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  • [原创]元素、原子演化论

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  • 发表于:2012-04-01 14:51:27

元素、原子演化论

作者:李 军 

摘  要

本文以“对称性的自发破缺是元素、原子及其周期律演化根本原因”的假说,创建元素、原子在宇观、宏观、微观三个层次演化的理论,定性论述了星系的演化、元素及其周期律的演化、原子及其内部结构的演化。通过构建元素、原子演化的理论框架,为此项研究工作提供新的思路和参考。元素原子演化论.doc

太极元素周期表.doc

关键词:

元素  原子  演化  对称性自发破缺 

一、导  言

通过创立“对称性的自发破缺是元素、原子及其周期律演化根本原因”的假说,以此为理论基础, 并从时间和空间的顺序上探讨元素、原子及其周期律在宇观、宏观、微观三个层次上的演化过程是本文研究的核心问题。

其实元素、原子在宇观的演化已经与宇宙的演化紧密的联系在一起,并以大爆炸宇宙学的观点:认为宇宙最初期产生的是类星体一类的原始物质,而它再进一步演化成星系团、星系、星云等天体,同时元素,原子也从这种宇宙原始物质中产生的[1]。今天宇宙中的各种东西,无例外地都是在有限的时间里逐步地生成,而且宇宙是从简单向着复杂演化的,越往早期,宇宙的状态就越对称。

再者,物理学研究中经常碰到的问题是物质的各种对称性中都隐含着破缺因素,物质从气态到液态乃至固态的演化过程,是因为高对称性相变中某一对称元素突然自发的消失,而对应于相变的发生,导致了低对称性相的出现,其它诸如:固体物理学中空间反演对称性的破缺演化产生了铁电体;时间反演对称性的破缺演化产生了磁有序结构;规范对称性的破缺演化产生了超流体与超导电体等物理现象也有这个过程。

普适常数在物理学中也说明了这个现实,光速作为比较标准,物理学建立了低速和接近光速的高速之间的区别;普朗克常数按对象的质量建立起一个自然尺度,原子系统不能被看作是一个行星系统;弱相互作用宇称不守恒、正反粒子存在的不对称性等现象都表明在宇观、宏观、微观这三个层次上,这些物理尺度都破坏了宇宙的对称性,即时间和空间的对称性。

这些现象使我们更多地面对这样的事实,即从基本粒子到宇宙学,对称性破缺和不可逆性起着决定性的作用,存在或已不存在的物质都是其对称性自发破缺过程的结果。我们对宇宙也就有了更具革命性的认识:“物质演化是对称性自发破缺的过程,是不可逆的,是由所谓的时间联系到一起且不断增加着复杂性的过程”。宇宙中存在着的、不同的对称性相互是有密切联系的,是可以从时间或历史上追索和寻找的,其实就是象我们通过研究文物古迹来了解人类社会历史一样,通过研究一种对称性自发破缺(比如古迹或化石)是如何演化成另一种对称性的(比如现实存在的事物),来了解物理世界的变化,而这一过程又常常是不可逆的,是不能反演的,这与经典物理学是截然不同的,这就是时间的本质,也是我们之所以能够从许多似乎不相关的事物间找到它们的联系的根本所在。

我们相信恩格斯:“世界不是既成事物的集合体,而是过程的集合体”,以及我们先祖精辟简捷:“易有太极是生两仪,两仪生四象,四象生八卦……”[2] 的宇宙自发演化的哲学思想是我们解决许多物理学问题不竭的思想源泉。

二、论星系的演化

研究星系的演化就必须提到类星体,类星体[3]是距我们百亿光年以外的物体,我们现在所看到的形态,只是它发出的经过百亿光年距离到达地球的光。也就是它百亿年以前的形态。至于它现在是什么样子我们并不知道。天体物理学已从不同的角度对它进行细致的研究得出结论,类星体具有与通常所指的天体:恒星、星系、星云等天体许多不同的特性。诸如:大红移量、超大质量和密度、超高能量状态、巨大亮度、强射电辐射等。它和我们知道的邻近天体似乎关系不大。但我们必须将它们联系起来看待,而这种联系的纽带就是演化,即认为类星体是众多星系原始混沌时的状态(高对称的状态),而众多星系只是其演化后有序的(低对称性状态)的一种。认为类星体就是星系的原始祖先,这样或许能帮助我们理解许多现象。

类星体作为星系的祖先,它的存在形态应该是什么样子呢?它又如何演化成星系呢?根据已有的天体物理学资料推论,维持类星体存在的能量必然不是通常的核能,而只能是更高级对称性相互作用所具有的高能量来维持。因为支持它存在的相互作用已不是核作用所能及。目前理论物理学中,比较成熟的高对称性是色对称,色相互作用的能量最高,也就是色力最强,是比核力更强的作用。量子色动力学[4]为我们提供了理论基础,它描述了色作用的原理,及各种强子对称性理论[5]。在此核力已不是基本的,它只是强子间的色范德瓦尔斯力是强子内部夸克间巨大色力的残余。

我们有理由推论类星体内部苛刻的物理环境条件,可能是存在自由、显著的色相互作用。也就是说存在着在实验室是无法看到的“自由夸克”,类星体内部存在自由夸克,并且随着相互作用能量的降低,高对称性相互作用破缺为低对称性相互作用,高对称性中传递作用的粒子破缺演化为低对称性中传递作用的粒子。由类星体中心向外部形成不同对称性所对应相互作用的粒子存在区域,这些区域有些是相对变化的区域,有些是相对稳定的区域。变化的区域往往发生高对称作用粒子破缺演化成低对称作用粒子。

