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摘  要：提出了物质起源的纯能量粒子的物理模型，得出这里的纯能量粒子就是普朗克粒子，是尺寸为普朗克尺度的电脉冲，命名为ZA0粒子。应用任何物质从ZA0起源的量子力学定律进行了物质形成的逻辑推演，提出了电子、中子和质子的形成过程和结构模型，计算得出的基本粒子的质量与实验值非常符合。本研究解释了中微子在物质中的作用，提出了中微子使物质具有重力势能产生万有引力的机制。本（ZA）模型首次建立了物质完全由能量构成的物理机制，论证了物质由电能的动能质量和空间弯曲势能的重力质量两部分组成。以ZA物质模型基本粒子是孤立平衡电场的理论出发，计算了基本粒子的尺寸，论证了与实验测定值的逻辑关系，可以解释实验测定的电子尺寸显著大于中子尺寸的费解结果。ZA模型提出了电极性的微观机制：微观电的正或负，取决于粒子独立电场的开口零电位点处的电流（动能）方向，通过光电效应的实验现象，论证了这种微观机制电磁力和宏观电场电子运动机制的一致性。

关 键 词：；普朗特粒子；质能关系；中子结构；中微子；光电效应

学科分类号（PACS）：03. 65. -w；98. 80. -k；95. 55. Vj；14. 20. Dh

ZA model of Planck particle of pure energy particle to form basic matter particles and their structures

Bernie Y. Zong, School of Materials Sci. & Eng., Northeastern University, Shenyang 110004, China. Corresponding author: Bernie Y. Zong, professor, E-mail: ypzong@mail.neu.edu.cn )

Abstract: ZA models have been established to find out the pure energy particle in electric pulse called ZA0 and it was proved to be the Planck particle to start the big bang. It was found by ZA models that all matter particles were come from ZA0 particles through several stages during universe evolution. Structures of electron, neutron and proton have been suggested and prediction of their mass meets experiment wonderfully. It is suggested that the neutrinos in matter play an important role to contribute gravity into matter by making space bent. ZA model demonstrates in first time that mass is comprised of energy only but two parts of electric mass and gravity mass. Sizes of basic matter particles were predicted based on the particle nature of isolated electric field by ZA models. The size predictions show a good regularity to meet experiments nicely and especially meet the experimental phenomenon that size of an electron is significantly larger than that of a neutron. Electric mechanism in micro scale was found by ZA models in electric field like a g-ray and electric charges are represented at the zero potential nodes by different current directions. It is shown by photoelectric effect experiments that electric force in micro by form of light can be exchanged into the macro electric force to drive electrons in macro current to support ZA models.

Key words: Planck particle; mass-energy relation; neutron structure; neutrino; photoelectric effect

       构成所有材料的基本粒子例如电子、中子和质子的结构一直是人类努力研究的领域，特别是基于爱因斯坦基本粒子是由能量构成的推理，至今也没有任何粒子结构的物理模型可以表明物质是纯能量所构成的[1]。基本粒子的研究始终与天文学密切联络进行，过去80多年，实验和观察结果有惊喜的进展，但是，实验结果是靠理论来翻译的，而粒子物理理论几乎没有任何显著进步，因此对实验观察得出的基本粒子的解释有些也可能是错误的结果[1-2]。

粒子物理理论近80年来基本是围绕统一模型的数学研究[3]，度规的设定、能量推力张量的结构推演，求解的是爱因斯坦动力学方程，是事物必要性的定律，但不具有充分性，是形式的表达而不是物理的真实[4]。夸克理论的主要依据是中子衍射电子的结构函数试验的拟和计算，这仅仅是基本粒子量子属性的表现，而基于统一模型对夸克分为4味、3色、正、反等几十种组合，过分唯象化，没有充分性的证明，也没有实验分离出夸克的直接证据[5]。更重要的是，目前的基本粒子模型没有电荷的物理形式[5-6]，只是数学定义，也没有解释物质为什么有重力，缺乏为什么物质中存在中微子的机理[7]，这就需要理论重大突破来建立微观电属性模型并证明与宏观电属性具有机理的相容性。

粒子物理统一场理论在过去80余年一直在提出各种假设改进标准模型去解释试验现象，目前试验观察到的基本粒子数量已经有数百种[1-2, 7]，远超出标准模型能处理的范畴，标准模型也接受了不去解释所有观察粒子的现实困难[5]。失败的原因显然是过分强调大一统理论的权威性，过分依赖数学家来告诉物理学家为什么，统一从相对论出发去研究粒子物理，轻视了量子力学是微观粒子运行最基本法则的重要性。 因此，现在也许是一个新的时间节点，应该回归到科技发展历史的主体，应该由物理学家提出数学家应从什么方面给与帮助和研究，由物理学家从量子力学出发，重新追求粒子模型简单的科学美学，根据试验观察，提出机理假设，然后计算和试验进行证明和改进的经典物理研究方法，开创粒子物理一个全新的研究视角和热点阶段。

