钱维宏 北京大学物理学院

开篇引入话题

A：最近我一直在关注物理学中力的本质问题，从牛顿理论到爱因斯坦的广义相对论，再到量子理论，每一种理论都试图解释力的奥秘，但总感觉差了点什么。

B：我最近接触到一个正交碰撞理论，它似乎能从全新的角度统一人们已经发现的四种力，甚至还能预测还未被提出的力，你有了解过吗？

A：正交碰撞理论？听起来挺新鲜的，快给我讲讲，它是怎么试图统一四种基本力的？

经典理论回顾

B：好嘞，在深入探讨正交碰撞理论前，咱先来回顾下经典理论里关于力的观点。牛顿理论中，力被定义为改变物体运动状态的原因，像牛顿第二定律 F = ma，定量地描述了力、质量和加速度之间的关系，万有引力定律则揭示了物体间引力的大小与物体质量和距离的关系。

A：没错，牛顿的理论在宏观、低速的世界里非常成功，能解释我们日常生活中大多数物体的运动。不过，爱因斯坦的广义相对论又把我们对力的理解提升到了新高度。

B：对，广义相对论把引力解释为时空弯曲的表现，有质量的物质会使其周围的时空发生弯曲，而弯曲的时空又会反过来影响物质的运动，像水星近日点进动、光线在引力场中的弯曲等现象，广义相对论都能很好地解释，这是牛顿引力理论做不到的。

A：但广义相对论主要描述的是宏观世界的引力现象，在微观领域，量子理论才是主角。量子理论认为力是通过交换特定的玻色子来实现的，像电磁力通过光子传递，强力通过胶子传递，弱力通过 W 和 Z 玻色子传递。不过，引力在量子理论里却很难被纳入，这也是现代物理学的一大难题。

B：确实，这三种理论虽然都取得了巨大成功，但也都有各自的局限性，正交碰撞理论就试图打破这些局限，从全新的角度来理解力的本质与统一。

正交碰撞理论的基本概念

B：正交碰撞理论的核心观点是，力是物质（粒子）正交碰撞产生的新粒子变速运动的现象，不需要传递粒子来介导。在这个理论里，宇宙万物的形成和变化，本质上都是不同层次物质或粒子正交碰撞的结果。就拿宇宙大爆炸来说，它可以被看作是一次极其剧烈的正交碰撞，产生了具有巨大膨胀力和弯曲运动的新粒子，这些新粒子的继续相互作用构成了宇宙的其他基本力，也就是我们感知到的引力、电磁力、强力和弱力的源头 [1] [2]。

A：听起来很新奇，可这和传统理论里力的产生机制完全不同。传统理论中，力是通过交换传递粒子来实现的，像电磁力靠光子传递 ，正交碰撞理论却认为不需要这些传递粒子，这有什么依据呢？

B：依据主要来源于对物理现象本质的重新审视。比如，从实验观测角度看，我们直接观测到的其实是力的效应，像物体或粒子的加速度和弯曲运动等，而传递粒子大多是通过间接证据推断出来的。以光子为例，在光电效应等实验中观测到的是光的能量和动量传递给电子，使电子产生了相应的运动变化。传统理论认为这是光子作为电磁力传递粒子的作用，但正交碰撞理论认为，这其实是光粒子与电子发生了碰撞，导致电子获得能量和动量，产生了加速运动，表现出我们所观测到的电磁力效应 [3]。在正交碰撞理论里，力是基本现象，是物质（粒子）本身相互作用的直接体现，不需要借助传递粒子这种中介来实现。

