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天体磁场新理论：天体磁场新理论
西安工程大学
于长丰 张国青
Email: zhangg_356@163.com
西安工程大学理学院于长丰教授团队，经过多年的理论研究，提出了一种普适性的天体磁场理论，十分具有启发性，现予以共享，欢迎沟通，批评指正。
一、给出普适性天体磁场理论
普适的天体磁场理论的具备条件是必须能合理地解释如下事实：
（1）磁偏角成因；
（2）磁极倒转；
（3）天体多极磁场成因；
（4）自转角动量与天体磁场方向的取向关系（如木星磁场方向和地球磁场方向相反）；
（5）与地球自转周期相近的火星磁场为什么很微弱；
（6）某些磁星如SGR1806-20有相对较长的自转周期(7.5s),1E161348-5055磁星等却有较大的磁场（）；
（7）行星、恒星、白矮星、中子星、磁星、黑洞、小行星、星系、行星际、恒星际、星系际以及宇宙磁场的大小；
（8）普适的天体磁场理论不是一套孤立理论，它与真空量子化、质量本质、
（9）基本粒子的基本结构、粒子质量谱、四种基本相互作用尤其是引力、基本物理常数的深层解析、天体的自转动力、板块驱动力、天体电磁辐射、引力异常现象、太阳活动（对地球），引力波、 高能宇宙射线、快速射电暴以及天体形成理论、宇宙大爆炸奇点及暴涨等等存在密切关系并统一在一个框架之中。这是普适性天体磁场理论必须满足的8个必要条件。条件（1）至（6）表明了天体磁场的复杂性。
二、本研究的主要结果
仅用1个无量纲自由调节参数可以同时预测4项物理事实——精确解析出所有天体（行星、恒星、白矮星、中子星、磁星、星系等）的磁场的大小、磁偏角、磁极漂移、磁极倒转（磁偏角、磁极漂移、磁极倒转主要针对行星、恒星）。
三、与天体磁场相关的直接关联因素
（1）天体质量
（2）天体半径
（3）天体自转角速度
（4）轴子质量
(5) 轴子电荷
（6）轴子磁矩（轴子相核、相环的空间自旋有序化取向）
（7）天体密度分布
（8）天体自转动力因子
（9）普朗克常数
（10）真空中磁导率
（11）天体自转极移、较差自转
（12）切向万有引力（切向万有引力是解释天体自转、公转、日食引力异常、引力常数随时间变化、引力常数的5.9年变化周期、地球自转速率的长期变化趋势、日地距离变化、板块驱动力、板块应力、大陆漂移、地震等的动力来源。相关理论建构及计算均已完成。切向万有引力是体系的理论结果，不是唯象假设，其存在表明万有引力常数不是常数，与时间以及作用距离等诸多因素有关。引力常数的测定对于特定时间、特定空间环境、特定地理位置、特定实验条件下的测量方法、测量方案、仪器、实验材料等是有意义的，但不具有普遍意义，因为引力常数可以用深层理论上的诸多参数来解析表达，且和真空量子化结构、轴子相环以及作用距离、时间等相关因素有关。新理论表明，引力常数是一个复杂的矢量解析表达式，其中的切向部分与天体自转、公转、天体磁场的形成等密切相关。另外，引力与其它三种（弱、电、强）基本相互作用是同一个表达式，引力由轴子相环产生，其它三种相互作用由相核产生，相核的内禀复相位均匀分布，相核的缠绕阶、拓扑构型等共同决定生成了通常意义上的电荷也即轴子的电磁质量，轴子或基本粒子的相核决定了弱、电、强三种基本相互作用。相环的复相位为线性梯度分布，决定了各级量子以及轴子的引力质量。引力之所以较其它三种基本相互作用表现十分微弱，根源于产生引力和弱、电、强的“源头”不同，前者产生于相环，后三者产生于相核。由于相核与相环均是相弦的缠绕形式，故质量与电荷在本质上是统一的，而电荷之所以有正负两种，而质量没有则取决于相核与相环的不同拓扑结构。理论上已证明，相环之间在小于时表现为万有斥力，而大于此尺度是一定表现为万有引力。有关相核与相环的基本定义暂不赘述）
