物質(zhì)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浞治?/h1>
2013-07-16 05:45:40馮彪
五邑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 2013年1期
馮彪
?
物質(zhì)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浞治?/p>
馮彪
（湛江技師學(xué)院 職業(yè)教育研究所，廣東 湛江 524037）
通過分析時空四維球面空間的變模效應(yīng)，論述光子是作簡諧振動的時空四維流形，提出光子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浠纱朔治龌玖Ｗ蛹案黝愇镔|(zhì)的時空結(jié)構(gòu)，并對一些物理現(xiàn)象進(jìn)行解釋.
球面空間；變模效應(yīng)；時空流形；物質(zhì)結(jié)構(gòu)；拓?fù)浠?/p>
人類所處宇宙空間是時空四維球面空間，光速極限和紅移現(xiàn)象將宇宙空間平分為可測和不可測兩部分：可測部分的測模為正值稱為正空間，人類生活于正空間，有正質(zhì)量、正能量；不可測部分是負(fù)空間，有負(fù)質(zhì)量、負(fù)能量. 正負(fù)空間在總體上互相抵消，故宇宙集為零測集. 人類認(rèn)識宇宙空間以歐氏空間（絕對時空）作為各種測量（量度）的參照基準(zhǔn)，歐氏空間的測模為（各向同性、平直的）常量是常?？臻g，而時空四維宇宙球面空間是彎曲空間、變?？臻g（測模為變量）.
人類不能直觀感覺三維球面被四維歐氏空間包容的關(guān)系，更不能直接觀測四維球面被五維歐氏空間包容的等價關(guān)系，需要通過測量物質(zhì)的質(zhì)量、能量等運動效應(yīng)來間接認(rèn)識宇宙球面空間的時空結(jié)構(gòu). 由于時空的運動效應(yīng)（變模效應(yīng)）將時空流形的慣性轉(zhuǎn)化為質(zhì)量、能量進(jìn)而演變?yōu)楦鞣N形式的宇宙萬物；因此，物質(zhì)的各種形態(tài)是時空結(jié)構(gòu)的不同表現(xiàn)形式，物質(zhì)結(jié)構(gòu)是時空流形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).
1 宇宙空間是時空四維球面空間
客觀對象可測的前提是時空效應(yīng)的差異性，差別性的變化就是運動；人類認(rèn)識事物的存在性是通過物質(zhì)的運動效應(yīng)來感知的. 由于只有球面空間上各點才是等價的（不存在特殊點），而彎曲的四維球面空間等價于平直的歐氏五維空間；因此，人類對時空的可測維度不超過五維，超過五維的任何宇宙信息（作用量）均可被第五維（彎曲性）的形式包含，即超出人類直觀感知四維時空的一切可測信息，均歸結(jié)為運動性（各種運動形式的效應(yīng)）. 由此可知，人類所處的宇宙空間是時空四維球面空間[1].
1.1 時空四維球面空間的可測性
1.2 宇宙空間是變?？臻g
圖1 宇宙圓周示意圖
四維球面空間（等價于五維歐氏空間）的投影是歐氏空間的四維球，五維降為四維產(chǎn)生變模效應(yīng)（可類比投影變形系數(shù)）來理解宇宙空間是變?？臻g，變模交角可理解為投影角，變模值可理解為投影變形系數(shù).
