《宇宙物理體系》簡介: 它全文11萬字，歷時6年完工。它對舊物理基礎概念定義作了一次全面檢查維修及重建。它以尋找物質基本性質即物性為突破口重建物理學。它增加了若干新的基礎概念定義。它完成了對宇宙大自然最基本最重要最普遍物象進行逐一解釋，且邏輯自洽。

在xyz座標系的三個軸上佈滿小球，用一個小球高速撞擊原點上的小球，想象一下畫面，就是所有軸上的小球逐個撞擊，一直到無窮遠！這樣宏觀的看就是波動！不斷撞擊則不斷波動，呈現高低起伏的振盪現象！

如果給所有小球加個自旋，那麼軸心點不具備自旋，小球和小球撞擊點如果是軸心點，則相當於無自旋撞擊！

接觸點如果在赤道面，那麼是自旋撞擊！

此時旋轉軸心線所在軸的小球不會出現週期性的自旋啟停，它永遠不自旋！

而另外兩個軸的小球就會出現週期啟停，這就是波動！前提是原始撞擊小球交替出現左旋和右旋！

如果把小球換成粒子，肉眼看不見，那麼電磁波就是肉眼看不見的自旋粒子的撞擊現象！

這個問題與筆者回答的那個【電子如何變成光子】都涉及真空場，內涵有些不同。

物理同仁，一定很清楚，關於【電磁波的本質】，目前依然還是不那麼清楚。

很多人覺得物理難，多半因為語義學不過關。如“本質”是什麼？既涉及語言，也涉及物理。真正吃透的人，寥寥無幾。

本文有不少鮮為人知的新視野，為通俗起見，有不少故意的重複關聯，文章有點長。

1.1 本質的意思

本源的物質，即本質。本質，是事物發生的初始原因，是決定事物變化的第一推動力或第一性原理（First Cause/Principle）。本質往往有一個因果鏈。

例如，法律的本質，是正義或者是統治階級的意志→正義的本質，是在特定歷史階段滿足絕大多數人的根本利益→利益的本質，是滿足特定人群的生存與發展→生存的本質，是大自然賦予的存在形式，即天賦人權。

1.2 本質的分類

按【存在方式】分類，如：運動本質、波的本質、電磁波本質、物態本質、事件本質、生存本質、聯絡本質、聚會本質。

按【存在形式】分類，如：物質本質、空間本質、介質本質、電子本質、光子本質、核子本質、玻色子本質、費米子本質。

按【認知屬性】分類，如：法的本質、正義的本質、規則的本質、能的本質、力的本質、資訊本質、質量本質、週期本質。

1.3 本質的分層

根據認知任務的要求，本質未必要刨根究底。例如，肌肉的本質是蛋白質(A)。蛋白質的本質是氨基酸(B)，氨基酸的本質是鹼基(C)，鹼基的本質是價電子(D)，價電子的本質是電磁力(E)，電磁力的本質是場效應(F)，場效應的本質是能密梯度(G)，能密梯度的本質是熵增加(H)，熵增加的本質是動態平衡(I)，動態均衡的本質是最小作用量(J)，最小作用量的本質是四大皆空(K)

