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1、宇 宙 统 一 场 方 程摘要 对宇宙物质的认识，从微观亚原子粒子到整个宇宙，与流体力学的服从Navier-Stokes方程（组）的湍流场比拟，本文提出了一系列与当今物理学绝然不同的观点，在此基础上，建立了宇宙统一场方程。据此，本文还统一了四个相互作用（电磁相互作用，引力相互作用，强相互作用和弱相互作用）和整个大宇宙（包括暗物质,暗能量和黑洞等），合理地解释了当代物理学和天文学的大量的最重大的难题，同时，证明了宇宙的“时间通道”存在的合理性。关键词 广义宇宙时空,相互作用,涡振子,夸克,湍流,暗物质,暗能量,黑洞,时间通道PACC代码 0400, 0450, 0545, 9530L, 9590
2、, 9890当今科学家们想要建立的“统一场论”是统一微观粒子的四个“相互作用”，但本文的宇宙统一场不仅仅可以统一这四个相互作用，而是从微观亚原子粒子到整个大宇宙的完美统一，所以，本文称为“宇宙统一场论”。为什么当今物理学至今不能继承爱因斯坦的遗愿建立统一场呢？作者认为，原因如下：（1）当今物理学基本是线性的，属于线性思维，即使物理学有些非线性解，但人们不了解作者发现的“非线性特性”（未发表）1，因此，理解和处理这些非线性解的方法仍然是线性思维。用线性思维解决不了“宇宙统一场论”，必须用非线性思维，非线性的中国古典哲学为我们提供了哲学基础2。非线性思维是整体思维，而线性思维是局部思维。（2）上世
3、纪初，爱因斯坦与波尔等人的“波-粒”二相性之争表面上是“波动性”和“粒子性”之争，但实质是“流动场论”与“系统论（包括静止场论）”之争。争论的结果是，以量子力学为代表的“系统论”胜利了，并使量子力学至今占住物理学的统治地位，而相对论虽然功不可没，但只是处于辅助地位。因此，爱因斯坦发出了追求“物质的本质”“自然的最终描述”的感叹，他在与英菲尔德合著的物理学的进化（1936年版）中说：“实物便是能量密度特别大的地方，场便是能量密度小的地方。但如果是这样的话，那么实物和场之间的区别，与其说是定性的问题，倒不如说是定量的问题。把实物和场看作是彼此完全不同性质的两种东西是毫无意义的，我们不能想象有一个明
4、确的界面把场和实物截然分开。”这里，爱因斯坦所说的“实物”就是粒子，他所追求的“场论”应该是有连续介质（“能量密度小的地方”）的“流动场论”。“流动场论”的特征是以速度向量为主、以有关标量为辅的、用含有速度向量对时间坐标的全微分项的、非线性的偏微分方程组表示的流动场，而“系统论”的特征是用常微分方程、波动方程和薛定鄂方程等表示的相对静止的点或点群的振动（或波动），尽管有“场”，但如电磁性的“量子场论”“标准模型”一样，没有介质。“流动场论”不仅表示连续介质的流动，而且也包括流动的连续的点或点群的振动（或波动）。对微观世界和广袤大宇宙的统一整体的研究，必须用这种非线性的连续介质流动场论，因此，仅
5、用相对静止的属于系统论的量子力学，不可能建立统一场论。（3）“超弦理论”已发展为当今物理学的前沿主流理论之一，这种理论认为，任何粒子之中都有一根“弦”在振动，“弦”可以被截成许多小弦，可以两头对接为“圈”，弦的各种复杂振动可在超几何的10维空间中表示。“超弦理论”涉及较复杂的几何学和其他数学前沿，因此，形成了用数学的抽象思维代替具体的物理意义的局面，虽然它表面上研究的是“量子”并牵强附会地解释当代物理学的某些“难题”，但它的深奥内容更多的是抽象数学，而不是具体的物理学。这种用数学代替物理学的先例始于爱因斯坦，这就是他的广义相对论的纯几何引力场方程（后面将指出它的缺陷并用“宇宙统一场方程”描述包