人類直觀感覺生活在三維空間和一維時間中，由于四維時空不能包容五維歐氏時空故難以直觀感覺宇宙空間的彎曲，只能通過變模效應(yīng)來測度，而變模效應(yīng)的表現(xiàn)形式之一就是以質(zhì)量、能量反映時空流形的改變. 時空四維宇宙球面空間的測模公式：
1.3 紅移極限與空間量子化
2 光子是物質(zhì)拓?fù)淇臻g的拓?fù)浠?/h2>
物質(zhì)、能量都是時空的表現(xiàn)形式，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)就是時空的結(jié)構(gòu)，物質(zhì)的拓?fù)淇臻g就是時空流形的拓?fù)淇臻g. 光速不變是時空四維空間的拓?fù)洳蛔兞?，光子是一切物質(zhì)形態(tài)（時空流形）的拓?fù)浠? 借助拓?fù)鋵W(xué)的研究成果，通過研究流形的性質(zhì)可以了解空間的集合結(jié)構(gòu)，從而掌握時空流形的函數(shù)關(guān)系. 微觀粒子的性質(zhì)是光基（光子拓?fù)浠┑耐負(fù)湫再|(zhì)，不同的微觀粒子是光基的不同組合形式（光基的并與交的方式），微觀粒子的性質(zhì)取決于拓?fù)淇臻g的連通性、可入性和彎曲性等拓?fù)湫再|(zhì).變模角與變模方式的不同在時空各維度上變模效應(yīng)的差異導(dǎo)致不同的變模路徑，由此產(chǎn)生空間拓?fù)涞姆志S和分形，這是宇宙萬物變化發(fā)展具有無限可拓性的根本原因.
2.1 光子是簡諧振動的四維時空流形
球面空間變模為歐氏空間，歐氏五維降為四維的簡諧振動屬于周期性運動，是時間維度與空間維度的變化關(guān)系. 簡諧振動是最簡單的周期運動（等價于勻速圓周運動在直徑上的投影）：光子的運動以質(zhì)量、能量等形式表現(xiàn)變模效應(yīng)，由此可以通過變模效應(yīng)分析宇宙萬物的時空結(jié)構(gòu). 由于光子作為拓?fù)淇臻g的基，既有粒子性又有波動性，因此，既可以解析量子學(xué)說，又可解析波動方程. 光子的粒子性來源于空間量子化（時空流形的定域性），波動性則來源于其球面空間的投影為簡諧振動.
2.2 物質(zhì)結(jié)構(gòu)就是時空結(jié)構(gòu)
質(zhì)量、能量都是時空的表現(xiàn)形式，物質(zhì)結(jié)構(gòu)就是時空結(jié)構(gòu)，由拓?fù)淅碚摽芍?，四維歐氏空間上存在著不可數(shù)無窮多種微分結(jié)構(gòu)；以閉（closed）流形（緊致無邊流形）為例，四維流形上可以存在不同的微分結(jié)構(gòu). 因此，變模等價于變維，物質(zhì)的運動形式等價于時空的變模方式，在整數(shù)維結(jié)構(gòu)之外存在大量的分維結(jié)構(gòu).
物質(zhì)結(jié)構(gòu)（時空流形）既是光子的組合結(jié)構(gòu)，又是光波（簡諧振動）的共振方式（共振態(tài)）. 既可用量子場論和波函數(shù)的概率解釋，又可直接對時空流形進(jìn)行拓?fù)浞治? 例如，分子拓?fù)鋵W(xué)的基本依據(jù)是：分子中原子相互連通的全部信息確定了分子的拓?fù)湫再|(zhì). 盡管分子的幾何參數(shù)（如原子間的距離、化學(xué)鍵的鍵角）能夠測定，但由于存在著各種分子內(nèi)的運動（如分子振動、內(nèi)轉(zhuǎn)動等），原子在分子中的位置是不固定的. 另一方面，分子的幾何性質(zhì)也受到周圍環(huán)境不可忽視的影響（如在溶液情況下溶劑的影響，在晶體情況下壓力的影響等）. 由分子內(nèi)運動和各種外部影響所引起的分子幾何性質(zhì)的改變，如果沒有化學(xué)鍵的破壞與形成，就可以當(dāng)作是連續(xù)的形變，此時，分子中原子間相互關(guān)聯(lián)的性質(zhì)保持不變.