四、附注
天体磁场起源及其复杂性
1.中性粒子的电荷
电荷和质量是物理学中的两个基本物理量。现有物理学理论中物质的质量与电荷之间没有必然性联系，质量与电荷是互不相关两种独立的物理量。电荷是带电基本粒子的属性之一，电荷分为正负电荷两种，同时具有量子化、相对论不变性及电荷守恒等基本性质。对于带电基本粒子，如电子、质子、夸克、繆子，陶子、介子、玻色子等，其质量大小与所带电荷不存在必然性联系。对于中性基本粒子，如中子、中微子、光子等一般认是不带电荷的。但有实验理论表明，光子[1,2]、中微子[3,4]、中子[5]可能带有微量的电荷.[1,2]给出的光子电荷上限分别为和，其中为电子电荷；[3，4] 给出的中微子电荷上限为，但最为严格的上限限制为；[5] 给出的中子电荷上限为。这表明中性基本粒子可以带有微量电荷，这同质电统一理论是一致的，即中性物体也带有微量电荷。将这一结论应用于天体，如行星、恒星、中子星等，由此可以合理地解释天体磁场的起源问题（后续章节中的天体电磁辐射、引力波、高能宇宙射线、快速射电暴等物理现象与天体磁场的起源密切相关）。
轴子是组成基本粒子的直接单元，其电荷大小为数量级，与引力常数，轴子质量及轴子相核缠绕阶等密切相关，轴子质量由式（20.2）给出，由式（12.3），真空是量子化的，真空量子质量由（）决定，其中为普朗克质量，为真空量子层级常数，大小为数量级。也即真空质量量子化可分为无限个层次，可认为同层次的真空量子由下一层次真空量子组成，最大质量的真空量子为普朗克质量，最小真空量子质量为零，轴子质量对应。由大小可见，对于中性基本粒子，轴子电荷与基本电荷量比较，可近似看成所带电荷量为零，但因它由带有微量电荷的轴子组成，所以中性基本粒子也带有微量电荷，以中微子为例，设其质量大小为 [6-8]（），计算后为数量级.根据[9，10]，给出光子质量最低上限为，由此的光子电荷为数量级，这一结果与[1，2]一致。
2.轴子质量的理论观测值
轴子一般作为暗物质粒子候选者, 从宇宙学和热力学角度看暗物质粒子的几种侯选者，包括弱相互作用大质量粒子WIMP，轴子axion，惰性中微子Sterile neutrino等。暗物质的存在已得到大量天文和宇宙学观测数据的支持，但目前粒子物理标准模型中找不到与暗物质对应的粒子，意味着超出标准模型的新物理可能存在。目前国际上对轴子作为暗物质侯选者给予很大期望，相关研究文献较多[11-18]，综合各种文献，给出的轴子质量都很小（上限小于1eV），研究工作主要集中在轴子质量大小以及轴子之间或与其它粒子的耦合关系等方面。2014年A.V. Derbin等研究指出[14]，综合各种实验室实验结果以及天体物理学和宇宙学观测数据后对轴子的质量范围给出了限制，由天体物理学导出的轴子的严格质量上限为，而由宇宙学的证据表明轴子的最小质量下限为；2009年Leanne D Duffy等研究指出[13]，轴子与其它粒子的耦合常数反比于轴子衰变常数，而轴子（质量荷）质量范围为[16-18]。
3.天体磁场的起源及其复杂性
关于天体磁场的起源有十几种不同的假说，比较有代表性的有自激发电机学说、旋转电荷学说、转子学说、霍尔效应学说等，每种学说都有一定缺点，目前学术界比较容易接受的理论是自激发电机学说，但该学说不能解释天体内部种子磁场是如何产生的。发电机学说的最大缺点是不自然，且不能解释所有天体磁场（行星、恒星、白矮星、中子星、磁星、星系等）的起源问题，其二，对天体磁场所表现出的各种属性及其复杂性不能给出合理统一的解释。旋转电荷说难以解释作为电中性的天体正负电荷的分离问题；转子学说是指任意中性的物体旋转都会产生磁矩，该学说1947年由英国物理学家布莱克特（Blackett P. M. S）提出[19]，计算式为，称为Schuster-Wilson-Blackett关系，其中为天体磁矩，为引力常数，为天体角动量，为无量纲常数，对于球状天体，则，分别为天体质量，半径和旋转角频率。