光斥力論,指的是光對空間自由帶電粒子[2]的斥力。
基本介紹
- 中文名：光斥力論
- 簡稱：“斥力論”
- 定義：光對空間自由帶電粒子[2]的斥力
- 提出人：魏鼎文
- 想法誕生時間：1953年
- 啟發：三個“未解之謎”
簡介,想法的由來,三個“未解之謎”的啟發,“斥力論”核心思想的提出,
簡介
“斥力論”是“光斥力論”的簡稱，我認為在宇宙空間裡存在一個新的力，這種力就是光的斥力，在宇宙這個尺度上它與萬有引力相對抗構成對立的統一，推動著很多重大自然現象的發生、變化和發展。
想法的由來
“斥力論”基本想法的誕生，大概要追溯到1953年的春天。當時我在南京大學氣象學系讀書。有一天我躺在南京大學東南大樓的草坪上，看著一片片雲彩飄過，突然一個疑問跳進我的腦中：“大氣的外緣到底是什麼樣子的呢？”。
從地理學角度來講，地球可分為四個比較公認的範圍：大氣層、生物圈、水界和陸地。由水界和陸地組成的地球的外輪廓基本上是圓的。那么大氣層呢？大氣的外緣應該是什麼樣子的呢？這個問題教科書上並沒有答案。
所以氣象學專業的我就對此產生了興趣。地球大氣層應該有個外緣或者有一個過渡帶，過渡到星際空間，不可能一直是模模糊糊的，沒有分界。當時我就想光線也許是促成這個分界產生的一個原因。
最開始，我希望用“光壓”來解決這個問題。所謂“光壓”，即是射在物體上的光所產生的壓力。其實陽光照在身體上時，我們不僅會感覺發暖，也有壓力，只是因為人的感覺器官的限制而感覺不到而已。因此光的壓力有可能對地球外緣的大氣邊緣產生力的作用。但是它的量值實在太微小了，隨著歲月的推移，我就把它放棄了。
地球的高層大氣一定是電離的，屬於帶電粒子，就是後來我們稱之為電漿的東西。這時我腦子裡就產生了“光和空間帶電的粒子有可能存在一些關係”的想法，並為此寫出了一篇論文。當然那篇論文是很幼稚的，但其中的思想，光和空間自由帶電粒子之間有關係，在我腦子裡是扎了根的。
1954年從南京大學畢業後我被分到了當時的中國科學院地球物理研究所[3]，從事的工作就是對於大氣臭氧層的觀測和研究。但是我對那個疑問還是念念不忘，仍然在考慮著。
三個“未解之謎”的啟發
到了20世紀50年代末期，隨著宇宙火箭的發展，對於地球高空的探測有了不少新的發現，但也遇到了新的難題。其中3個在20世紀五六十年代初期發現的但至今還沒有準確科學解釋的現象，對我形成“斥力論”的基本思想起了很大作用。
太陽風起源與加速之謎
“太陽風”一詞是在20世紀50年代由美國天文學家尤金·派克（E.N.Parker）提出的，但直到60年代才證實了它的存在。太陽風是20世紀空間探測的重要發現之一。經過五十多年的探測研究，我們對太陽風的物理性質有了基本了解，但是至今人們仍然無法解釋，太陽風是如何起源和怎樣加速的？太陽風又是怎樣得到能量供應的？這幾個問題是空間物理學領域中經長期研究仍懸而未決的基本課題。
為了了解這個謎題，我們先來重新認識一下太陽。“萬物生長靠太陽”，如果沒有太陽，地球上的一切都將化為烏有，所以陽光、空氣和水是一切生物存在的必要條件，當然也包括我們人類。
太陽的結構（示意圖）
但太陽不但可以給我們光，太陽每天還不停地從日冕[4]射出超聲速電漿（帶電粒子）流，這就是太陽風。