於是，我們有了本質的分層鏈：

A→B→C→D→E→F→G→H→I→J→K

這裡，不止肌肉，而且宇宙永珍的本質，最終都要歸因到四大皆空，即【真空場】。

因此，筆者給出一個重要命題：電磁波的終結本質是真空場。以下證明這個命題。

2 幾何空間與真實空間的區別

幾何空間，是毫無物理外延的虛無空間，是為了測量基準所用的數學座標系。幾何空間可以有低維空間(1D,2D,3D)、高維空間、甚至希爾伯特的無限維空間。

真實空間，簡稱真空，也叫真空場，或場。真空具有超強的吸引力，故真空場也叫真空引力場。

真空有引力的證據有：馬德堡半球實驗、托里拆利實驗、離心泵工作機制、文丘裡管效應、水力噴射器原理、飛機升力機制。

真空場，無處不在。真空場的表現，諸如電場、磁場、電磁場、地磁場、熱力場、萬有引力場、霍爾效應場、光電子輻射場、等離子輻射場、熵增加效應場，都涉及場效應。

場效應，是各種力的傳遞、各種能的轉換、各種波的傳播，都是最終透過電子的切向運動，擾動真空場，激發場的漲落或震盪。

真空場，與實體一樣，也是有質量、有能量、有體積的。電子內部是純淨的高密度的場介質，電子質量≡電子內空間的質量。

真實空間與幾何空間的最大區別是：前者是傳力吸能載波的唯一載體或介質，後者只是純數學的抽象概念，儘管愛因斯坦賦予張量的創意。

3 電磁波的概念

人類對電磁波的功能與應用可謂爐火純青。但對於電磁波發生機制、電磁波終極命運、電磁波分佈結構，迄今依然不很清楚。

雖然【黑體輻射】與【電子躍遷】理論，勉強解釋某些現象，但無法解釋【低頻電磁波】，尤其無法解釋【卡西米爾效應】。

3.1 電磁波的定義

電磁波，是因為實體粒子的運動之推壓作用，激起了附近真空場湧動的波。

本質上，電磁波是實體所含電子的切向運動切割電子磁力線所引發的真空場效應。

請注意，筆者定義的電磁波，也叫【電子波】，因為電子是電磁波的終結性波源。

3.2 電磁波的分類

3.2.1 按不同的波源，電磁波的分類

按照作為波源的不同電子運動方式，電磁波可以分類為以下四種類型：

① 核外電子波：在原子內空間，核外電子的低速震盪切割核子磁力線所激發的電磁輻射效應，此類電磁波表現為原子光譜的超精細結構分佈。其場效應方程是：

½m₀v²=hc/λ...(1)

② 核內電子波：在核子內空間，核內電子的光速震盪切割自身磁力線並導致核子密度急增的場效應。此類電磁波被高密電子雲封閉在核子內部，表現為超低頻的核磁波。其場效應質量(m")，表現為質子質量方程

p(1836m₀)=2e(2m₀)+m"(1834m₀)...(2)

m"=m₀·(r/r")³...(3)

eU=½m₀△v²=h△f...(4)

④ 自由電子波：逸出原子的光電子，逸出核子的β電子，這些自由電子切割自身磁力線，釋放的都是高頻電磁波，但也會因為失去電磁力束縛，服從熵增性的降頻紅移。

自由電子波的方程，同式(4)

3.2.2，按不同的波帶，電磁波的分類

次聲波、聲波、超聲波、超長波、電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、超高頻電磁波（如倫琴射線、伽瑪射線）。

以下的第3,4,5,6,7章，探討電磁波的五大特性，若干提法屬於新思維，僅供參考。

4 電磁波特性1：多頻疊加效應

不同頻率電磁波既可疊加整體化，也可解散分道揚鑣，有三：

4.1 同頻共振效應，

也叫聚光效應、鐳射效應、糾纏效應。同頻可以指數量級相同。

電磁波之間的複合或疊加，本質上是光子密度或輻射能的疊加，即：

異頻光子的質密疊加：

Σρi=m₀/V₁+m₀/V₁+,...,+m₀/Vₙ...(5)

光子體積：V=(4π/3)(λ/2π)³=32λ³/3π²

光子質密：ρ=3π²m₀/32λ³...(6)

n個同頻光子的質密疊加

Σρi≤nρ=3nπ²m₀/32λ³...(7)

n個同頻光子的能密疊加

Σσi≤nσ=3nπ²h/32λ²...(8)