3 變模效應(yīng)反映時空拓?fù)涞奈镔|(zhì)結(jié)構(gòu)
作用量是對時空流形的一種量度，物質(zhì)的各種表現(xiàn)形態(tài)是時空流形的不同拓?fù)湫问剑恳环N形態(tài)就是一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu). 變模效應(yīng)反映時空拓?fù)涞奈镔|(zhì)結(jié)構(gòu)，可以通過研究時空的變模效應(yīng)來分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì). 物質(zhì)的性質(zhì)就是時空拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性質(zhì)，物質(zhì)表現(xiàn)時空的彎曲，時空反映物質(zhì)如何運動，測模的變化反映時空流形的彎曲特性. 各種物理測量值均是對宇宙時空的不同“投影”的量度，“投影”方向不同，變模角不同. 變模交角在、、、4個維度上有、、、4個分量，在二維坐標(biāo)面上有、、、、、等6個分量，在三維體上有、、、等4個分量. 物理量之間的關(guān)系其實質(zhì)是四維時空幾何關(guān)系的變模效應(yīng)，光基的拓?fù)湫问绞俏镔|(zhì)結(jié)構(gòu)的分維形式，一切物質(zhì)形態(tài)都是不同維度（分維）的時空結(jié)構(gòu). 從點集拓?fù)湔摰挠^點看，拓?fù)涞姆绞饺Q于集合的交、并形式，事物的屬性由各集合（屬性）的交、并確定. 所謂“量子糾纏”，是指無論兩個粒子間的距離相隔多遠(yuǎn)，一個粒子的變化會影響另一個粒子的行為，即它們是相互關(guān)聯(lián)的；而量子的隧道效應(yīng)則是時空流形在“道路連通”上的拓?fù)洹敖輳健?
4 物質(zhì)現(xiàn)象的定量解釋與公式推導(dǎo)
4.1 光子的電磁本質(zhì)與基本粒子的磁場
中心磁場強度表征粒子自身固有的磁場屬性，由以上數(shù)值可知，粒子強大的中心磁場強度蘊涵著極大的能量.
4.2 四種基本作用力的解釋
質(zhì)量、能量是時空曲率半徑的量度，全面度量時空流形的彎曲程度，必須用多種不同的有向曲率來表述. 例如，引力場集={引力場場強，外接引力場場強，內(nèi)切引力場場強，旁切引力場場強}. 時空流形的不同彎曲特性表現(xiàn)為作用力的不同特點，例如電磁力既可表現(xiàn)為吸引，也可表現(xiàn)為排斥，但萬有引力只有吸引作用；強作用力隨距離變短而減弱，但萬有引力和電磁力則是增強.
4.3 普朗克能量子公式的推導(dǎo)以及常數(shù)h的計算
4.4 宇宙空間、的計算
4.5 引力子質(zhì)量的計算
4.6 微波背景輻射的計算
4.7 哈勃定律的推導(dǎo)和常數(shù)H的計算
5 結(jié)論
[1] 馮彪. 宇宙空間的變模分析[J]. 五邑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012(2): 29-36.
[2] 尤承業(yè). 基礎(chǔ)拓?fù)鋵W(xué)講義[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，1997.
[3] 馮彪. 物理空間的測度分析[J]. 五邑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010(1): 33-38.
[責(zé)任編輯：韋 韜]
The Topological Analysis of Material Structure
FENGBiao
(Vocational Education Research Institute, Zhanjiang Technician College, Zhanjiang 524037, China)
Through an analysis of variable modulus effect of the temporal-spatial and the four- dimensional spherical, the photon is as temporal spatial four-dimensional manifold of simple harmonic oscillation is discussed, it is pointed out that the photon is the topological basis of the material structure. The temporal-spatial structures of elementary particle and some kinds of materials are analyzed by some physical phenomena.
spherical space; variable modulus effect; temporal-spatial manifold; material structure; topological basis
1006-7302（2013）01-0042-08
O411.1
A
2012-10-08
馮彪（1967—），男，廣東湛江人，高級講師，碩士，研究方向為職業(yè)教育、數(shù)學(xué)物理.