太陽風是一種連續的存在。這種物質雖然與地球上的空氣不同，不是由氣體的分子組成，而是由更簡單的比原子還小一個層次的基本粒子——質子和電子等組成，但它們流動時所產生的效應與空氣流動十分相似，所以稱它為太陽風。當然，太陽風的密度與地球上風的密度相比，是非常非常稀薄而微不足道的。一般情況下，在地球附近的行星際空間中，每立方厘米只有幾個到幾十個粒子。而地球上風的密度則為每立方厘米幾千億億個分子。
太陽風雖然十分稀薄，但它的猛烈勁卻遠遠勝過地球上的風。在地球上，12級颱風的風速是每秒32.5米以上，而太陽風的風速，在地球附近卻經常保持在每秒350～450千米，是地球風速的上萬倍，有時可達每秒800千米以上。
太陽風有兩種：一種在太陽寧靜時也會持續不斷地輻射出來，速度較小、粒子含量也較少，被稱為“持續太陽風”，上述的太陽風就屬於這種類型；另一種是在太陽活動[5]時輻射出來的，速度較大、粒子含量也較多，這種太陽風被稱為“擾動太陽風”。當特大太陽耀斑爆發時，粒子的速度可達每秒20000千米的量級，人們稱之為“太陽宇宙線”。當它抵達地球時，會嚴重干擾電離層[6]，這樣就會造成通訊的中斷，而這種中斷是非常可怕的，會使一些靠指南針和無線電導航的飛機、船隻一下子變成了“瞎子”和“聾子”。同時還引起很大的磁暴[7]與強烈的極光等，對地球、對人類的生活都會產生很深刻的影響。例如1989年曾因強烈的耀斑現象而造成地球上大面積停電。
這裡，我們最關心的問題是：太陽風是如何形成的？這些帶電粒子是怎樣克服太陽的巨大引力並達到那么高的速度的？它們是如何得到能量供應的？這些問題對於人類仍然是個謎。
但於我而言，對以下三個現象我進行長期的深刻思考：①組成太陽風的物質是帶電粒子——電漿；②粒子運動的方向與太陽引力的方向相反，而且基本沿著光線傳播的方向；③強大的太陽光波始終是粒子流的穩定伴侶。據此，我的思想又回到了1953年最初的原點上，即“光線和空間自由帶電粒子之間一定有密切關係”。進而我想到了它們中間一定會具有一種力的作用關係，就是光對空間自由帶電粒子有一個斥力的作用，而且這個概念隨著之後的研究進一步加強了。
高層大氣溫度突然上升之謎
當時在地球物理學界又發現了另一個謎題。
地球的大氣層垂直結構大致可分為對流層（0km～7至11km）、平流層（7至11km～50km）、中間層（50km～80至85km）、暖層（80至85km～800km）及散逸層（800km～2000km至3000km）。
地球大氣層結構（示意圖）
在20世紀60年代，依靠衛星探測器，人類首次發現地球的高層大氣（也就是暖層）的溫度會持續升高，而且在白天時最高溫度可以達到2500℃。而高層大氣是被什麼加熱的？這個能源是什麼？為什麼能達到這樣的高溫？
大氣溫度隨高度的分布曲線
從上圖能清楚地看到隨著大氣高度的增加，溫度有3個拐點，並且在300千米以上會明顯地向上遞增。
最接近地面的大氣層是對流層，它的溫度主要靠地球的熱輻射，因此隨高度的升高而降低，每上升100米，溫度下降約0.6℃。
在對流層之上就是平流層。它含有臭氧,具有吸收紫外線功能，保護地球上所有生物的生存和地表免於受陽光中強烈的紫外線致命的侵襲。因為在它內部的臭氧層有吸收太陽輻射的功能，在此層的氣溫會隨高度增加。這是圖中的第一個拐點出現的原因。
再往上是中間層。此層主要成分有臭氧、氧、二氧化碳、氮的氧化物。因為臭氧的比例在這一層會迅速減少，溫度也會隨之降低。所以我們看到圖中的曲線出現了第二個拐點。
繼續往上是暖層，此時已經離開地球表面八十多千米了（圖中的第三個拐點處），既受不到地球自身的熱輻射，也沒有臭氧來吸收紫外線的能量，但大氣的溫度又一次上升了，而且隨著高度的增加，開始呈現出一條迅速上揚的曲線。