說明：量子糾纏的本質是同頻光子的疊加。

4.2 近頻混疊效應，

頻差不大的電磁波，混合在一起，噪音大，不容易分揀出來。

4.3 差頻分揀效應，

頻差很大的電磁波，高頻波可承載低頻波，參見【分時多重進接TDMA】。

5 電磁波特性2： 卡西米爾效應

卡西米爾效應，表明真空場具有零點能。卡西米爾效應，表現為兩大型別：

5.1 卡西米爾效應力，簡稱【卡氏力】

把不帶電的兩塊金屬薄板接近時，兩板之間產生相互作用的吸引力，簡稱卡氏力。卡氏力與板間距(d)成反比，與該腔體的容積體積(κ₂d³)成反比：

F=κ₁/κ₂d⁴，或者：F=κ/d⁴...(9)

以下探討卡氏力的發生機制。流行解釋：由於腔內低頻波被排出，腔外高頻波有擠壓，導致兩塊極板相互靠近。但筆者有異議。

請讀者思考以下四個問題：

5.1.1 為什麼金屬板靠得很近產生吸力？

分析：金屬板介面的【價電子雲】處於高能位，真空腔處於低能位，根據熵增加原理，兩板的價電子都有隧穿效應，價電子之間互斥，但【隧穿電子】與對方核電荷彼此吸引佔主導：

F=(1/4πε₀)e²/r²...(10)

式中r≈10奈米，是隧穿電子與核電荷之間的距離。

5.1.2 為什麼真空腔釋放電磁波？

在兩板間距趨近奈米尺度時，隧穿電子與對方核電荷相互吸引，電荷切割的磁力線，激發原子光譜型的電磁波，有：

½m₀v²=hc/λ...(11)

式中，v是隧穿電子的切向運動速度，λ是卡西米爾效應電磁波的波長。

5.1.3 為什麼不採用非金屬板真空腔？

非金屬原子缺乏活躍價電子，就沒什麼隧穿電子，至少沒有儀器敏感的卡西米爾效應。

5.1.4 當兩金屬板緊貼在一起會怎樣？

如果板的表面極其光滑平整，那麼兩板貼在一起，就意味著兩塊金屬板融為一體，隧穿電子變成對方原子的核外電子，金屬鍵或電磁力。此時，理當會激發電磁波。

5.2 卡西米爾電磁波，簡稱【卡氏波】

除了將兩板拉近，真空腔會激發電磁波；還有，當外加震源作用到一個超薄真空腔，也會電磁波，簡稱【卡氏波】，也叫【卡西米爾效應】。1996年科學家首次測定，測量結果與理論計算十分吻合。

其實，卡西米爾效應波，與光電效應波、原子光譜效應波、乃至機械震盪波，都是【真空場效應波】，統屬【場效應】。

場效應是：只要有物體或實粒子(或所含電子)的切向運動，就會擠壓真空場(介質)，進而激發真空場的漲落或震盪或漣漪。

5.3 電磁波的本質

由此可推出：

電磁波的本質是場效應；物質波的本質是電磁波；機械波的本質是電磁波；真空場是所有力/能/波的傳播介質。

場效應方程的通式，

½mv²=(m/m₀)hc/λ...(12)

式中，m是切向運動的實體質量，m/m₀表示實體所含當量電子的個數，也是電磁波虛粒子的個數，即【場量子數】。

由(8)解出場效應或電磁波的波長：

λ=2hc/m₀v²...(13)

而德布魯伊波長：λ(德)=h/p=h/mv，讀者想一想，如果物質波是機率波，那麼其波長公式的哪些參量代表機率指標？

6 電磁波特性3：光電互逆效應

光電互逆效應：電子切向運動可以激發場效應產生光子，反過來，光子照射電子可以加速電子的切向運動，方程是：

eU=½m₀△v²=(↔)h△f...(14)

簡化為：½m₀v²=(↔)hc/λ...(15)

可見，光電效應是涉及釋放【光電子】的場效應，只要電子被加速到足夠快，或者光子頻率足夠高（紫外線之極限頻率）。

7 電磁波特性4：熵增紅移效應

先簡介熵增原理，再演繹波的衰減。

7.1 熱力學第二定律：熵增原理

我們知道，水向低處流，濃度要擴散，冷熱要對流，分佈要均勻，均勻必混亂，這樣的系統最終達成動態平衡，也叫【熱平衡】

熱平衡的狀態指標叫溫度，溫度對應的熱量叫混亂度，也叫熱力熵，即：

S=Q/T...(16)