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馮彪
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物質(zhì)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浞治?/p>
馮彪
（湛江技師學(xué)院 職業(yè)教育研究所，廣東 湛江 524037）
通過分析時空四維球面空間的變模效應(yīng)，論述光子是作簡諧振動的時空四維流形，提出光子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浠纱朔治龌玖Ｗ蛹案黝愇镔|(zhì)的時空結(jié)構(gòu)，并對一些物理現(xiàn)象進(jìn)行解釋.
球面空間；變模效應(yīng)；時空流形；物質(zhì)結(jié)構(gòu)；拓?fù)浠?/p>
人類所處宇宙空間是時空四維球面空間，光速極限和紅移現(xiàn)象將宇宙空間平分為可測和不可測兩部分：可測部分的測模為正值稱為正空間，人類生活于正空間，有正質(zhì)量、正能量；不可測部分是負(fù)空間，有負(fù)質(zhì)量、負(fù)能量. 正負(fù)空間在總體上互相抵消，故宇宙集為零測集. 人類認(rèn)識宇宙空間以歐氏空間（絕對時空）作為各種測量（量度）的參照基準(zhǔn)，歐氏空間的測模為（各向同性、平直的）常量是常?？臻g，而時空四維宇宙球面空間是彎曲空間、變?？臻g（測模為變量）.
人類不能直觀感覺三維球面被四維歐氏空間包容的關(guān)系，更不能直接觀測四維球面被五維歐氏空間包容的等價關(guān)系，需要通過測量物質(zhì)的質(zhì)量、能量等運動效應(yīng)來間接認(rèn)識宇宙球面空間的時空結(jié)構(gòu). 由于時空的運動效應(yīng)（變模效應(yīng)）將時空流形的慣性轉(zhuǎn)化為質(zhì)量、能量進(jìn)而演變?yōu)楦鞣N形式的宇宙萬物；因此，物質(zhì)的各種形態(tài)是時空結(jié)構(gòu)的不同表現(xiàn)形式，物質(zhì)結(jié)構(gòu)是時空流形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).
1 宇宙空間是時空四維球面空間
客觀對象可測的前提是時空效應(yīng)的差異性，差別性的變化就是運動；人類認(rèn)識事物的存在性是通過物質(zhì)的運動效應(yīng)來感知的. 由于只有球面空間上各點才是等價的（不存在特殊點），而彎曲的四維球面空間等價于平直的歐氏五維空間；因此，人類對時空的可測維度不超過五維，超過五維的任何宇宙信息（作用量）均可被第五維（彎曲性）的形式包含，即超出人類直觀感知四維時空的一切可測信息，均歸結(jié)為運動性（各種運動形式的效應(yīng)）. 由此可知，人類所處的宇宙空間是時空四維球面空間[1].
1.1 時空四維球面空間的可測性
1.2 宇宙空間是變?？臻g
圖1 宇宙圓周示意圖
四維球面空間（等價于五維歐氏空間）的投影是歐氏空間的四維球，五維降為四維產(chǎn)生變模效應(yīng)（可類比投影變形系數(shù)）來理解宇宙空間是變?？臻g，變模交角可理解為投影角，變模值可理解為投影變形系數(shù).