通过大量天体磁场观察数据分析，天体磁偶极矩与角动量在很宽数量级范围内近似满足上述关系[20-22]。该关系式意味着旋转的中性球体相当于一个磁偶极子，或者说运动的质量能直接产生电磁感应[23]。虽然该假说取得一定成功，但也存在不可克服的困难，如不能解释磁偏角、磁极倒转、转动角动量与天体磁极的取向关系以及为什么天体可以存在多极磁场等问题。另外现有实验表明，高速旋转的中性物体未发现磁效应，这说明天体自转与磁场之间不存在必然联系，或者说两者之间不是因果关系。现有的假说虽然都取得一定成功，但都存在一定困难，也不能解释所有天体磁场的起源问题。我们认为，一个普适的天体磁场理论应能合理地解释如下事实：
（10）磁偏角成因；
（11）磁极倒转；
（12）天体多极磁场成因；
（13）自转角动量与天体磁场方向的取向关系（如木星磁场方向和地球磁场方向相反）；
（14）与地球自转周期相近的火星磁场为什么很微弱；
（15）某些磁星如SGR1806-20有相对较长的自转周期(7.5s),1E161348-5055磁星等却有较大的磁场（）；
（16）行星、恒星、白矮星、中子星、磁星、黑洞、小行星、星系、行星际、恒星际、星系际以及宇宙磁场的大小；
（17）普适的天体磁场理论不是一套孤立理论，它与真空量子化、质量本质、基本粒子
的基本结构、粒子质量谱、四种基本相互作用尤其是引力、基本物理常数的深层解析、天体的自转动力、板块驱动力、天体电磁辐射、引力异常现象、太阳活动（对地球），引力波、 高能宇宙射线、快速射电暴以及天体形成理论、宇宙大爆炸奇点及暴涨等等存在密切关系并统一在一个框架之中。这是普适性天体磁场理论必须满足的8个必要条件。条件（1）至（6）表明了天体磁场的复杂性。
天体磁场同一般物质磁性的起源一样，一是基本粒子（或轴子）的磁矩，二是起源于电荷运动。根据质电统一理论，基本粒子或轴子都是一种由相核和相环组成的复合结构，其中相核与相环分别决定了它们的电荷和引力质量。基本粒子和轴子都有自旋，从而存在自旋磁矩。电子为带电粒子，其相核所带电量为一个基本电荷量，而轴子作为中性的真空量子，所带电荷为数量级。轴子相核对应的电磁质量与其相环引力质量相等。所有天体都可认为是电中性的，天体内部的带电粒子的相核部分因能量禁闭并不参与引力相互作用，天体之间的引力起源于其内部作为圈量子的轴子相环之间的作用。组成基本粒子的直接单元是轴子，天体内大量轴子自旋磁矩的有序化排列是产生天体宏观磁场的原因之一，但不是唯一原因，这是其一；其二，轴子自旋磁矩的有序化排列也是导致天体自转的原因（参见22章），而天体自转使得大量轴子的相核作为电荷一起参与天体自转运动，从而又形成由运动电荷产生的磁场，天体的总磁场是上述两种磁场的的叠加。一般而言，天体的磁场不能归为上述任何一种单一情况。显然后者（电荷运动，或者天体自转）不能解释天体的磁偏角，磁极倒转，多极磁场，火星磁场很弱等。而计算表明，利用轴子自旋磁矩的有序化排列不能解释星系，星系际以及宇宙磁场等，但可以很好地解释天体磁偏角，磁极倒转等成因。由此可以推论出结论：天体磁场是轴子自旋磁矩有序化排列和轴子相核（电荷）随天体自转运动所产生的两种磁场的的叠加。因天体自转同天体内组成基本粒子的轴子的自旋密切相关，所以，轴子自旋以及轴子相核运动（原因）与天体磁场和自转（结果）是“多因多果”的关系。另外，理论计算还表明，用天体内的电子磁矩以及中子即基本粒子磁矩不能解释所有天体磁场的起源，给出磁场理论计算值往往比实际观测值大许多数量级。
五、参考文献
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