封閉系統在趨向熱平衡的熱動過程中，熱交換總是從高能密向低能密發散，這叫熵增加原理，寫成：

dS=dQ/T，或△S=△Q/T...(17)

為什麼熵會增加？以粒子切向速度v=0為測量基準，對應T=0。因v≥0，T≥0。系統能密分佈不斷衰減，有

△Q≤0，則△S≤0，即Sₙ≥Sₙ₋₁...(18)

7.2 波的衰減或紅移，服從熵增原理

當我們看到的光源越遠，我們看到的反射光就越暗，頻率就越低。這是因為光波在低能位的真空中傳播的光能在漸漸衰減，波長也會漸漸拉長，這是光波的熵增型紅移。

當我們聽到的聲源越遠，我們聽到的機械波就越弱，頻率就越低。這是因為聲波在低能位真空中傳播的聲能在漸漸衰減，波長也會漸漸拉長，這是聲波的熵增型紅移。

當我們在河邊拍打水面，水面激起的波浪隨著推湧的傳播距離越遠，波浪會越來越平緩，相當於波峰之間的距離（即波長），會漸漸平緩，這是水波的熵增型紅移。

7.3 兩種典型的紅移方式

現在我們分析哈勃定律揭示紅移的原因。有兩種紅移模式，

第一類叫【退行性紅移】即，類星體不斷遠離哈勃望遠鏡，這也叫多普勒紅移。

第二類叫【熵增加紅移】即，類星體只做橢圓運動，所釋放的電磁波在漸漸衰減。

當然，哈勃望遠鏡接收的加速紅移是無可非議的，不該把解釋為【多普勒紅移】，而應該解釋為【熵增加紅移】。

7.4 把【退行性紅移】改成【熵增加紅移】

哈勃常數(H)，源於退行性紅移，應該修正為，源於熵增加紅移。即把【類星體退行性的遞減速度】理解為類星體所釋放的【β線電子衰退性的遞減速率】。

① 電子速度遞減常數，簡稱【減速常數】

H(v)=△v／Mpc

=74千米/秒／326萬光年

=7.4×10⁴m/s／3.1×10²⁶m...(19)

② 光子頻率遞減常數，簡稱【降頻常數】

H(f)=△f／Mpc

=3.76×10¹²Hz／Mpc...(20)

∵ 電子激發光子的光電效應關係為

½m₀v²∝hf...(21)，則有

△f=½m₀△v²/h...(22)

=½×9.1×10⁻³¹×7.4²×10⁸÷(6.63×10⁻³⁴)

=3.76×10¹²[Hz]

H(λ)=△λ／Mpc

=8.0×10⁻⁵m／Mpc...(23)

∵ △λ=c/△f=3×10⁸÷(3.76×10¹²)

=8.0×10⁻⁵[m]=80[μm]

7.5 把【哈勃定律】修正為【降頻定律】

根據式(20)的降頻常數H(f)，降頻倍率與電磁波歷程(R)成正比，比例常數為H(f)，有

f₀/fₙ=H(f)·R....(24)

其中，f₀為β電子激發光子的初始頻率，fₙ是望遠鏡光譜儀接收的末端頻率。

7.6 用降頻定律估算【可觀測宇宙半徑】

① 電子激發光子的最短波長λ=4.85皮米。類星體以光速釋放的β射線，初始頻率：

f₀=c/λ=6.2×10¹⁹Hz

②若望遠鏡接收的最弱頻率為

fₙ=1000Hz，

λₙ=c/fₙ=3×10⁵[m]=30km（超長電波）

R=f₀/fₙH(f)...(25)