人類直觀感覺生活在三維空間和一維時間中，由于四維時空不能包容五維歐氏時空故難以直觀感覺宇宙空間的彎曲，只能通過變模效應(yīng)來測度，而變模效應(yīng)的表現(xiàn)形式之一就是以質(zhì)量、能量反映時空流形的改變. 時空四維宇宙球面空間的測模公式：
1.3 紅移極限與空間量子化
2 光子是物質(zhì)拓?fù)淇臻g的拓?fù)浠?/h2>
物質(zhì)、能量都是時空的表現(xiàn)形式，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)就是時空的結(jié)構(gòu)，物質(zhì)的拓?fù)淇臻g就是時空流形的拓?fù)淇臻g. 光速不變是時空四維空間的拓?fù)洳蛔兞?，光子是一切物質(zhì)形態(tài)（時空流形）的拓?fù)浠? 借助拓?fù)鋵W(xué)的研究成果，通過研究流形的性質(zhì)可以了解空間的集合結(jié)構(gòu)，從而掌握時空流形的函數(shù)關(guān)系. 微觀粒子的性質(zhì)是光基（光子拓?fù)浠┑耐負(fù)湫再|(zhì)，不同的微觀粒子是光基的不同組合形式（光基的并與交的方式），微觀粒子的性質(zhì)取決于拓?fù)淇臻g的連通性、可入性和彎曲性等拓?fù)湫再|(zhì).變模角與變模方式的不同在時空各維度上變模效應(yīng)的差異導(dǎo)致不同的變模路徑，由此產(chǎn)生空間拓?fù)涞姆志S和分形，這是宇宙萬物變化發(fā)展具有無限可拓性的根本原因.
2.1 光子是簡諧振動的四維時空流形
球面空間變模為歐氏空間，歐氏五維降為四維的簡諧振動屬于周期性運動，是時間維度與空間維度的變化關(guān)系. 簡諧振動是最簡單的周期運動（等價于勻速圓周運動在直徑上的投影）：光子的運動以質(zhì)量、能量等形式表現(xiàn)變模效應(yīng)，由此可以通過變模效應(yīng)分析宇宙萬物的時空結(jié)構(gòu). 由于光子作為拓?fù)淇臻g的基，既有粒子性又有波動性，因此，既可以解析量子學(xué)說，又可解析波動方程. 光子的粒子性來源于空間量子化（時空流形的定域性），波動性則來源于其球面空間的投影為簡諧振動.
2.2 物質(zhì)結(jié)構(gòu)就是時空結(jié)構(gòu)
質(zhì)量、能量都是時空的表現(xiàn)形式，物質(zhì)結(jié)構(gòu)就是時空結(jié)構(gòu)，由拓?fù)淅碚摽芍?，四維歐氏空間上存在著不可數(shù)無窮多種微分結(jié)構(gòu)；以閉（closed）流形（緊致無邊流形）為例，四維流形上可以存在不同的微分結(jié)構(gòu). 因此，變模等價于變維，物質(zhì)的運動形式等價于時空的變模方式，在整數(shù)維結(jié)構(gòu)之外存在大量的分維結(jié)構(gòu).
物質(zhì)結(jié)構(gòu)（時空流形）既是光子的組合結(jié)構(gòu)，又是光波（簡諧振動）的共振方式（共振態(tài)）. 既可用量子場論和波函數(shù)的概率解釋，又可直接對時空流形進(jìn)行拓?fù)浞治? 例如，分子拓?fù)鋵W(xué)的基本依據(jù)是：分子中原子相互連通的全部信息確定了分子的拓?fù)湫再|(zhì). 盡管分子的幾何參數(shù)（如原子間的距離、化學(xué)鍵的鍵角）能夠測定，但由于存在著各種分子內(nèi)的運動（如分子振動、內(nèi)轉(zhuǎn)動等），原子在分子中的位置是不固定的. 另一方面，分子的幾何性質(zhì)也受到周圍環(huán)境不可忽視的影響（如在溶液情況下溶劑的影響，在晶體情況下壓力的影響等）. 由分子內(nèi)運動和各種外部影響所引起的分子幾何性質(zhì)的改變，如果沒有化學(xué)鍵的破壞與形成，就可以當(dāng)作是連續(xù)的形變，此時，分子中原子間相互關(guān)聯(lián)的性質(zhì)保持不變.
