物性论与场论

chensx3810

物性论与场论
陈叔瑄

《物性论-自然学科间交叉理论》认为场或场质是物质的一种形态，是一种不同于实物的物质高速运动状态。可按流体力学欧拉描述法与朗格拉日描述法分别描述场与场质运动状态，因为场质实际上是高速运动物质的流动状态，而场又是场质流态另一种较方便数学描述方式。场论是描述场，尤其是电磁场的方便而基本的数学工具。物性论赋予更深刻的物理意义，在物性论看来，场质流动状态可以用其流动的质量变化率或质量密度变化率参量来描述，而场描述时把这个质量变化率参量看成参考坐标系上几何点上描述参量A之一。场论就是描述这些连续物质几何点的梯度、散度、旋度等数学方法。
场的一个几何点可以同时存在好几个参量，并按各自规律变化着，这是因为高速运动的场物质不相干性，各种场物质各自独立，如万有引力场、电磁场、光、热、强作用、弱作用等。但场或场物质与实物运动间密切相关的，因为实物是由原子、分子及其周围场质组合组成的，实物对其周围场质来说是源或归宿。相当光源是光量子的发射源类似。某类型运动的场用该类型场参量定义的能密度来描述较方便，如磁场能密度w=HB=μH²或电场能密度w=DG=εG²或电磁场能密度w=μH²+εG²来描述。
一、磁性微涡旋结构与电的关系
任何实物的原子、分子都是平衡稳定的微涡旋体及其组成的，而微涡旋体一方面浓缩物质与弥漫物质交换平衡交换中成体的，交换生成更小微涡旋主要构成磁场质，使得原子、分子内壳粒与原子核等都具有磁性，并组合成复杂的磁性材料。即一个元素原子实际上是一个原子核与众壳粒复杂磁性系统，可以按材料宏观性质分为逆磁性、顺磁性、铁磁性材料。周围场质强度跟其能量密度密切相关的，磁场能密度为
w=HB=μH²
单位为克/厘米•秒平方，B为磁感应强度，单位为1/秒，B/μ=H为磁场强度，单位为克/厘米•秒。
微涡旋组合而成的元素原子、分子又由于壳粒数及其分布、联结松懈紧密情况不同，即壳粒脱离易难程度不同，磁性变化易难程度不同，所生成电性不同。易脱离壳粒意味着磁性易变化的材料，电产生于磁场的变化，也就是说导电性愈好。按材料壳粒脱离易难程度或磁性改变易难程度可分为导体、半导体、绝缘体等。导体壳粒易受外磁场影响，并感应其壳粒随着产生（相反）涡旋运动。这类属性在外磁场中运动或外加电压下易生电。生电的电场能密度为w=DG=εG²
G为电场强度，单位为厘米/秒平方，D=εG为电位移强度，单位为克/厘米平方。
物体材料及其原子、分子是微涡旋组合体，即磁性组合体。不同组合构成逆磁性、顺磁性、铁磁性等不同材料。不同组合构成壳粒脱离难易程度不同的绝缘体、半导体、导体、超导体等材料。这些材料可以根据电路上性能需要制成各种各样器件，如电阻、电容、电感、互感、晶体管、二极管、芯片等，这些器件可组合成通电时产生一定功能的电路，如电磁震荡器、放大器、整流器、检波器、调制解调器、各种门电路、触发器等等。
二、磁场对导体运动的发电作用
磁性材料周围磁场强度或磁感应强度B可以用场质流速A（单位为厘米/秒）涡量
rot A=B=μH
来定义的。根据场论推出，其散度为零。麦克斯韦方程（4）不过是定义按场论性质的推出
div B=div rot A=0
它易对导体中壳粒产生磁性感应，并作相应涡旋运动状态。涡量移动
dB/dt =d rotA/dt=rot dA/dt=-rot G
则产生电场涡量。为麦克斯韦方程（1），其中电场强度定义为
G=-dA/dt
易脱离导体材料的壳粒具有磁性，在外磁场作用下，感应磁性的微涡旋运动。移动时这些微涡旋在其构成同向侧与反向侧，同向侧趋向反向侧，产生涡量流动。磁场强度或场质涡旋量的变化率可以化为电加速流量的涡量，即电场强度的涡量。
D=εG
div D≡4πσ
电位移场的散度为电荷量密度σ=q/V，这跟场论一致的。从单位来看，电荷是场的质量改变量。可见，上式的麦克斯韦方程（3）实际上是对电荷或电荷密度定义。
如果导体与外磁场在外力作用下相对运动，导体内微涡旋与此运动同向侧趋向反向侧，迫使壳粒移动，是产生电流或电动势的根源。实际上是涡量同向侧向反向侧的流动，而形成了电流或电动势，即机械能转化为电能的发电机制。如磁场向书面，导线沿书桌面前后放着，导线壳粒在外磁场作用下感应磁性，若导线从左到右移动，前为同向侧，后为反向侧，壳粒由后向前移动。电流规定与壳粒运动相反，满足右手定则，即右手掌迎向磁场，大姆指的指明导线移动方向，四指为电流方向。如果电路构成一个回路，对于外电路来说，产生了电流出来一端为正，进入一端为负的电动势。
发电机是产生电动势或电流的基本机械设备，可以分为直流发电机与单向交流发电机、三相交流发电机，工业上为了降低热消耗与电磁辐射消耗，多半采取三相交流发电机。线路两端加一电动势，使之通电的设备为电源，它除发电机外，还有电池等。发电机是迫使磁体与导体相对运动，即机械能转化为电能过程。而化学电池是把化学能转化为电能的过程。
三、磁场对电流载体的电动作用
导体材料电流或脱离原子的运动壳粒，其周围离心加速场质重叠上壳粒中心加速，其前沿加速同向增大，速度减少浓缩趋势，而后沿相反，形成后沿往前沿环形磁场。如一条导线壳粒热运动，在外电动势作用下移动所构成的电流，并在其周围形成环形磁场
4πI=∮H dι
4πj=rot H
这是导线中的电流在其周围产生的环形磁场的积分与微分表达式，是麦克斯韦方程（2）的表达式。其中I为电流，单位相当于速度。J为导线单位面积通过电流的电流密度。这说明麦克斯韦方程（1）、（2）才真正具有定律性质的方程式。麦克斯韦方程（3）、（4）不过对电场与磁场性质的定义表达式。
电流愈大，环形磁场愈强。如果平行两根导线通以同向电流，产生外侧同向环形磁涡量重叠而具有弥漫趋势，而邻侧反向环形磁涡量重叠而具有浓缩趋势，外侧趋向邻侧靠近趋势，即出现两导线‘相吸’的现象。平行两根导线通以反向电流，产生外侧反向环磁涡量重叠而具有浓缩趋势，而邻侧同向环磁涡量重叠而具有弥漫趋势，邻侧趋向外侧离开趋势，即出现两导线‘相斥’的现象。可见物性论对电磁与场论解释不同于现有的电磁学，完全是从场物质运动状态及其重叠不平衡趋势引起的现象。
同样地，外加磁场与导体中电流所产生的环形磁场重叠，也会迫使导线运动。如放置通以从前面流至后面电流的导线在桌面上，那么导线周围左边从桌面出来而右边从桌面进去。若外磁场指向桌面，右边磁涡量同向重叠而具有密度降低弥漫趋势，左边磁涡量反向重叠而具有密度提高浓缩趋势。右边同向侧重叠趋向左边反向侧运动趋势，即导线从右边往左边运动或对导线有由右向左的作用，满足左手定则，伸出左手掌迎向磁场，四指指向电流，垂直的大姆指则指向力或导线运动方向。达到电磁能转化为机械能，是电动机结构的基本原理。
四、物性论与场论其它问题
场论的梯度可由导体相对磁场运动时，磁涡量（微涡旋）在导体运动方向的两侧面分别重叠上相反速度，使涡量沿着侧面移动或侧面作用力而构成电动势或电压。其大小主要决定于磁场强度与运动速度（或作用力），甚至线路长度或布局等。这个电动势对于外电路来说提供了电压（也可表达为趋势的力作用）U，在同一的外电路所形成的电流I通常成正比，比例系数称为电阻R，即如欧姆定律
U=IR
其中电压单位与力相当，为克•厘米/秒平方，而电流单位为克/秒=安培，电阻单位为厘米。功率或电磁能变化率N可表达为