經過科學家的認證，在地球上空300千米以上就沒有傳統意義上的空氣了。那個高度以上大氣的電離程度越來越高，以氫原子的電離為主。科學家也完全證實，在300千米以上不會有大氣來吸收熱量，而且也不會從地面吸收到熱量。同時，科學家也證明了在地球中低緯度上空的高層大氣也不可能從太陽風那裡獲得能量。那么這個能量是從哪來的呢？
20世紀60年代由人造地球衛星測得的高層大氣溫度的晝夜分布數據，使得這個疑問變得更加撲朔迷離。
高層大氣溫度的衛星觀測值。實線為白天值，虛線為夜間值
從上圖可以看出高層大氣的晝夜溫差變化很大。白天溫度很高，在下午14時會達到極大值；晚上又變得比較低，大約在凌晨4點達到最小值，而且基本不隨著高度的變化而變化，近似於一條直線。
這些都是觀測得到的數據，也就是說都是實際發生的。為什麼會有這么大的晝夜變化呢？這一定是跟太陽光線有關係的，因為白天有太陽光而夜裡沒有，這是我腦海中閃過的第一個念頭。所以我就想到，因為地球高層大部分是帶電粒子，假如光線能夠對那裡的帶電粒子產生斥力的話，那就會給粒子一個動力。溫度的升高實際上是表示能量的加大。光的能量傳遞給了粒子，再通過高層大氣粒子間的碰撞，包括與中性粒子的碰撞，就相互傳遞了能量，那么必然會使那裡的大氣溫度升高。這就是給予我啟發的第二個重大自然現象。
原始宇宙線起源之謎
第三件給與我啟示的自然現象就是“原始宇宙線的起源問題”。
宇宙射線（簡稱為宇宙線），指的是來自於宇宙中的一種具有相當大的能量，速度接近於光速的帶電粒子。因為它是從太陽系之外的宇宙深處而來，所以也稱為原始宇宙線。
原始宇宙線的穿透能力極強，不僅能穿透整個大氣層直達地面，而且還能穿入很深的湖水中。有人通過實驗發現在深達1000米的湖水中仍能觀察到宇宙線所引發的電離現象。這也說明宇宙線具有極高的速度和能量。
一般認為原始宇宙線產生於超新星的爆發過程，但這些粒子由爆炸獲得的初始速度是有限的，在這之後一定有一個二次加速的過程來使原始宇宙射線的速度接近光速。根據愛因斯坦的相對論，一切速度都不可能超過光速。但是強大的宇宙射線為什麼會如此接近光速呢？曾經有人提出過“宇宙加速器”理論，認為是匯集的磁場使粒子加速。不過，後來一直沒由觀測到這種磁場的存在。
但是從這裡我進一步得到了啟發。超新星的特徵就是它能發出極強的光，其最大光度是太陽光度的10～10倍，這種極強的光打到帶電粒子上，就可能對這個粒子產生極大的加速作用。
同時，離我們最近的恆星——太陽也會放出太陽宇宙射線，雖然太陽宇宙射線的強度沒有原始宇宙線大，但也會達到很高的速度。而太陽宇宙射線和大耀斑的爆發是緊密聯繫在一起的，只有大耀斑的爆發才會產生太陽宇宙線，而耀斑顧名思義，是會放射出耀眼的光線的。據科學家的觀測估算，一次大耀斑的爆發可以在幾秒內釋放出10爾格[8]的能量，即相當於2×10噸TNT炸藥的能量。這又使我加強了“光會對空間自由帶電粒子產生斥力，會加速這些帶電粒子”的想法。
“斥力論”核心思想的提出
我所提出的“斥力論”講的是光對空間自由帶電粒子具有斥力作用，會加速它們，會供給它們能量。但這個能量的供給並不是指能量的吸收，而是指一種力的作用，是在自然界內提出了一種新的力。
由上一節的敘述可以看出：“斥力論”的由來並不是首先從數學上先推導得出。而是從觀測結果到思索，再到觀測，再到思索，如此反覆，在實踐中提煉出這一概念。