统一四种基本力

引力

B：在正交碰撞理论里，引力本质上是宇宙大爆炸后新粒子变速矢量力的体现 [1]。宇宙大爆炸后，产生的新粒子具有加速度运动，表现为径向的加速膨胀力和法向的向心力两个分量。从宏观角度看，我们通常所说的引力现象，像苹果落地、天体的相互环绕运动等，实际上是这些新粒子矢量力的两个分量所占比率的表现。以地球和苹果为例，传统引力理论认为地球对苹果通过“引力子”有“勾引”的引力作用，但正交碰撞理论认为，这是宇宙大爆炸后的新粒子矢量力，使得苹果主动向地心加速运动，这种加速运动表现为我们所观测到的引力现象。在解释天体现象上，比如星系的旋转曲线，传统引力理论需要引入暗物质来解释星系外围恒星运动速度比预期快的现象，而正交碰撞理论认为，这是因为宇宙大爆炸后矢量力的两个分量在不同区域的分布和作用，使得星系外围恒星受到的力呈现出多样化的运动特征，不需要借助暗物质的概念。

A：听起来很有道理，不过传统引力理论已经被广泛接受，而且在很多情况下都能准确预测天体运动，正交碰撞理论要被认可，还得有更多有力的证据和更详细的其他解释与应用。

电磁力

B：没错，关于电磁力，在正交碰撞理论下，电磁力是由物质之间矢量力碰撞分离电荷产生的 [4]。产生电磁现象的例子很多，如两个云块之间的加速相对运动产生光电现象，风能和水能发电机中转子之间的相对旋转运动产生的电流，地球内部不同圈层之间的相对旋转运动产生的磁现象，都表现出了电磁力。但人能够感知到的是电磁力的现象。对通电导线周围存在磁场的现象，传统电磁理论认为是电流产生了磁场，通过光子传递电磁力。但正交碰撞理论认为，导线中的电子在电力作用下加速运动，这些加速运动的电子之间发生了类似正交碰撞的相互作用，产生了新电子定向运动的能量和力的分布，形成了我们观测到的磁场现象。从光子的波粒二象性来看，光子本身就是具有能量和动量的粒子，它的产生也可以用正交碰撞理论来解释。光子的波粒二象性表现就是光子变速运动的两个分量——径向加速和法向弯曲。在一些高能物理过程中，粒子的正交碰撞可以产生光子，这些光子的运动和相互作用，进一步体现了电磁力的本质是粒子的正交碰撞和加速运动，而不是传统理论中光子作为传递粒子来传递电磁力。

A：这和传统电磁理论的解释确实不同，不过传统电磁理论在解释电磁感应、电磁波传播等现象上非常成功，正交碰撞理论还能对其他力的现象给出怎样的解释呢？

强力

B：在强力方面，正交碰撞理论认为，强力是夸克之间正交碰撞产生的束缚力。夸克是构成质子、中子等强子的基本粒子，传统观点认为夸克间通过交换胶子产生强力，从而结合在一起形成强子。但在正交碰撞理论里，夸克之间的正交碰撞产生了强大的弯曲运动力，使得它们紧密结合，这种力就是我们所说的强力。以质子的形成为例，传统理论认为是胶子在夸克间传递强力，维持质子的稳定结构；而正交碰撞理论则认为，是夸克之间的正交碰撞，产生了足够强的束缚力——法向旋转分量远大于径向膨胀分量，让质子得以稳定存在，形式上就像行星绕太阳的公转，难以让它们分开。而且，正交碰撞理论还能解释一些传统理论难以解释的现象，比如夸克禁闭，为什么夸克不能单独存在，在正交碰撞理论中，是因为夸克间的正交碰撞形成的强力（旋转力或向心力）非常强大，使得夸克被紧紧束缚在强子内部 。

A：这确实是一个全新的视角，不过目前关于夸克和强力的研究还存在很多未解之谜，正交碰撞理论要想完善，还需要更多的研究和验证。

弱力

B：是的，对于弱力，正交碰撞理论认为弱力也是粒子正交碰撞的结果。在放射性衰变等涉及弱力的现象中，比如 β 衰变，传统理论认为是通过 W 和 Z 玻色子传递弱力，导致中子衰变成质子、电子和反中微子。但正交碰撞理论认为，是粒子之间的正交碰撞形成的新粒子变速运动的径向加速膨胀分量占比大，引发了新粒子内部结构的变化，从而导致了衰变现象的自发形成。在这个过程中，不需要借助 W 和 Z 玻色子来传递弱力，而是粒子正交碰撞产生的新能量和力的变化，促使了衰变的进行。而且，正交碰撞理论还可以进一步解释为什么弱力的作用范围如此之短，这是因为粒子正交碰撞产生的弱力效应（径向膨胀分量），在短距离内才会表现得比较明显，随着距离的增加，这种效应迅速减弱。