3 變模效應(yīng)反映時空拓?fù)涞奈镔|(zhì)結(jié)構(gòu)
作用量是對時空流形的一種量度，物質(zhì)的各種表現(xiàn)形態(tài)是時空流形的不同拓?fù)湫问剑恳环N形態(tài)就是一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu). 變模效應(yīng)反映時空拓?fù)涞奈镔|(zhì)結(jié)構(gòu)，可以通過研究時空的變模效應(yīng)來分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì). 物質(zhì)的性質(zhì)就是時空拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性質(zhì)，物質(zhì)表現(xiàn)時空的彎曲，時空反映物質(zhì)如何運動，測模的變化反映時空流形的彎曲特性. 各種物理測量值均是對宇宙時空的不同“投影”的量度，“投影”方向不同，變模角不同. 變模交角在、、、4個維度上有、、、4個分量，在二維坐標(biāo)面上有、、、、、等6個分量，在三維體上有、、、等4個分量. 物理量之間的關(guān)系其實質(zhì)是四維時空幾何關(guān)系的變模效應(yīng)，光基的拓?fù)湫问绞俏镔|(zhì)結(jié)構(gòu)的分維形式，一切物質(zhì)形態(tài)都是不同維度（分維）的時空結(jié)構(gòu). 從點集拓?fù)湔摰挠^點看，拓?fù)涞姆绞饺Q于集合的交、并形式，事物的屬性由各集合（屬性）的交、并確定. 所謂“量子糾纏”，是指無論兩個粒子間的距離相隔多遠(yuǎn)，一個粒子的變化會影響另一個粒子的行為，即它們是相互關(guān)聯(lián)的；而量子的隧道效應(yīng)則是時空流形在“道路連通”上的拓?fù)洹敖輳健?
4 物質(zhì)現(xiàn)象的定量解釋與公式推導(dǎo)
4.1 光子的電磁本質(zhì)與基本粒子的磁場
中心磁場強度表征粒子自身固有的磁場屬性，由以上數(shù)值可知，粒子強大的中心磁場強度蘊涵著極大的能量.
4.2 四種基本作用力的解釋
質(zhì)量、能量是時空曲率半徑的量度，全面度量時空流形的彎曲程度，必須用多種不同的有向曲率來表述. 例如，引力場集={引力場場強，外接引力場場強，內(nèi)切引力場場強，旁切引力場場強}. 時空流形的不同彎曲特性表現(xiàn)為作用力的不同特點，例如電磁力既可表現(xiàn)為吸引，也可表現(xiàn)為排斥，但萬有引力只有吸引作用；強作用力隨距離變短而減弱，但萬有引力和電磁力則是增強.
4.3 普朗克能量子公式的推導(dǎo)以及常數(shù)h的計算
4.4 宇宙空間、的計算
4.5 引力子質(zhì)量的計算
4.6 微波背景輻射的計算
4.7 哈勃定律的推導(dǎo)和常數(shù)H的計算
5 結(jié)論
[1] 馮彪. 宇宙空間的變模分析[J]. 五邑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012(2): 29-36.
[2] 尤承業(yè). 基礎(chǔ)拓?fù)鋵W(xué)講義[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，1997.
[3] 馮彪. 物理空間的測度分析[J]. 五邑大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010(1): 33-38.
[責(zé)任編輯：韋 韜]
The Topological Analysis of Material Structure
FENGBiao
(Vocational Education Research Institute, Zhanjiang Technician College, Zhanjiang 524037, China)
Through an analysis of variable modulus effect of the temporal-spatial and the four- dimensional spherical, the photon is as temporal spatial four-dimensional manifold of simple harmonic oscillation is discussed, it is pointed out that the photon is the topological basis of the material structure. The temporal-spatial structures of elementary particle and some kinds of materials are analyzed by some physical phenomena.
spherical space; variable modulus effect; temporal-spatial manifold; material structure; topological basis
1006-7302（2013）01-0042-08
O411.1
A
2012-10-08
馮彪（1967—），男，廣東湛江人，高級講師，碩士，研究方向為職業(yè)教育、數(shù)學(xué)物理.
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