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“真空负压”与“真空能”讨论

(2013-06-01 17:27:41)

真空负压”与“真空能”讨论

 

 杨明昆  王严学  杨昭国 

  (ygyzg@126.com)

 

    《“光子负压”下的“真空能”讨论》已提交,正在处理。现在,我们拟对该问题,进行再讨论。

    1.“光子负压”

    1.1“负压方程”

    爱因斯坦的宇宙学常数或真空能预言状态方程w(压强与能量密度之比值)不随时间而变、且恒为W=-1。〔1〕〔2〕

    若设一个空间内的“能量密度”为ρ0,压强为p,则由w=-1,即w=p/ρ0=-1,亦即p/ρ0=-1,可得“负压方程”:p=-ρ0

    如果在半径为r的球(体积V=(4/3)πr3,π为圆周率)内,拥有的能量为E,那么p=-ρ0=-E/V=-(3/4π)E/r3。即有:

p=-(3/4π)E/r3

    可见,半径为r的球面上的“负压”p,与球内的能量E成正比,与到能量中心(球心)的距离的三次方成反比(图1)。因此,在一个“光子负压球体”中,从球面到球心,“负压”越来越大(指绝对值)。

图1“真空负压”与“真空能”讨论

    1.2“暗光子”

    如果:假设对一个“光子”也适用于p=-ρ0,那么:

    若E、v、p、ρ0、C、f、λ分别为“光子”的能量、体积、压强、能量密度、速度、频率和波长,π为圆周率,h为普朗克常数,则ρ0=hf/v,v=(4/3) π((λ/2)3, λ=C/f,且有:p= -ρ0=-hf/v=-hf/((4/3) π((λ/2)3)=-6hf/πλ3=(-6h/πC3)f4

    若记Q=6h/πC3,则有“单个光子的负压方程”:p=-Qf4。称Q=6h/πC3≈4.696×10-59牛·秒4/米2为“光子负压常数”。

    可见,“光子负压”的大小与其频率有关,频率越高“负压”越大(指绝对值)。一般情况下,由于“光子负压常数”Q的数值很小,在10-59数量级,“光子”产生的“负压”也很小。但是,对于频率达到可见光、紫外线、X射线、伽马射线,特别是高于伽马射线的“光子”来说,其产生的“负压”就不可忽视了。并且频率越高,能量越大,穿透力越强。如高能X射线几乎能穿透所有非金属物,甚至还可以穿透薄铝;而伽马射线则能穿透大多数金属。

    比伽马射线还高的频率,称为“极端高频”。我们推测,“极端高频”的“光子”,可能具有“极端穿透力”:不与任何物质发生除“负压”之外的作用(具有“暗物质”特点!),称为“暗光子”。

(这种“暗光子”可能充满了宇宙,是“光子负压”效应,以及“暗物质”、“暗能量”“作用效应”的重要来源——另文讨论)

    1.3“负压方向”

    “光子负压”的方向,垂直于光子传播的方向并指向光子中心。我们把经过“光子中心”、与传播方向垂直的平面,称为“负压作用平面”(图2、3)。

图2“真空负压”与“真空能”讨论

图3“真空负压”与“真空能”讨论

    一般地,“负压”绕光子传播方向的垂直方向产生的作用力平衡,光子沿直线传播。如果“光子”沿球面作圆周运动,那么“光子负压”垂直于切线(图2、4)。

图4“真空负压”与“真空能”讨论

    1.4“负压作用”

    只有当两个“光子”的“负压作用平面”“重合”(称为“负压共面”或“共面负压”)时,其“负压”之间才有可能发生相互作用。即只有当两个“光子”沿直线平行传播,或者沿“同心球面”传播的时候,“光子负压”才有可能发生“相互作用”(图5、6)。亦即“负压共面”的“光子”才发生“相互作用”、才产生“负压效应”——“共面负压效应”。

图5“真空负压”与“真空能”讨论

图6“真空负压”与“真空能”讨论

    2.“真空能”

    2.1“真空负压”