A：虽然正交碰撞理论对弱力的解释很新颖，但目前还缺乏一些直接的实验证据来支持，要想让大家接受这个理论，还需要更多的实验验证和理论完善。

预测新力

B：正交碰撞理论还可预测一些尚未被提出的力。在宇宙早期，粒子能量极高，相互作用十分复杂，除了产生我们熟知的四种基本力，可能还存在其他形式的力。这些力可能在微观尺度下，比如普朗克尺度附近，对粒子的行为产生重要影响。从宇观尺度看，在星系团的形成和演化过程中，也许存在一种尚未被发现的力，它影响着星系团内星系的分布和运动。但无论这种力叫什么，它都具有径向膨胀和法向旋转两个分量，只是占比不同而已。传统理论在解释星系团中星系的某些奇特运动时，总是存在一些矛盾和无法解释的地方，正交碰撞理论推测，可能就是这种未知力在起作用。在宏观尺度下，比如在一些特殊的物理实验中，当物质处于极端条件，像极高压力、极低温度时，正交碰撞激发出的新力可能具有特殊的性质和表现形式。举个例子，在实验室中对某些特殊材料进行极端条件处理时，可能会观察到物质表现出与传统理论预测不符的力学行为，这也许就是新力出现的迹象。从微观尺度来说，在粒子对撞实验中，当能量达到一定程度时，可能会产生新的粒子和新的力。随着我们对微观世界探索的深入，比如未来更强大的正交对撞机能够达到更高的能量，也许就能发现这些新力的出现。

A：听起来很有想象力，但要证明这些新力的存在可不容易，需要大量的实验和观测数据来支持。公众可能会更感兴趣正交碰撞理论在能够看得见的或感知得到的与力的现象相关的应用例子。

多尺度与跨学科应用

宇观尺度

B：在宇观尺度上，正交碰撞理论有着独特的应用。以宇宙大爆炸为例，传统理论认为宇宙源于一个奇点的爆炸，之后通过感知引力等相互作用形成了各种天体。但正交碰撞理论认为，宇宙大爆炸是一次极其剧烈的正交碰撞后果，产生了具有巨大变速矢量力的新粒子，这些粒子的变速运动两个分量推动了宇宙的演化。在天体形成方面，像恒星的形成，传统理论认为是星际物质在引力作用下坍缩形成。而正交碰撞理论认为，是物质在宇宙大爆炸后的加速膨胀过程中，矢量力的法向弯曲运动分量使得物质聚集，最终形成恒星。在星系演化上，传统理论需要引入暗物质和暗能量来解释星系的旋转曲线和宇宙加速膨胀等现象，而正交碰撞理论认为，这是宇宙大爆炸后的矢量力在不同尺度上两个分量比率分配的表现，不需要借助暗物质和暗能量的概念。

A：这样对比下来，正交碰撞理论在宇观尺度上确实提供了一种更简洁的解释框架，不过要完全替代传统理论，还需要更多的观测数据和理论推导来支撑。

宏观尺度

B：在宏观尺度，正交碰撞理论也能解释很多现象。比如龙卷风，传统气象学认为龙卷风是在强烈不稳定天气条件下，空气强烈对流运动产生的剧烈旋转的小尺度空气涡旋系统，但对于其内部强大的能量来源和维持机制，解释起来存在困难。而正交碰撞理论认为，龙卷风是两股或多股水平气流旋转式正交碰撞产生的高度集中的能量密度。这种正交碰撞产生了强大的垂直加速度——上拽力（径向分量）和旋转力（法向分量），形成了龙卷风内部的高能结构，很好地解释了龙卷风的能量来源和独特的动力学行为 [5]。还有青藏高原的隆起，传统板块构造理论认为是印度板块与欧亚板块碰撞挤压导致，但对于碰撞的动力来源和如此大规模隆起能量的具体机制，存在一些难以解释的地方。正交碰撞理论认为，在地球早期演化中，地核外岩浆圈层的相对运动与地球自转偏向力，驱动了大陆板块的移动，来自两个半球的岩浆流体与大陆板块在近赤道区域发生正交碰撞，形成强大的垂直加速度运动——地应力，最终造就了青藏高原的隆起。