本研究从寻找普朗特粒子出发，将提出了一个纯能量粒子的物理模型，以量子力学和相对论结合、论证能量形成基本物质的过程模型，提出了电子、中子和质子的结构模型，论证中微子贡献物质重力属性的概念，建立了物质具有重力的物理机理，论证电极性的微观机制，建立基本粒子是区域稳定空间电场的新理论，以物理学模型提供给传统数学物理学方法以新的参考。

本研究将主要基于以下物理定律进行计算：

                                                                                (1)

这个是量子力学中最重要的基本方程，这里 E 是能量, h 是普朗克常数, C 是光速，l 是电磁波的波长[8]。

                                                                                   (2)

这个爱因斯坦方程中E 是能量, C 是光速，m 是质量[9]。

1 纯能量粒子模型

爱因斯坦相对论与霍金的大爆炸理论相互印证，得出物质来自纯能量而形成的结论[1, 10]。而微观粒子形成和行为必须符合量子力学，物质是由普朗克粒子而起源的[8, 10]，因此，基本粒子研究必须是广义相对论和量子力学结合的方法，这对目前流行的大一统数学方法用一个方程是难以逾越的困难。但是，为什么不可以用物理学家通常的方法，分别应用两种理论，建立针对不同属性的各模型来全面完成对一个问题的全面认识呢？因此，本工作提出的第一模型，建议纯能量是由电脉冲粒子（称为ZA0）所构成，见图1。ZA0应该是宇宙大爆炸的初始物质, 是半个电磁波，图中标出的ZA0尺寸定义为普朗克尺寸[8]，因此对应的电磁波波长是两倍普朗克长度=2×1.62×10^-35 (m)。按照对电脉冲定义波长的方法，根据公式（1）就可以计算出ZA0的能量，是纯电能。以此能量值代入公式（2）就可以计算出ZA0的质量是：6.82×10^-8 (kg)。量子力学推导的普朗克粒子的质量： [10]。比较ZA0和普朗克粒子可以发现，ZA0与普朗克粒子具有相同尺寸，质量也意外的十分相近，显然，ZA0就是物理学苦心寻找的普朗克粒子的真实物理模型，是本研究的一个重要发现。

ZA0就是一个固定尺寸的封闭电场，图1（a）是某一瞬时的形象，而（b）是以光速瞬时变化形式的空间形象，电场的特性就是图(a)中电信号或电流运动的唯一性，这个电场信号图决定了ZA0粒子的基本物理属性。

图1 纯能量宗元ZA0粒子的电脉冲电场原理示意图

Fig. 1  ZA particle models of pure energy of ZA0 of electric pulses in electric current circuit diagram

(a) 正面图也定义为标识图 (b) 三维空间电场形状图

2 中微子的重力属性

       爱因斯坦对重力的解释是空间弯曲[9]，从物理学是无法解释什么也没有时，真空没有形状又如何是直或弯曲？显然需要对真空重新认识。引力波的发现[11]和真空可能产生能量的广泛接受[12]，都显示真空是由物质构成的，特别是超弦理论建议宇宙和空间不是空的而是由弦组成的[13]。本研究建议真空是由正方体真空粒子(取名ZA00粒子)所构成[14]，ZA00粒子是一个由很多超弦构成的一个中空立方膜软胞，ZA00本身没有能量，可以有很大变形，它们相互具有粘性形成连续空间，可以分开并瞬时连接合上，它们的整齐排列构成了完美的平直真空理想空间。

       试验发现物质中含有中微子，空间也有大量中微子，没有模型解释为什么[1, 7]，物质绝不会无缘无故含有中微子。本研究提出：试验观察到的中微子很多的应该叫做重力中微子[7]，重力中微子是由缺陷的ZA00构成，是由凹陷的中空ZA00粒子构成，它们与ZA00粒子的组合空间的固定排列，可以产生空间弯曲，在空间产生巨大重力场；它们也以固定比例存在于基本粒子中，为物质贡献了重力属性。

由于重力中微子是超弦移位的ZA00缺陷粒子，因此重力中微子具有势能，也就是缺陷能，能量就是质量，因此物质中的总质量是由中微子贡献的一定比例的重力质量进行添加所构成。根据试验测定的很多中微子的质量是1.14×10^-33 (kg) [7]，假设每一个ZA电脉冲粒子中含有30个中微子，则每个ZA粒子具有重力质量为3.43×10^-32 (kg)。重力中微子的细节和空间重力场的构造，作者将另文发表。