N=IU=I²R
功率单位是克•厘米平方/秒立方。总之《电磁体的运动与控制应用》基本原理适用此文场论。
由于电的暂态性，采取交流发电与电动比直流效果要好些，效率要高些，因此电磁主要应用于电力的能量传输转化与广播通讯信息的两大领域基本采取交流电方式。可以通过电路器件适当有机组合来改变电磁高低压（变压器）或频率（整流器与变频器）。电力变换传输只要在高压低频率情况下以最大限度地减少热消耗与电磁辐射消耗。而广播通讯，尤其是无线电广播与通讯则需要高频以求最高效率辐射传播，电磁频率低传播中易被大气等吸收，传播距离较短，因此长距离广播通讯多半采取高频的短波。
五、场的物质性
场的物质性决定场或场质具有质量（单位：克g或千克kg）、能量（单位：克•厘米平方/秒平方g•cm²/s²或千克•米平方/秒平方kg•m²/s²）、质量密度（克/厘米立方g/cm³或千克/米立方kg/m³）、能量密度（克/厘米•秒平方g/cm•s²或千克/米•秒平方kg/m•s²）等。而电磁场或电磁场质同样具有物质性，电场能密度w=DG=εG²与磁场能密度w=HB=μH²都应具有上述能密度单位，而其它单位应建立在此基础上，当A定义（如流量、流量密度、流速）不同，其它单位就随之而定。有几种可供选择，并列表如下：
A           kg/s（g/s）        kg/m³•s       m/s（cm/s）
rot A=B     kg/m•s（g/cm•s） kg/mm³•s       1/s（1/s）
G=-dA/dt    kg/s²（g/s²）      kg/m³•s²     m/s²（cm/s²）
H=w/B       1/s（1/s）         m³/s      kg/m•s（g/cm•s）
D=w/G       1/m（1/cm）        m²           kg/m²（g/cm²）
q=σV       m（cm）                                 kg（g）
I=dq/dt     m/s（cm/s）                         kg/s（g/s）
μ=B/H      kg/m（g/cm）                         m/kg（cm/g）
ε=D/G      s²/m•kg（s²/cm•g）      kg•s²/m³（g•s²/cm²）
表中三种A不同意义，所得结论其它参量意义也有所不同，最合理应是第三种定义。如本文所述，A为流速，电荷为质量（或总能）递增或递减量度，递增为正，递减为负，电场强度负号表示电场方向习惯规定与加速流态方向相反。

参考资料
1、《物性论-自然学科间交叉理论基础》 陈叔瑄著  厦门大学出版社1994年12月出
2、《物性理论及其工程技术应用》 陈叔瑄著  香港天马图书有限公司2002年12月出版
3、《论基本粒子基础问题》  陈叔瑄著  《科学（美国人）》1998年7期
4、《思维工程-人脑智能活动和思维模型》 陈叔瑄著  福建教育出版社1994年6月出版