正电子和负电子是一根有向弦分别围绕2端做3维球体任意运动而形成的，即如上（4）（b）和（4）（c）；一根有向弦在被同方位的另一根有向弦排斥出去后，以光速作直线运动，在前进过程中必然碰到其它位置的有向弦的阻碍而产生旋转运动，从而形成正弦或余弦运动，这就是光波，光子实际上就是如上（4）（f）加上以光速作直线运动；中微子实际上就是如上（4）（a）。这就不难理解为什么中微子和光子带电中性、中微子质量极小和光子零质量，不难理解为什么中微子几乎不与任何物质发生作用，只会与其它粒子发生弱相互作用，即满足有向弦的组合原则中的（3）（b）。正电子、负电子、光子、中微子、夸克实际上为一根有向弦的不同运动状态（有些实际上是相同的运动状态）。

(7)正电子、负电子为一根有向弦分别围绕其2端做3维球体任意运动，所以测不出它们的半径。

(8)根据泡利不相容原理，2个电子分别围绕原子核做2维旋转运动时，圆形轨道半径不能相同，这是因为2个电子都做公转和自转，若公转半径一样，两个电子（一根有向弦围绕其一端做三维球体任意运动）在某个时候必然成为2个同方向的有向弦并列排放在一起，此时必产生互斥。

(9)超导体在零电阻仍旧具有一定温度，这是因为粒子（由有向弦组合而成）中起主要作用的有向弦同方向首尾相接，所以呈现零电阻状态，同时每个粒子中其他几根有向弦以组合方式围绕起主要作用的有向弦旋转，所以仍旧具有一定温度。

4. 对一些物理错误的纠正

(1)在如上原则(4)(b)中，有向弦集合处于涨落状态，一端以时间为主，一端以空间为主，两端并不对称，而黎曼几何是椭球几何，椭球两端是对称的，因此用黎曼几何来描述广义相对论是不合适的。

(2) 如上原则(3)(a) 、(3) (b)和 (3) (c)分别描述了强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用，如上原则(4)描述了引力作用，它们是有向弦的不同的运动状态，前者属于微观领域，后者属于宏观领域，不能把它们统一起来，因此，研究统一场论是不对的，是死胡同。

5．对一些物理规律的补充

(1)对狭义相对论的补充：

狭义相对论中有一个重要实验，沿着地球自转的相同和相反2个方向射出的2束光其速度是一样的。这是因为光波的形成是发生在基本粒子世界中两根有向弦的排斥作用，一个基本粒子作为一个整体围绕其中起主要作用的有向弦（可能有几根排在一起）作平面旋转运动，主要的有向弦围绕自己的2端或中心做3维球体任意运动，2个基本粒子各自的主要的有向弦实际上很少（无限少机会）碰在一起，2个基本粒子放在一起相当于2个球体放在一起，由于3维球体运动是任意的，而地球自转速度是有限的，在地球自转速度发挥作用时，第1根主要的有向弦和第2根主要的有向弦几乎没有碰在一起，因此地球自转速度并没有传递过去，因此第2根主要的有向弦把同方向的另一根（第3根）有向弦排斥出去时并没有附带上地球自转速度，这第3根有向弦仍旧以不变的速度光速射出。

(2)对麦克斯韦电磁场理论的补充：

电磁波在传递时会呈现波粒二象性，同时能携带信息，这是因为几根有向弦组合在一起（其排列方式就是携带的信息）围绕一根主要的有向弦上的某一位置做2维圆形旋转运动，这根主要的有向弦与（6）的光波一样同时做2个运动，从而形成电磁波的正弦或余弦波形，其他组合在一起的有向弦也在围绕这根主要的有向弦旋转，因此就形成了电磁波波形的不规划变化。

(3)对量子力学的补充：

微观粒子的存在会呈现波粒二象性。这是因为微观粒子很小，由少量的有向弦组成，一个微观粒子微不足道，它要受到周围大千物质世界的作用，这种作用对于它来说是很剧烈的，它要做剧烈的无序运动，这也就是波动性；如果它以某种方式做剧烈运动，比如，围绕一根有向弦的一端做无序运动，它就表现出一定的稳定性，除了光子和中微子，大部分情况下还呈现一定的质量，这就呈现出一定的粒子性。

6．总结

本文提出粒子的基本单元是一根根有向弦，以及多根有向弦如何组合在一起的原则，最后用这种观点解释了一些物理现象，对一些物理错误进行了纠正，并对一些物理规律作了补充。这种观点既有粒子的相互作用，又有粒子的基本组成结构，而场论观点只有质点（粒子）的相互作用，因此它包括了场论的观点，是场论观点的继承和发展。

7. 参考文献

[1]陈永鸿 物质的本质：从递归函数的角度看粒子的组成

Fundamental Units of a Particle and the Uniting Principle of Fundamental Units

Chen Yonghong

(Dept. of Physics and Electronics, Hanshan Normal University, Chaozhou, Guangdong, P. R. China 521041)

Abstract This article puts forward fundamental units of which a particle is composed are strings with direction, i.e. D -strings, and a principle how some D-strings are united. At last, this viewpoint can be used to explain some physical phenomena, correct some physical mistakes and supplement some physical law.

Keywords a particle, a D-string, the uniting principle of D-strings

作者联系方式： hqu_cyh@163.com