3 宇宙大爆炸可形成的物质过渡粒子

       量子力学推导出普朗特粒子形成黑洞[8, 10]，因此可以推测宇宙暴涨可能是从一个巨大黑洞开始的，暴涨应该是普朗克粒子尺寸的ZA0长大而能量降低的过程，长大不可能是连续而应该是量子化的[8]，不妨认为是最简单而且是最可能的自拷贝机理变化，因为事物的起始最大可能就应该是最简单的2进制，也许可以视为一条公理，自拷贝就是以其波长以2ⁿ形式量子化增加[14]，这里，n是自然数列。

宇宙爆炸的温度是非常高的普朗特温度[10]，ZA电脉冲粒子的自由能中熵项贡献巨大，其自由能一直是负值不能相变[15]，只能自拷贝，而只有宇宙温度下降到一个临界值，ZA粒子的自由能为零，此时的ZA粒子称为ZA1。继续降温，ZA1的自由能正值后，就可以通过降低自己的自由能来相变[15]，相变来产生基本物质粒子，因此ZA1是构成一切物质的最小的基本粒子单元。

通过对宇宙爆炸温度变化过程的热力学分析[15]，在得到ZA粒子的热力学平衡后，求得ZA1粒子波长的工作，作者将随后另文发表。其实，这里也可以用一个简单的办法求ZA1的波长，那就是猜测ZA0自拷贝长成ZA1需要的n值，假设n=79则波长l=1.96×10^-11 (m)，假设n=80则波长l=3.92×10^-11 (m)，假设n=81则波长l=7.83×10^-11 (m)。

       图2给出了，由ZA1在宇宙温度下降到不同相变温度下，逻辑推理可能的逐步形成各物质基本粒子可能的合理步奏[14]。图中，每个方框里是宇宙经箭头所示的相变后在不同阶段所具有的物质类型，ZA8是暗物质，ZA10是电子。ZA18468是中子，是由尺度不同的n个ZA6形成的链 (ZA6)_n，逐步合并形成的ZA6环。ZA18456是质子，是由中子退化形成的[14]。因此，基本粒子是孤立电场，是ZA1粒子重叠和连接组成的复杂的不同的大电场。最后的3箭头表示了进一步宇宙与温度无关的重力主导的演变形成星系的过程，这里不讨论。图2的演变过程的细节、相变温度和推动力分析内容作者将另文发表。

       图3是图2中ZA1等形成物质粒子的过渡粒子的原理模型示意图。由于微观粒子都是一定尺寸的封闭电场，图中给出的是粒子的特征电信号图与电场外形结合的原理模型图。

图2 由含纯能量和重力质量的稳定粒子ZA1，在宇宙演变不同阶段逐步形成基本物质粒子的示意图。

Fig. 2  Formation of basic matter particles by ZA1 electric pulse particles in different stages during universe evolution

图3 过渡粒子的电场原理模型标识图（正面图）和空间形状

Fig. 3 ZA particle models of transitive particles in electric current circuit diagram and three dimension shape. ZA1粒子，（b）ZA2粒子，（c）ZA4粒子，（d）AZ5粒子，（e）ZA6粒子，（f）ZA8粒子。

4 基本粒子的形成和结构

4(a)是电子的电信号原理标识图，4(b)是电场空间形状图。原理图表明电子是由2个ZA4被一个ZA2波元连接形成的，演变过程是由2个ZA5粒子形成的。图4表明电子有2个零电位节点(ZPN), 节点处从电子内部看有5条电信号线，而从外面看有4条电信号线，内外不相同和对称，因此不是完全零电位，有电信号的极化。这样对外有极化的ZPN就是有电磁力，这里定义电子ZPN电信号类似一个电插座口为负极性。一个中性完整的ZPN应该是3条完整电信号线零电位的节点，也就是节点处有3进3出，而电子的ZPN少了一个出，因此具有1/6电荷单位的负偏极电位，电子有2个开口相同的ZPN，所以，电子具有1/3电荷电位的负电性。

图4 电子的电场原理模型示意图和空间形状

Fig. 4  ZA models of electron in electric current circuit diagram and three dimension shape. （a）正面图也定义为标识图， (b)三维空间电场形状图。

在宇宙大爆炸后形成物质粒子的过程中，ZA6粒子会相互连接成为由不同数目的ZA6组成的长度不同为n长度的(ZA6)_n链，如图5(a)所示。不同长度的ZA6链继续合并长大，直到链长度n值达到3078，链两头的电极电位绝对值会基本相同而形成一个环，这就是中子的电信号标识图，如图5(b)所示。