假设类星体可能存在五种类型的作用区域:类星体中心(黑色)、Ⅰ区(黄色)、Ⅱ区(红色)、Ⅲ区(蓝色)、Ⅳ区(绿色)。    示意图如下:

类星体作用区域示意图

中心是稳定作用区,Ⅰ区是变化作用区,Ⅱ区是稳定作用区,Ⅲ区、Ⅳ区是变化区。必须指出,Ⅱ区可能是最原始原子的产生区,这种原子是高对称性的混沌状态,就是未出现正电性的原子核与负电性的核外电子,而且是电中性的粒子。借用中国古人:“阴阳未分之混沌谓无极”的思想,称其为“无极原子”。同样Ⅳ区里面这种无极原子已开始演化产生具有正电性原子核与负电性核外电子而又电中性的原始原子和元素,也借用在古人“无极而太极”之意,称其“太极原子”,这样便于我们逐个区域的解释和描述类星体的演化过程。

我们假定类星体中心是相对稳定的作用区域,可能存在自由夸克及色相互作用或更高能量的作用力,那里的作用能量可能达到1017GeV以上(统一场论的现象有可能在此发生)。强相互作用及电磁作用不存在,它们因被统一而无影无踪,同时它们的作用粒子也不存在。色力是统治这一区域的主要作用力,Ⅰ区是不稳定的作用区,它是比中心的作用能量低的变化作用区,因为作用能量低,所以已不能维持色作用,所以色对称性发生破缺,演化成较低级的强相互作用,自由夸克在此区域“隐聚”,隐聚就是自由夸克因能量降低而被迫相互结合,形成非色作用的强子的过程。其实,隐聚作用是一种衰变过程,这个过程是不可逆的,它使色作用的主导地位丧失,并演化产生强相互作用,产生各类高对称性强子[6] ,这里也可能产生磁单极子,这个区域是发生自由夸克隐聚的变化区域。Ⅱ区是作用能量比Ⅰ区要低的稳定作用区,Ⅰ区中产生的各种粒子在此形成比较稳定的相互作用,色作用被禁闭而消失,这些粒子的相互作用中是以强相互作用为主导,各类自由强子是稳定存在的,形成稳定的高对称性强子作用区,并且产生无极原子,它相当于一个中子团。Ⅲ区是比Ⅱ区作用能量要低的变化作用区,各类高对称性强子发生衰变,衰变强子和衰变磁单极子演化形成能量较低的相互作用,出现超强射线和超强电场及超强磁场,在这里强相互作用处于极不平衡状态,衰变过程非常猛烈,Ⅲ区是类星体表面爆发物存在区,强相互作用的崩溃,类星体在高速自转中向四周空间爆发大量物质,爆发物质规模巨大,而这些爆发物就是原始星系中原始恒星的祖先,爆发物的运动速度很高,所处状态复杂。Ⅳ区是类星体外部相互作用区,它也是不稳定作用区,并且没有明显的范围界线。这里的作用能量比Ⅲ区的低,电磁和化学作用的产生已成为可能。原始原子的产生也成为可能,Ⅳ区这时产生的是高对称性的原子,也就是太极原子,它们是现在原子的原始祖先。它们的性质与实际存在的原子极不相同,因为电磁作用还很弱,它们也不是化学意义上的元素和原子。以上现象阐明类星体其实就是星系的“胚胎”,而这个“胚胎” 经过漫长地时间和复杂地演化过程才渐渐形成原始星系直至演化成现在的星系。

三、论元素的演化

类星体演化的同时产生高对称性的原子,即太极原子,它们与现在实际组成我们世界的原子,无论是物理性质还是化学性质及内部结构有很大的不同,在规定为某原子为何种元素时,虽然也是根据原子的核外电子排布及核电荷数来确定的,但已不是一般意义上的办法,因为这里指的是高对称性原子发生破缺,经过特殊的衰变过程演化成低对称性的原子而形成的,也就是说,低对称性原子的祖先是高对称性原子,即太极原子。这种关系说明了两者的区别与联系。

我们有必要先来回顾一下现在有关原子及其核外电子排布的一般规律,每个电子的行为必须由四个量子数n、l、m、s加以描述,而这些规律是由这四个基本量子数[7]所决定的,具有相同的核电荷数的同一类原子称为元素,元素是相同性质的原子的统称。实际得出可供电子排布的电子层及电子亚层有:

电子层             电子亚层(电子能级)    

R                          8s

Q                      7s      7p

P                  6s      6p      6d

O              5s      5p      5d      5f

N              4s      4p      4d      4f 

M                  3s      3p      3d 

L                      2s      2p 

K                          1s 

虽然8s并未排,但我们可以看出加上8s后,轨道在形式上是一种形式上的对称性。现在实际原子所有电子层的电子数排列表示如下:

一个电子层                      2

二个电子层                   2     8

三个电子层                 2    8     8

四个电子层              2    8      18    8

五个电子层            2    8    18    18    8 

六个电子层          2    8    18    32    18    8 

七个电子层       2    8    18    32    32    18    8 

这种最满排列也存在一种形式上的对称性,但是似乎有很大的缺陷。如果从第二层起最外层都加上两个电子就很圆满了。这就是后文论述的关键问题所在

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