有关引力场产生原因的几点假设

　　出于对自然规律的一种完整性要求，我们猜测当引力场对置于其中的物体施加力的作用的同时，该物体对引力场的反作用也应该同时存在
　　————我的信念
　　一、引 言
　　1.问题的提起：
　　提起引力大家并不陌生，引力是存在于任何有质量的物体间的一种相互作用。描述这种作用规律的有著名的牛顿万有引力定律。然而，尽管引力人人皆知，可长期以来它又是一个始终困扰人心的问题：引力的本质是什么？它和质量之间的内在联系又是什么？这一直是人们期待以求的问题。然而直到今天，这一切还都是不解之谜。在这里，我想承继许多前人所未了的夙愿，给出上述问题的一种解决方案。当然，在这里我的设想还只是一种假设，它的正确与否还有待实践的进一步证实。
　　2.引力场的产生机制
　　要解决引力的本质及其和质量之间的内在联系，首先应该探讨一下引力场是如何产生也即其产生原因的内在机制问题。在此让我们先来考察下面这个问题：
　　我们知道，引力场的一个特性就是可以对置于其中的任何物体（质）施加力的作用，那现在我们不妨反问一下：当引力场对置于其中的物体施加作用的同时，该物体对引力场的反作用存在不存在？
　　出于对自然规律的一种完整性要求，我们猜测这个＂反作用＂应该存在，没有什么理由可以使我们相信作用的相互性定律在物体和物体发生作用时成立，而在物体和场发生作用时却变得不再成立。
　　既然承认了这个物体对引力场的＂反作用＂存在，那下一步我们所要考虑的就是这个＂反作用＂对引力场的作用效果究竟是什么。我们知道，引力场对该物体的作用效果是使该物体以某一加速度运动，既改变了物体的运动状态，那该物体对引力场的反作用又表现在什么地方呢？
　　显然，如果承认该物体对引力场存在反作用，那这种作用应该对原引力场产生某种影响，一种最直观而又合理的可能就是改变原引力场的空间分布，换句话说，该反作用在空间中又激发出一个新的引力场（叠加在原引力场上从而引起原引力场的空间分布发生改变）。
　　假如再承认上面的假设，那让我们对上面的问题的条件做一下变更：假如去掉引力场，让那个物体在空间中受到一个外力的作用而做和在原引力场中同样的加速运动，那请问该物体的加速运动能否在空间中激发出一个新的引力场呢？
　　在回答这个问题之前，我们需要先澄清一个问题，即不存在引力场并不应该等于在空间中什么都没有，我们可以很自然的认为只是该空间中的引力场强度等于零。换句话说，如果我们认为引力场是空间中存在的某种介质的话，那当引力场强度为零时，该介质依然存在。
　　如果同意这种认识，那对上面的问题我们就应该持肯定的态度，因为不管场强是不是为零，组成引力场的介质我们都认为是存在的，没有理由说当场强不为零时，做加速运动的物体可以激发出新的引力场，而当场强变为零时同样做加速运动的物体却不能激发出新的引力场。在此，还需要澄清的一个问题就是该＂新的引力场＂并不是由于物体本身的质量所激发的那个引力场，而是由于该物体和引力场（或者干脆说是和空间）之间相互作用所改变的原引力场的空间分布。
　　至此，我们已经找到了一种能产生引力场的内在机制，那就是物质的加速运动。需要指出的一点就是这里＂物质＂的含义已不再是我们常见的各种物体，它包含自然界中任何可以存在的实体。
　　二、引力和惯性力的联系
　　1.一个问题：
　　对于惯性＂力＂，我们大家并不陌生，惯性＂力＂是物体在运动状态改变时试图保持原运动状态的一种＂力＂。我们知道：做加速运动的物体，会＂感觉到＂自己受到一个与其加速方向相反的＂力＂，我们形象地将这种＂力＂称之谓＂惯性力＂，现在我们不妨先假定这种惯性力是存在的，那我们不妨问一下：这个惯性力的施力物体又是什么呢？
　　在物理学中，目前对惯性力仍存在争议。有些物理学家认为惯性力并不存在，他们的观点如下：第一，对于力，必须要存在施力物体，可对惯性力来说，却找不出该施力物体；第二，假定存在惯性力，则牛顿第二定律将变得不再成立，因为牛顿第二定律不可能错误，那结论只能是不存在这个多余的惯性力。第三，对物体在做加速运动时所表现出来的受力特性，他们则认为这只是物体本身的惯性使然。也就是说，用一个未知＂惯性＂来取代一个与我们习惯上的＂力＂有点＂神似貌离＂的＂惯性力＂。