6、括引力场的全部统一场），所以，仿照爱因斯坦，不仅物理学家，而且,许多著名数学家纷纷涌入这一时髦领域，形成了一股世界潮流。作者认为，数学永远是物理学的“工具”，研究物理学，主要是研究具体问题，数学的抽象是必要的，但必须与具体的物理实质相结合，因此，这种用数学代替物理学的潮流是错误的。而且，“超弦理论”主要属于相对静止的“系统论”，对上述严格意义的非线性“流动场”，数学家们似乎不肖一顾。长期以来，由于在数学上没有解非线性的Navier-Stokes方程的方法，使当代物理学的“流动场论”停步不前，形成了物理学的严重危机，当今的主流数学家们似乎没有注意到这也是可怕的“数学危机”。现在，当人们议论“非线
7、性科学”的进展时，往往只指相对静止的“非线性系统论”，好像没有“非线性流动场论”一样。因此，用这种静止的，片面的线性思维方式同样不可能建立统一场。作者认为，要更快地发展物理学并迅速解决当代物理学的许多危机，必须把“非线性流动场论”（包括“系统论”）大力发展起来，整体地描述从微观粒子到整个大宇宙的“宇宙统一场”。本文就是用这种整体思维的方法描述“宇宙统一场”的一种尝试。其主要内容是：将微观粒子和整个大宇宙与流体力学的非线性湍流场进行比拟；假设宇宙的流动介质是“涡振子”，整个宇宙都充满了连续的流动的涡振子，涡振子可被视为流场的“质点”，但又是“涡”它必有波动性，而不是相对静止的抽象的点和点群的振动
8、（或波动）或点粒子中的“弦振动”；这种流动的“涡振子场”可以被量子化，但不仅仅是相对静止的电磁场的量子化。下面，根据我们对微观世界和大宇宙的了解来建立这种非线性的“宇宙统一场方程”，并根据流体力学比拟和该方程，本文将指出微观粒子，包括电子、光子、夸克、质子、中子的立体结构模型和夸克禁闭的原因，指出微观粒子、暗物质、暗能量和黑洞如何组成统一的大宇宙；特别指出没有宇宙大爆炸，我们这个可见宇宙外还有更大的宇宙“天外有天”。不过，在建立“宇宙统一场方程”之前，必须建立一套不同于流体力学（属牛顿力学）的流场，也不同于“量子场论”的、可称为广义宇宙统一场的新机制，即物理学的崭新机制。1， 宇宙统一场的结构
9、流体力学的湍流场比拟作为“量子力学”奠基者之一的海森堡在世时曾说：他希望死后上帝能给他解释湍流运动。原来他已预感到，不仅可用湍流的湍涡比拟微观粒子，而且可用湍流场比拟宇宙统一场。当今“理论物理学”早就有用流体力学作比拟的先例，例如“孤立子理论”。作者发现，所谓“孤粒子”并不是该理论所谓的“孤立波”，而是“孤立涡管”，该理论用“孤立波”（或“孤立涡管”）比拟微观粒子，比如光学孤子，并成功应用于光学通讯的实际。在流体力学3 中有“位势场”，“无旋场”，“有旋场”和“湍流场”，现有流体力学理论基本是分别讲述这些“流场”的，没有有机统一起来。这是因为现有的流体力学没有根本解决湍流场，关键是没有解开非线
10、性的Navier-Stokes方程。当今流体力学的湍流理论是将该方程简化，将一个未知数分解为两个未知数，即平均值和脉动量，这样，一定使仍然是原方程数的方程组不封闭，很难处理这种方程组的封闭问题，有些处理方法甚至不伦不类。即使有些简化的非线性方程，但因在数学上没有解非线性偏微分方程组的理论，则也只能得数值（近似）解，因此，用传统的湍流理论只能了解湍流问题的一些局部现象，不能解决湍流的本质，更不能达到上述四种“场”的统一。很久以前，作者找到了非线性的Navier-Stokes方程的解法，进而可以得到湍流问题的解析解，可以合理解释湍流的发生机理。这样，就把上述四种“场”统一成一个场。在数学和物理学中
11、，只有前三种“场”，而没有湍流场，这是因为湍流场是一个非线性流场。作者的这些流体力学论文尚未发表。在流体力学的三维空间（场）中，有两种流动速度，一是有势速度，一是有旋速度。假设j是位势函数（j不是机械的位势能），那么，用其梯度（1.1）表速度向量，其中，i,j,k是坐标x,y,z轴方向的单位向量，这里取“-”号表速度向量从高j指向低j。j的量纲是，是某种动量矩的量纲(本文没有质量的概念)，因此，位势函数j是标量，可称为扭量，不是旋度向量。如果，即速度向量，那么，j就是一个绝对静止和均匀的，没有方向的标量场，可称为“原始位势场”，在这个场中，时间、空间和因果关系都没有意义。有势速度向量就是无旋（