=6.2×10¹⁹÷(10³×3.76×10¹²)×3.26×10⁶

=537.6億光年。

顯然，可觀測宇宙的半徑(R)，取決於光譜儀接收電波頻率(fₙ)訊號的靈敏度。

8 電磁波特性之5：同頻糾纏效應

量子糾纏，包括費米子糾纏與玻色子糾纏，歸根結底，是兩束同頻同相的電磁波的頻率翻倍的共振現象。

頻率疊加的電磁波是一種複合波，是對原有單色波的【升頻藍移】，但在電磁波傳遞過程中，固有微弱的【降頻紅移】依然存在。

即使同相同頻的兩個光子，相距遙遠，但二者處於共時關聯，可以把它們看成一個封閉體系。

就好比把氦原子的兩個核外電子看成一個原子體系。這兩個電子的切向運動分別激發電磁波，並分別輻射到對方電子上。

9 電磁波特性之6：精細結構常數

理論上的公式：α=ke²/(hc/2π)...(26)

其中：k=1/4πε₀=9×10⁹

式(1)的清晰形式如下圖，其中，狄拉克常數=普朗克常數÷2π，即：ћ=h/2π

以下，用分析法推導【α的意義】

改寫式(1)：αhc=2πke²...(27)

或：λα·hc/λ=2πr·ke²/r...(28)

因：½m₀v²=hc/λ=ke²/r...(29)

則：λα=2πr，或：α=2πr/λ...(30)

軌道半徑不能太小，與光子波長或半徑有一個臨界值比值，式(5)改成：

2πr/λ≥α...(31)

故【α的意義】：電子軌道周長(2πr)與光子波長(λ)的比值不小於α，維護正負電荷的各自不過度干涉，服從泡利不相容原理。

例1. 估算在原子半徑0.1奈米附近的核外電子激發光子波長與電子平均軌道速度(v)。

解：原子半徑(r)即電子繞核震盪的平均軌道半徑(r)，根據式(30)與式(28)，有：

λ≤2πr/α

=2×3.14×0.1×10⁻⁹÷(1/137)

=8.6×10⁻⁷[m]=860nm（屬於紅外線）

v²=2hc/λm₀...(32)

=2×6.63×10⁻³⁴c÷(8.6×10⁻⁷×9.1×10⁻³¹)

=51×10⁻¹²

v=7.14×10⁶[m]=3.25αc

可見，軌道半徑越大，電子的線速度越快。

10 電磁波的發生機制

有了【電磁波的本質是場效應】之認知，電磁波的發生機制的難題，即可迎刃而解。

從本文第5章可知：只要有實體的切向運動，就會擠壓並擾動真空場，真空場就會更加湧動起來，表現為較高頻率的電磁波。

從微觀層面來看，這種激發電磁波的實體，叫波源或激元(exciton)，典型的有：核外電子激元、核內電子激元、自由電子激元、聲波粒子激元。

10.1 核外電子激發電磁波

原子光譜（的超精細結構分佈），主要來自原子內部核外電子的切向運動切割所在磁場的磁力線，其動力源來自核外電子與核電荷之間相互作用的電磁力或庫侖力。

½m₀v²=(1/4πε₀)e²/r...(33)

電子不同的切向速度，激發不同頻率的電磁波，進而表現為原子固有的原子光譜。

原子光譜型的【場效應方程】（或光電效應方程），可以寫成：

(1/4πε₀)e²/r=½m₀v²=hc/λ...(34)

其中，r是核外電子與核電荷之間的距離，也是核外電子繞核震盪的平均軌道半徑。ε₀原子內真空場的介電常數，λ是場效應的單色光子波長。顯然有：v²∝1/λ

10.2 核內電子激發電磁波

核內電子激發電磁波之命題，是鮮為人知的，也是解決標準粒子模型面臨困境的突破口之一，另一個突破口是光速電子激發的場密度急增效應，或【光爆效應】。

ξ(1/4πε₀)e²/r=½m₀c²=hc/λ₀...(35)