　　对上述观点，我们不妨反问一下：就因为找不出施力物体，惯性力就真的不存在施力物体了吗？就因为找不出施力物体，就把一个各方面都与力有很大相似性的惯性力只是简单地用一个惯性来代替吗？这样下结论是否太有点性急，太有点武断呢？况且，爱因斯坦升降机的实验早已说明＂处于密闭的向上加速的实验室中根本无法区分他受得究竟是引力还是惯性＂。或许，自然界中本来就存在着惯性力的施力＂物体＂，只是我们以前并没有注意到罢了。
　　从这个角度来说，我们现在并没有足够的理由来证明惯性力不属于一种力。那既然如此，我们不妨暂且把惯性力先认为是一种力，以之为基础再深化一下我们的认识，做一番合理的推理，看有什么所得。如果我们果真因为这样一步大胆的行动而解决了原有认识所不曾解决的问题，而本身又不会构成自相矛盾的结局，那这种行动就有存在的必要。（注：这里是一种对物理理论的认识，从某种意义上说，我们预先规定任意假设，以之为起点，经过严密的推导，都会得到一套完整的理论体系。当然，如果你用另外一套理论来检验它，由于体系的基础不同，必然会得到矛盾的结果，就如同你用欧氏几何去检验罗氏几何一样。但这并不一定能证明该理论错误，判断一个理论正确与否应看两个方面，一是要符合客观实际，二是本身不能自相矛盾。这里需要强调的是：客观实际并不等于你原有理论所推出的结论。）
　　如果我们把惯性力看做是一种力，那不失一般性，它必然也应该满足力的基本特性——施力物体和受力物体同时存在，亦就是作用的相互性。这就是说，惯性力必然存在着施力物体，那这个施力物体又会是什么呢？
　　显然，存在于一个做加速运动物体周围的所有物体都是等权的，我们没有可供检测的手段或理由硬说是某一个而非另一个，那我们的结论只能是对整个宇宙中的所有物体要么同时肯定，要么同时否定；又由于我们上面的假设——施力物体必须存在，那我们的结论只能是整个的空间、整个的宇宙。（当然，这样做并没有和客观实际发生矛盾，虽然由力的相互性我们可推知宇宙中所有物体都会受到该加速物体的反作用，但由于这种作用分散到整个的宇宙中，故对其影响甚微，超出了我们的任何观测限度，只有当其加速度极其巨大，例如在构成物质的基本粒子的内部，才会表现出来，其结果就是我们后面所要讨论的万有引力。）
　　若我们肯定这种认识，那么一个做加速运动的物体所受到的惯性力就是由它周围空间中的所有物体施加给它的，由力的相互性我们知道，宇宙中其它物体也会受到这个加速物体的反作用力。这样，在做加速运动的物体和它周围空间中的任一物体之间，必然存在着一种相互作用，这种相互作用不同于自然界中我们已知的另外三中相互作用，那它应该只有一种可能，就是万有引力相互作用，这种作用在空间中的传播，就形成引力场。
　　2.引力场—空间的弯曲
　　为了进一步从数学上推导力—加速度—引力场之间的关系，我们有必要把引力场看作是空间的一种弯曲，这一点也正是爱因斯坦在广义相对论中所采用的方法，它的建立基础在于等效原理：
　　在一个加速运动的实验室和一个场强处处与其大小相等，方向相反的引力场中，一切物理定律都相同。
　　通过等效原理，我们可以把一个引力场和一个加速实验室等价起来，而加速运动的实验室又可以看做是空间的一种弯曲，因此，一个引力场就可以看做一种弯曲的空间。而物质的加速运动，正是使这个空间弯曲的原因。在这里，弯曲空间的物理含义就是要使置于其中的任一物体都以同一加速度运动。
　　之所以采用上述观点的另一个原因就是因为引力场本身所具有的特性——对置于其中的任何物体（质）都将产生同样的运动状态改变。既然这种影响对所有的物体（质）都存在，而所有的物体（质）的运动又都是在空间中发生的，那把引力场用一个弯曲的空间来代替也就成了逻辑上一种简单的必然要求。
　　3.对引力场的新认识
　　通过上面的分析，我们已经有了一种对于引力场的新认识：我们不妨就把空间看做是构成引力场的一种弹性介质，该弹性介质（空间）的弯曲度（＂形变＂）对应于引力场的强度。而物体（质）的加速运动将和该弹性介质（空间）发生相互作用，该作用的结果将使该物（体）质保持原来的运动状态——也即惯性，对弹性介质（空间）的作用结果将使得空间在该点发生弯曲（＂形变＂），由于空间的弹性该＂形变＂将分散到整个的空间，也就是说整个的空间将变成弯曲的了，而空间弯曲的结果，就是使得宇宙中所有的物体都以某一加速度运动（也可以说受到一个力）。同引力场加以比较，不难发现，二者是等效的。