12、或有势）层流，亦即（1.2）根据数学定理，无旋层流场可包含多个位势场（含原始位势场），无旋层流就是有势流。如果有另一速度向量的旋度不等于零，即（1.3）那就是有旋层流，有旋场不是有势场，即有旋层流不是有势流或无旋层流。无旋层流（有势流）速度向量和有旋层流速度向量的合成向量（1.4）可满足非线性的Naver-Stoks方程（组）。这样，时间，空间和因果关系开始完全生效，因此，时间、空间和因果关系是相对的。更进一步，如果我们对非线性的Naver-Stoks方程（组）求湍流解，那么，我们会发现，流场中不仅有无旋层流（含位势场）和有旋层流，而且还有复杂的湍涡，这就是湍流。湍涡也是有旋层流。虽然有旋层流
13、和无旋层流（有势流）并行满足Naver-Stoks方程（组），但在三维线性空间中，它们好象互不相干，但下面将指出，在4-时空的非线性宇宙统一场中，它们的能量可以互相转化。根据作者对湍流问题的研究，湍流场的定义是：“湍流的特征是流场的某区域有许多湍涡，湍涡是两端非线性自封闭或环形封闭的微小涡管，此区域即湍流区域。在一个流场中可包容多个相互独立并相隔一定间距的湍流区域，不仅一个湍流区域之外包围着有旋层流和无旋层流（含位势能），而且在微小涡管之间也夹杂着部分有旋层流或无旋层流（含位势能），这些流（包括涡管）之间没有绝对的界面将它们分隔，它们是连续的流动介质，而且不停地相互交换能量，因而，这些微小涡管
14、具有不同的随机变化的形状、尺度、方向和涡管强度，它们不仅有较稳定的拟序结构，而且有杂乱无章和自生自灭的微小涡管；单个涡管之间可以交换能量，但不能无条件地任意交换位置，一般来说，湍流区随流场一起流动。”作者在研究形成湍流的“转捩”过程时发现，当涡管与涡管在侧面接触时，在两涡管断面涡旋之间要发生“异旋相消、同旋相涨”的相互作用。见图1；异旋相消（如图1.a）的结果是，两涡管之一被截断并同时产生有旋层流，或者，两涡管全被截断，并同时产生无旋层流（含位势能），这就是湍流研究中称为“喷射”的罕见现象，被截短的涡管在截断端能非线性自封闭；同旋相涨（如图1.b）的结果是，产生许多断面更小的涡管。如此继续相消
15、相涨下去，形成各种湍涡、各种湍流区域和整个湍流场。以上就是上述四种场的统一。诚然，流体力学属于牛顿力学。图1 涡管断面流线间的相互作用：a 异旋相消；b 同旋相涨。根据湍流发生机理，涡管的断面流线（涡旋）有两种类型：（1）汇流式涡管断面，如图2所示，其中心一定有一个汇流圈，是湍流中最大或最小的涡管，大者如非对称“涡街”的涡管，小者如那些时生时灭者，图1.b的“同旋相涨”所形成的就是这种小涡管。（2）封闭式涡管断面，封闭流线可以是圆（图3.左），也可以是任意封闭曲线（图3.中），这种封闭式断面的涡管是汇流式断面发展而成，比较稳定，如湍流定义中所谓的“拟序结构”。值得注意的是，这两种涡管断面的中心都有汇流圈，只不过是“圈”的大小不同而已。 图2 图3如果用流体力学的湍流场对大宇宙进行比拟，可以认为，整个宇宙是一个大能量流场，是一个没有空隙的连续体，它有四种场结构，即“位势能”，“无旋层流”，“有旋层流”和“湍涡”，由它们构成了宇宙统一场。在微观世界，可以像孤粒子理论用孤立波（实际是涡管）比拟微观粒子一样，用湍涡比拟各种微观粒子，显然，这些粒子（或涡管）内部都是流动的“涡旋”，不是坚实的颗粒，也不是一个“点”。湍涡之间还夹杂着“无旋层流”（含“位势能”）和“有旋层流”，也就是微观粒子在连续介质场“无旋层流”（含“位势能”）和“有旋层流”中流动，不仅有涡动（波动）