在科學研究的方法上，提出一個概念是非常重要的，而更進一步的是要把這個概念付諸實施，要來證明它。因此必須把它定量化，所謂定量就是給出計算這個“斥力”的方法和公式。
兩個大膽的假設
想要解釋前人不能解釋的東西，不能只靠已有的知識來生搬硬套。每一次知識的革新，特別是自然科學上的大發現，都是建立在對於傳統觀念的突破之上。所以為了把“斥力論”的理論定量化並證實，我在思想上突破了前人的觀點，提出了兩個大膽的假設。
因為太陽光包含有各種波長的光線比較複雜，所以我首先選擇比較簡單的單色平面光作為研究對象，並提出了第一個假設。
假設一：按光的電磁波理論[9]，在平面單色光波電場的作用下的空間自由帶電粒子亦作相應的周期運動，但其速度位相始終與該電場的位相接近於一致。
什麼叫位相接近一致呢？通俗的說法就是兩者同步。比如說一個人在走路，左腳向前邁一步，右腳再向前邁一步就叫做一個周期。在他的左腳向前邁時，通常左臂後擺，右臂前擺，即右臂和左腳同步，也可以說它們同相位。而左臂和左腳剛好相反，也可以說相位相差π。如果手臂每次循環時間和腳循環時間相同，即所謂周期相同。
波是以周期的方式變化的，兩個波峰（波谷）之間就是一個周期，即2π。那么π就表示半個周期，π/2就表示1/4個周期。如下圖所示：
波的位相示意圖
帶電粒子受到電磁波的作用也是在振動著的。它振動的位相，按照經典的電動力學來說，一定要比電磁波的電場波動的位相落後π/2。這樣粒子受到的洛倫茲力[10]會相互抵消為零。
我提出的假設就是說帶電粒子振動的相位是與擾動它的電磁波的電場相位是同步的，並不落後π/2。這樣，粒子受到的洛倫茲力就不會被抵消，而會沿著波的傳播方向受到一個力的作用。
但這還遠遠不夠，因為太陽光並不是單色光，它含有各種波長的光。從波長很短的X射線，一直到遠紅外線等等，在這么多不同波長的光的作用下，電子會受到怎樣的力呢？
由這個疑問我又做出了第二個假設：幾種不同頻率的光對空間自由帶電粒子的作用力是可以疊加的，或者說光在同一時刻可以表現出電磁波和粒子兩種特性。為了清楚起見，我們對此作了更精確的表述。
假設二：按光的粒子性，當幾種不同頻率的光波，亦即不同能量的光子同時作用於空間自由帶電粒子時，其在斥力上的效應，等效於它們分別作用所引起的能量變化的總和。
要解釋這個假設，就要先介紹一下“光的波粒二象性”。
光具有粒子性的理論誕生於20世紀初，首先由普朗克提出，再由愛因斯坦推進並完善。兩人均因此獲得了諾貝爾物理學獎。這一理論的核心既是說：光是由一種稱為光子的基本粒子組成，並且以光子的形式在空間傳播。但另一些事實表明，光確實又具有波動性。比如在光發生光電效應等現象時體現出粒子性；發生衍射、干涉等現象時又體現出波動性。
我提出的假設中有一點是和前人的理論不相容的。前人的理論認為雖然光具有波粒二象性，但是這兩種特性不能在同一時刻出現。在某一時刻只能表現出其中一種特性。
而在我的假設二中，這兩種特性可以在同一個時刻出現。在“斥力論”的論文發表的過程中，這一假設多次受到了強有力的反對。我一次又一次地加以解釋，因為我認為實踐才是檢驗真理的唯一標準。
有關波動性的假設一，使得粒子受到洛倫茲力的作用；而套用粒子性的假設二，使得不同波長的光所施加的洛倫茲力可以直接加和。有了這兩條假設的突破，我們就可以以數學為工具，嚴密地推導出“斥力論”的核心公式[11]。
核心公式介紹
按照以上兩條假設，可以推導出光對空間自由帶電粒子的斥力公式如下：