　　既然提到了空间的弯曲，我们就应该引进一个表征其弯曲程度的物理量，要表征空间的弯曲（形变），除了要能表示该弯曲（形变）的程度—也即大小外，还需要能表示起变形的方向，这说明该物理量应该是一个矢量，在此，我们引进一个新的物理量g ，它的物理含义就是在一个空间弯曲度为g的空间中，任何物体都将以加速度a=g运动。 g的方向定义为空间变形的方向，由物体和空间作用的相互性可知，空间形变的方向和引起空间形变的加速度方向相同。这里，g显然是空间坐标（x,y,z）函数。
　　四.一点假设
　　通过上面的分析，我们已知道引起空间弯曲的原因是物体的加速度a和其作用的区域，那么在该加速度 a和所激发的弯曲空间（引力场）g中，必存在某种关系，在此，为形象起见，我们可将空间视为象橡皮筋一样有一定的弹性，那么就容易看出，若物体一加速，就会在其作用的区域使空间发生形变，由于空间的弹性，该形变将遍及整个的宇宙，在此过程中，引起空间形变的因—加速度的作用区域的某种效应之和，应该等于其果——引力场强度（空间弯曲度）的作用区域的某种效应之和，这里，弯曲空间的作用区域显然应该是整个的宇宙。
　　在此，让我们先定义如下一个表征加速度对空间的作用量物理量Ω:
　　定义一：我们把物质在其加速运动的区域中加速度与该点处体积矢量的点积之和称为该区域处加速度对空间的作用量。用数学式表示如下：
　　Ω= vaa·dv --------------------------------------
　　式中，va 指加速a所遍及的区域体积，dv的方向定义为空间在该点所发生形变的方向，其方向和该点处a的方向相同，很显然，这里Ω是一个标量。
　　同样的，我们还可以定义一个表示整个空间形变程度的物理量Ψ：
　　定义二：我们把整个空间中引力场强度与该点处体积矢量的点积分之和，称之为引力场对空间的作用量。用数学式表示如下：
　　Ψ= vgg·dv ---------------------------------------
　　式中vg指空间弯曲度（引力场强度）所遍及的区域，显然该区域是指整个宇宙的空间（宇宙半径RA 1026m）。dv指的是空间中某点发生形变的方向（引力场强的方向），显然，这里Ψ也是一个标量。
　　至此，我们可以引进假设一：
　　假设一：做加速运动的物体对空间的作用量Ω等于其所激发整个空间的形变量Ψ。该假设体现了空间中能量守衡。用数学式表示如下：
　　vaa·dv= vgg·dv---------------------------------〈2-3〉
　　式中各物理量的含义见上。
　　考虑到空间在各个方向上的各向同性，我们同样可以得到引力场（空间形变）在空间分布上的时间守衡。
　　在此让我们再引进一个表示引力场(空间形变)通过一个曲面的物理量Ф。
　　定义三：我们把引力场强度（空间形变）g与引力场在空间传播中某一时刻所穿过的一闭合曲面点积之和，称之为引力场对空间在该时刻的通量Ф，用公式表示如下：
　　Ф= t1g·ds----------------------------------------
　　式中，g表示引力场的强度，ds表示在该点g所穿过的面元，ds的方向取该面元的的法线方向。显然，这里Ф也是一个标量。
　　考虑到引力场在空间传播中的时间守衡，我们可以引进假设二。
　　假设二：引力场在空间传播过程中任一时刻所通过的闭合曲面的通量都相等。该假设体现了引力场在时间上的守衡，用公式表示如下：
　　t1g·ds= t2g·ds=Ф-------------------------------
　　三、一种基本粒子的模型
　　1.质量的两种表现形式：