图5 中子的电场原理模型示意图和空间形状与形成过程

Fig. 5  ZA particle models of neutron in electric current circuit diagram and three dimension shape and its formation. （a）部分中子例 (ZA6)₅ 链，（b）中子电信号图，(c) 中子空间原理图，（d）三维空间电场形状图。

图6 质子的电场原理模型示意图和空间形状与形成过程

Fig. 6  ZA particle models of proton in electric current circuit diagram and three dimension shape and its formation. (a)失稳中子，（b）中子环断开并发射出一个ZA12超正电，(c) 质子电信号图即(ZA6)₃₀₇₆开环，（d）三维空间质子形状图。

图6（c）表示中子可能衰变成稳定开环的一个质子，质子具有2个开口ZPN节点，一个插座和一个插头，但插头的强度是1/2标准正电荷，这因为插头外延只有一条电流线而使插头成为中性。因此，二节点抵消后，质子具有1/3标准电荷单位的正电荷。质子同样也是一个固定区域的空间电场，类似中子它的标准电场信号原理图为图6（c），它的空间电场形状同样会趋于最小尺寸成为图6（d）所示。中子退化为质子过程的细节和驱动力分析的形成条件的考察细节作者将另文发表。

5 讨论

       在本（ZA）模型中，ZA1是一个电场，其运动时需要外力，因此其表现出惯性，这就是质量，电能导致的质量称为纯质量，大小由其波长决定。同时，ZA1中含有中微子，它具有空间弯曲的势能，同样运动表现出惯性，对应为重力质量。ZA模型物质由两种质量构成的结论其实早就有试验可以证明：任何核反应都观察到质量丢失的现象[4]，这就是重电能力质量以中微子放出，试验没有得到测定和计算所导致的。

ZA模型最重要的结论就是首次回答了物质是怎样完全由能量构成的，物质粒子是一个范围的空间电场，并叠加了一个弯曲空间的势能场。因此，从电场出发计算的粒子尺寸可能会与通常依据惯性显示范围而测定的尺寸有分歧。电场的叠加只是改变电场强度和分布，而不会改变电场的范围尺寸，因此，ZA模型预测ZA1等各种基本粒子的尺寸是基本相同的。图4中电子也是一个封闭电场空间，是10个ZA1电场的叠加，电场的叠加后的尺寸依然和ZA1尺寸相当。图5（d）表明中子电场的尺寸是很小的，尽管中子的质量比起电子大近4个数量级，但质量大只是电场强度高而不是尺寸大，内稳定强电场强会使电场尺寸变小，因此中子尺寸一定类似电子与ZA1尺寸相当但比电子显著小。因此，本研究可以合理解释了试验测得电子尺寸显著大于中子尺寸[17]的费解结果，证实了ZA模型的先进性，也证实了基本粒子是电场的新观点。

ZA模型为基本粒子的试验结果提供了全新的视角去重新解读，不同尺度ZA6链的存在为观察到的众多粒子提供了存在的物理模型。但是，本物质模型竟然并没有十分强烈的排他性，这里强调了量子力学定律的重要性，但却证明了爱因斯坦空间弯曲概念物理机理的存在性；预测数据不仅没有与试验数据的任何抵触[16]，而且不矛盾标准模型的任何动力学计算的行为；即使是对夸克模型，这里的基本粒子的电场也没有要求必须分布均匀，也可以容纳中子等粒子以夸克属性量子化散射碰撞的电子。相容性为本模型提供了更广阔和更突出的参考价值，可以为粒子物理和宇宙学各领域提供继续研究的新根据和新思路。

6 结论

1. 提出了普朗克粒子是纯能量粒子的概念，证明了纯能量粒子是尺寸为普朗克尺度的电脉冲，其质量和尺寸都符合理论物理中的定义。

2. 得出了基本物质粒子都来源于能量的结果，给出了电子、中子和质子的结构模型。

3. 计算得出的基本粒子的质量与实验值十分符合。

4. 以基本粒子是孤立平衡电场的理论出发计算了基本粒子的尺寸，解释了实验测定电子尺寸显著大于中子尺寸的费解结果

5. 对物质中含有中微子的机理，给出了其提供物质具有重力重要属性的解释。

致谢： 感谢我博士导师Dr. Brian Derby 一直对本工作的鼓励；感谢牛津大学Dr George Smith多年在原子探针方面的交流讨论；感谢东北大学秦高梧教授、金剑锋和王明涛副教授的支持和讨论。

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