    在空间中,选取任意两点P和O,P到O的距离为r。

    若设以O为球心,以r为半径的球为⊙O,其体积为V,O点有一史瓦西半径为r、质量为M的质点,⊙O内的能量为E,P点的“负压”为p,G为万有引力常数,C为光速,则有V=(4/3)πr3,r=2GM/C2,E=MC2。所以:

p=-(3/4π)E/r3=-(3/4π)MC2/r3=-(3/4π)MC2/rr2

=-(3/4π)MC2/(2GM/C2)r2=-(3C4/8πG)/r2

    即有:

p=-(3C4/8πG)/r2

    亦即:

“真空负压”与“真空能”讨论

 

    由此可见,“真空”中的任意一点,都存在一种“特殊的”“负压”,这种“负压”的大小与方向可以是“任意的”。

    2.2“真空能” 〔3〕

    爱因斯坦方程为:

“真空负压”与“真空能”讨论

 

    爱因斯坦为了使宇宙能呈现为静态宇宙,在后来又尝试加入了一个常数Λ相关的项“真空负压”与“真空能”讨论于场方程中,使得场方程形式变为:

“真空负压”与“真空能”讨论

 

    也就是:

“真空负压”与“真空能”讨论

 

    其中的“真空负压”与“真空能”讨论来源于“真空能量”,即来源于“真空能”,亦即系由“真空能”产生。

    3.“光子负压”下的“真空能”

    由上述的p=-(3 C4/8πG)/r2和p=-(3/4π)E/r3,可得E=-pV=(3 C4/8πG)/r2﹡(4/3)πr3=(C4/2G)r,即E=(C4/2G)r。

    亦即:

“真空负压”与“真空能”讨论

 

    所以,“真空”中,任意一个球状空间内,都存在一种“能量”——这种“能量”的大小与球的半径成正比(也可以由史瓦西半径公式直接得到)。

    可见,“真空能”在空间中的分布是均匀的:半径为r的任意球状空间中的“真空能”都相等且为E=(C4/2G)r。

    4.“光子负压”下的“真空负压”

    既然半径为r的任意球状空间中的“真空能”都相等且为E=(C4/2G)r,然而“真空”中的任意一点,其“真空负压”的大小与方向,为什么可以是“任意的”呢?

    我们想到了固体金属导体。对于同一种固体金属导体来说,同样长度的这种金属导体,其内部的自由电荷可以认为是一定的并且是相同的。在一般情况下,金属内部电荷的运动是随机的,金属两端的电压是零。如果我们有能力在金属内任意地分离、搬运、保持电荷,并将其内部任意量的两种电荷保持在金属的两端,那么在金属的两端就可以产生“任意的”电压——假设我们有能力这样做。

    可能是同样的理由,导致了任意球状空间中的“定量”的“真空能”,却可以产生“任意的”“真空负压”!

    任意球状空间中的“定量”的“真空能”,在一般情况下,其内部的“能量”——我们认为就是“暗光子”,运动是随机的,他们的“负压作用平面”也是随机的,并不能产生“负压效应”(如图7)。如果有一种让他们的“负压作用平面”“共面”的能力或机制,那么他们就可以表现出“与这种能力或机制相应”的“负压的大小和方向”(如图8)。

图7“真空负压”与“真空能”讨论图8“真空负压”与“真空能”讨论

 

 

参考资料:

〔1〕《状态方程 (宇宙学)》维基百科(http://zh.wikipedia.org/wiki/状态方程_(宇宙学)

〔2〕《高能所等在暗能量研究方面取得新成果》(http://www.cas.cn/ky/kyjz/201210/t20121030_3673887.shtml)

〔3〕《爱因斯坦场方程》维基百科(http://zh.wikipedia.org/wiki/爱因斯坦场方程)

〔4〕相关资料请参考《“负压方程”》(http://blog.sina.com.cn/u/2494755301)

(杨明昆 王严学 杨昭国 期待您的交流、讨论http://blog.sina.com.cn/u/2494755301  ygyzg@126.com)

 

 

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