　　我们知道，在自然界中物质的质量以两种矛盾形式表现出来，一是表现形式为可以静止存在于空间中的普通形式的物质（质量），我们不妨称之为静止质量；另一种形式就是表现在象光子一类的只能以光速运动的物质（质量），我们不妨称之为光速质量。出于对自然现象的一种一致性、简单性要求，我们猜测质量的这两种表现形式在本质上应该是一致的，而且应该可以互相转化，但是，质量的这两种表现形式似乎却存在着难以调和的矛盾：对静止质量，无论如何加速都绝不会达到光速，而对光速质量来说却似乎是怎么也不可能＂静止＂下来。那么这两种质量的表现形式之间又该具有什么样的联系呢？
　　基于一种对自然规律的和谐性与简单性的要求，我们可以认为在本质上质量的表现形式应该只有一种——另一种形式只是这种更基本形式在某种特定条件下的一种表现，基于这种认识，我们可以给出对质量的两种表现形式的一种很自然的统一方案，那就是认为光速质量是自然界中物质最基本的表现形式，在无约束情况下，质量的表现形式都将以光速在运动，例如光子；但在某种强大的力场的作用下，使得这种以光速运动的物质（例如光子）被约束在一定区域中运动（例如圆周运动），那么从该区域的内部看，物质仍在做光速运动，表现为光速质量；但如果把该区域作为一个整体来考虑，则可以＂静止＂在空间中的任一位置，从而表现出静止质量的特性，这样就把光速质量和静止质量统一起来了。
　　2.一种基本粒子的模型
　　按照上面的认识，我们可以知道，组成物质的最基本的粒子内部绝不是静止的，由于其内部在本质上仍表现为光速质量，因此其内部的每一份物质都必然在以光速运动着。
　　按这一认识在作为从能量（具有始终以光速运动的光速质量）到物质（基本粒子）的转化中，有一类粒子应该是最基本的，这种＂基本粒子＂本身可看做是一个能量包（其中每一份能量都没有静止的质量），也就是由于某种强烈的相互作用，使得这些始终以光速运动的能量被限制在一个小小的区域内。这种基本粒子的内部不是静止的，而是任何一份能量都在以光速绕中心运动，我们不否认这种＂基本粒子＂的内部仍有许多我们所未知的因素，但至少有一点却可以肯定，那就是如上所说，任何一份能量都在以光速绕中心运动，因为不这样，那内部的能量就还有静止质量；因为不这样，那它就不能作为从能量到物质转化过程中的第一类最基本的粒子。而我们现在所需要的，也只有这一点。
　　四、引力常数与基本粒子的结合能
　　1.引力常数：
　　我们知道，任何有质量的物体都可以激发出引力场，那我们不妨问一下质量和引力场之间又有什么联系呢？换言之质量为什么可以激发出引力场呢？
　　要解决物质所激发的引力场问题，我们不妨取物质的最基本的组成单位—基本粒子来考察。由上面第三节的论述，我们可以知道在基本粒子的内部每一份能量都在以光速运动，既然每一份能量都在以光速被限制在一个微小的区域，那该区域中必然存在着极其巨大的加速运动，再有上面第二节的分析可知，该区域中的加速运动必然会引起整个空间的形变，也就是激发出一个引力场。现在就让我们来大致估计一下一个基本粒子所激发出的引力场的大小，顺便求取质量和所激发的引力场强度之间的关系，也即引力常数G（G=6.67 10-11），如果该常数与实际测量的值相符，那就可以在一定程度上证明上述理论的正确（顺便提一下，到目前为止，引力常数都是实验测得的，到目前还没有任何一个理论能给出引力常数为什么是那么大。）
　　现在，我们就来求一下一个基本粒子的引力场，不失一般性，我们估计该基本粒子的尺度（半径）约为R0 10-15m，其质量约为m0 10-29Kg。
　　考虑最简单的一种情况，即认为粒子内部任一份能量都在绕中心做圆周运动。则易知该基本粒子内部任一点处的加速度为：
　　a=c2/r------------------------------------------
　　式中，a为粒子内部任一点的加速度，c为光速，r为该点至粒子中心的距离。
　　代入公式2-3得：
　　R004πr2·(c2/r)dr= vgg·dv---------------------
　　考虑到粒子内部在各个方向上都是等权的，因此其所激发的引力场必是球对称的，而且其方向都指向粒子的中心，由假设二的通量守衡可知，该粒子所激发的引力场强度必满足平方反比递减规律，不妨令：