其中，ξ是電荷之間同斥異吸作用的弱化係數，r是核內電子震盪的平均軌道半徑，也叫核子半徑。λ₀=4.85pm，是核內光子波長常量。

10.3 自由電子激發電磁波

如果對核外電子施加脫出功(W₀=eU₀)，核外電子，在被加速到逃逸速度或【臨界速度(v₀)】時，就會脫離原子核的束縛，變成光電子，或稱等離子態電子，或稱自由電子。

此時，激發的電磁波有【臨界頻率】與【臨界波長】，即：

eU₀=½m₀v₀²=hf₀=hc/λ₀...(36)

當然，逃逸出去的電子，不可能以臨界速度一直旅行下去，一定會不斷減速，其激發的電磁波也會不斷的降頻紅移。詳見本文的第7章對哈勃定律修正的【降頻定律】。

10.4 機械運動激發電磁波

機械波的激元，可以是大粒子或複合粒子，諸如分子、原子、離子，但歸根結底是核外電子。

機械波，含聲學支與光學支，似乎是聲波與電磁波的複合波，但筆者認為：

與其說，複合粒子的切向運動激發了機械波，而對應一連串的聲子；

不如說，核外電子伴隨複合粒子的切向運動激發了電磁波，而對應一連串的光子。

如果複合粒子質量為m，其切向運動的震盪速度為v，那麼其質量相當於n個電子質量，即m=nm₀，核外電子附加速度也是v，有

W或Q=½mv²=(m/m₀)hc/λ...(37)

其中，W是外力做功，Q是外加熱能，λ是複合粒子激發的電磁波。

11 電磁波的傳遞機制

電磁波是真空場被激起的推湧或劇烈漲落，光子就是如同正弦波之波動的一個波節。換言之，電磁波是一連串光子的集合。

由真空場具有吸能降頻紅移的固有特性，電磁波的傳遞是一個漸漸衰減的過程，也叫熵增加紅移過程。

但是根據第7的【降頻定律】，基於哈勃常數的降頻常數非常緩慢：

∵H(f)=3.76×10¹²Hz/Mpc

=3.76×10¹²Hz÷(3.26×10⁶×9.45×10¹⁵)

=1.2×10⁻¹⁰Hz/m

=0.036赫茲/30萬千米

即電磁波的傳遞每秒降頻0.036赫茲。例如，對應太陽光到達地球的降頻為：

△f=0.036R/c...(38)

=0.036×1.5×10¹¹÷(3×10⁸)=12赫茲

地日之間的降頻，可謂微乎其微。可見，在地球環境附近例如衛星導航的降頻，幾乎可以忽略不計。

因此，就這個語境而言，特定電磁波的每一個光子，可以近似處理為【全同光子】。

12 電磁波的終結命運

所謂電磁波的終結命運，是指電磁波的不復存在而轉化為另一種存在形式：

命運之一：要麼在超高溫或超高壓條件下收斂為【光電子】，即湮滅反應的逆過程；

命運之二：要麼在高密度環境如原子內空間被吸收為【高溫場介質】，即吸收光譜；

命運之三：要麼在超低溫環境例如在深太空消弭為超低頻電磁波，即【零點真空場】。

結語

電磁波是真空場的湧動，電磁波現象的本質是真空介質的場效應，卡西米爾效應也是一種場效應，與光電效應與原子光譜現象一樣，是場效應的直接證據。

經典物理學證明我們這個世界是物質的，物質是運動的，運動產生了變化，這個物質的運動產生的變化必須由能量來推動。從大到宇宙小到不可再分的量子，一切既是如此。所以說宇宙中無論從宇觀，宏觀還是微觀一切運動離不開能量，對電磁波的研究結果無論怎麼表述，無論是電子粒子的震動還是場效應，都是能量推動物質運動的一種表現形式，不承認這一點就等於不承認經典物理學，電磁波的本質就是能量推動物質運動的一種表現形式。至於推動宇宙運動的能量來自哪裡，一是宇宙大爆炸產生。二是我認為我們的宇宙只不過才是個大粒子之一，大粒子之間相互的碰撞產生的能量激發了我們宇宙的運動，或者說我們宇宙的外部必有能量源。