如果帶電粒子的速度位相與光波的電場位相完全一致時，公式可以簡化為：
公式中的各個參數代表的意義如下：
“π”是大家都很熟悉的圓周率。
“e”是元電荷電量，即最小的電荷。通常取e等於4.8×10絕對靜電系單位[12]。
“j”是個常數，取決於電離的情況，它可以等於1、2、3、4……。比如j等於1時帶電粒子只帶一個元電荷。
“c”是光速，約等於3×10米每秒。
“m”是帶電粒子的質量，根據粒子的組成不同而不同，但也是一個常量。
積分部分，是表示對波長λ的積分。其中“Sλ”表示在λ波長處，單位波長間隔內的光強；“ω”代表光波的角頻率。因此，公式中只有積分部分是變數，它隨光波長的變化而變化；積分前面的部分都是常量。
有兩點需要說明：第一，第一個公式中的“Ф”是一個針對第一個假設的修正係數。也就是說帶電粒子被激發的 速度位相與光波的位相可能並不完全一致時，那么最前面的係數4π就會產生小小的變化。但“Ф”仍然是一個常量，應該可以通過實驗測出。下面有關所有計算，係數均取4π。第二，公式計算時所用的單位都是絕對單位。最後積分部分計算得到的單位是克每二次方秒（g/s）。
根據20世紀70年代得到的太陽觀測數據，我算出了在地球軌道處，公式中積分部分的結果是0.6×10克每二次方秒。這是一個非常重要的數據，成為之後解釋的太陽風等自然現象的重要依據。
需要額外解釋的一點是光對空間自由帶電粒子的斥力與光的壓力是有本質上的區別的。光的壓力是和光的吸收、反射、折射等聯繫在一起的，光壓力對所有的粒子都會施加壓力。而“斥力論”所定義的光斥力只施加於空間中的帶電粒子。同時通過定量計算的比較，光對空間自由帶電粒子的斥力，比光施加給該粒子的壓力要大幾個量級，所以兩者間是有本質的區別的。
[1]《斥力論——關於一個基本自然律的學說》，魏鼎文著，中國水利水電出版社，2004
[2]帶電粒子是指帶有電荷的微粒，又稱電漿。電漿中的微粒都是帶有電荷的。它是物質在宇宙中最普通的型態，並被認為是物質的第四態，因為它的性質不同於固體、液體和氣體。本文所講的帶電粒子都是指在氣體或空間裡的粒子，而不是在液體或固體裡。
[3]大氣物理研究所是20世紀60年代從中國科學院地球物理研究所分離出來的。
[4]日冕位於太陽的最外層，屬於太陽的外層大氣。
[5]太陽表層各種擾動現象的總稱。包括太陽黑子、日珥、光斑、日冕、譜斑的出沒和耀斑的爆發等現象。
[6]電離層是地球大氣層被太陽射線電離的部分，它是地球磁層的內界。由於它影響到無線電波的傳播，因此它有非常重要的實際意義。
[7]由太陽耀斑引起的地球高層大氣的擾動，同時引起地球磁場的強度和方向發生急劇不規則變化，稱為磁暴。
[8]功的單位，國際符號為erg，1爾格=0.0000001焦耳。
[9]19世紀60年代，英國物理學家麥克斯韋提出電磁場的理論，預見了電磁波的存在，並提出電磁波傳播的速度等於光速，並且提出“光波是一種電磁波”。1888年赫茲用實驗驗證了電磁波的存在，並測得它傳播的速度等於光速，證實了光的電磁波說是正確的。
[10]運動電荷會受到磁場的作用力，這個力通常叫做洛倫茲力，它為荷蘭物理學家H.A.洛倫茲首先提出，故得名。
[11]數學推導過程請參看《斥力論——關於一個基本自然規律的學說》，魏鼎文著，中國水利水電出版社，2004
[12]絕對靜電系單位制簡稱“靜電單位制”，是電磁學中一種以靜電力為基礎的絕對單位制。它選取長度、質量和時間為基本量。基本單位是厘米、克和秒。