　　g=k/r2------------------------------------------
　　式中k为待求常数，代入有：
　　R004πr2·(c2/r)dr=4πkRA-----------------------
　　式中RA为宇宙半径，其值约为1026m。
　　整理得：k= c2R02/2RA-----------------------------
　　易知，k=G m0 代入有：
　　G= c2R02/(2RA m0)----------------- ---------------
　　代入各项的值有：
　　G=4.5 10-11
　　同实验测得的值相比较，不难发现两者在数量级上是一致的。
　　在上面的分析中特别需要指明的就是关于宇宙半径也即宇宙的大小问题，在本文中作者认为宇宙半径的大小在数量级上约为1026m，即大约在100亿光年的数量级上。之所以这样认为理由有两个方面：第一，现在的天文观测表明现在我们所观测到的宇宙大小约为100亿光年；第二，现在天文学的研究表明，宇宙来源于大爆炸，且年龄不超过200亿光年。由后一点证据可推知，即使宇宙膨胀的速度达到光速，那它到现在膨胀的半径也只达到200亿光年，基于这两点，作者认为取宇宙的半径在1026m的数量级上，是可取的。
　　2.基本粒子的结合能
　　对上面一种模型的基本粒子，由于内部任一点都有一个向心加速度a=c2/r，固内部任一点都受到一个向心力，这样若我们再知道其内部质量分布时，就可由F=ma求出任一点的力。因此，这个基本粒子就相当于一个力场，这个力场中贮藏着一定的能量，按照能量的定义式我们就可以计算一下这个能量有多大，下面我们就来计算一下该基本粒子内部所贮存的这个能量。
　　由公式知：
　　m0= c2R02/(2G RA)--------------------- -------------
　　这表明基本粒子的质量m0和其半径R0有关，又由于c，G，RA都可认为是常数，故认为仅和R0有关，且与R0成正比。
　　不妨设一基本粒子的质量为m0，半径为R0，则它内部任一半径r内所包围的质量mr为：
　　mr = c2r2/(2G RA)---------------- - ----------------
　　又因为：
　　m0= c2R02/(2G RA)
　　所以有：mr = m0 r2/ R02-----------------------------〈4-9〉
　　对〈4-9〉式两边微分得：
　　d mr =2 m0 r/ R02-----------------------------------
　　又因为在r 处加速度a=c2/r。
　　所以有：dF向心力=a d mr =2 m0 c2dr/ R02----------------
　　考虑到该基本粒子的力场范围仅限制在粒子半径之内，因此有：当r R0+时，F向心力 0，所以有：
　　F向心力= R0r4dF向心力=2 m0 c2[(R0-r)/ R02]----- ---------
　　所以该粒子内部所贮存的能量为：
　　E= R00 F向心力·dr= m0 c2-----------------------------
　　这就是著名的质能方程。
　　五、小结
　　综上所述，我们从作用的相互性和引力与惯性力的相似性两个角度论述了引力场的产生机制。在此基础上，我们把物体的加速运动归结为引起空间弯曲的原因，这部分弯曲的空间会向整个空间传播，并弥漫于整个的宇宙，这整个弯曲的空间就是引力场；这样就把引力作用和其他力的作用统一起来，因为在基本粒子的内部都具有强烈的相互作用（强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用），这些相互作用（一种或几种的叠加），通过基本粒子本身引起空间的弯曲，形成引力场。这同时也就是为什么有人曾指出的基本粒子内部的强相互作用和引力相互作用之比，等于宇宙半径和基本粒子半径之比的原因。同时，在此基础上，我们有提出了一种基本粒子的模型，依据这种模型，我们不仅估计了引力常数的大小，还计算出了基本粒子内部所具有的结合能，其结果恰好就是质能方程。