A：这些解释确实很新颖，从新的角度揭示了宏观自然现象的本质，不过还需要更多的实地观测和模拟实验来验证这些观点。

微观尺度

B：在微观尺度，正交碰撞理论同样有重要应用。以光电效应为例，传统量子理论认为光由光子组成，光子与金属中的电子相互作用，光子的能量被电子吸收，当光子能量大于金属的逸出功时，电子就会逸出金属表面。但正交碰撞理论认为，这是光粒子与电子发生正交碰撞产生的新粒子能量从而逸出金属表面，更直观地解释了光电效应中的能量转换过程。在电磁感应现象中，传统理论认为是变化的磁场产生电场，从而使导体中产生感应电流。正交碰撞理论则认为，是磁物质中定向运动的粒子与导体中的运动粒子发生正交碰撞，出现了新粒子的能量和运动状态发生了变化，进而产生感应电流。而且，正交碰撞理论还为构建新型正交对撞机提供了理论基础。传统对撞机大多是迎面碰撞式，而正交对撞机基于正交碰撞理论，能让加速粒子以正交的方式碰撞，通过质量向能量的单向转换可能会产生新的高能粒子和新的物理现象，有助于我们更深入地探索微观世界的奥秘。

A：听起来正交碰撞理论在微观尺度上也很有潜力，不过构建新型对撞机是一个巨大的工程，需要大量的技术和资金支持，希望未来能看到相关的研究进展。

对话总结与展望

A：今天听你介绍了正交碰撞理论，确实让人眼前一亮。它从全新的角度统一了四种基本力，还能预测新力，在不同尺度和跨学科领域都有应用潜力，感觉为物理学和其他学科的发展打开了新的大门。

B：是啊，正交碰撞理论的优势就在于它突破了传统理论的局限，以一种更简洁、更本质的方式理解力的产生和作用。它不仅能解释现有的物理现象，还为我们探索未知的力和现象提供了方向。

A：不过，这个理论目前还需要更多的实验验证和理论完善，要得到科学界的广泛认可，还有很长的路要走。

B：没错，但科学的发展就是这样，从提出假说到不断验证和完善。正交碰撞理论已经展现出了巨大的潜力，未来随着研究的深入和技术的进步，说不定能引发一场科学革命，或者科学思想与世界观的根本改变。

A：很期待那一天的到来，如果正交碰撞理论真的被证实，它对未来科学研究的影响将是深远的。在物理学领域，它可能会推动统一理论的发展，让我们对宇宙的基本规律有更深刻地理解。

B：在其他学科领域，比如气象学、地质学、高能物理等，正交碰撞理论也能为研究提供新的思路和方法，促进学科之间的交叉融合，帮助我们解决更多复杂的科学问题。

A：希望科学家们能早日验证正交碰撞理论，让我们对世界的认识上升到一个新的高度。

参考文献

[1] Qian WH（2024）The Essence of Gravity Is the Expansion Tendency of the Universe After the Big Bang. J Modern Physics 15：804-849.

[2] Qian WH（2025）Expanding Force in Astronomy and Updraft Force in Meteorology. J Modern Physics 16：267-285.

[3] Qian WH (2023) On the Physical Process and Essence of the Photoelectric Effect. J Applied Mathematics & Physics 11: 1580-1597. 

[4] Qian WH (2023) Physical Interpretation of Electricity and Magnetism and Electromagnetic Induction. J Applied Mathematics & Physics 11: 2069-2092. 

[5] Qian WH，Du J，Leung JC，Li WJ，Wu FF，Zhang BL（2023）Why Are Severe Weather and Anomalous Climate Events Mostly Associated with the Orthogonal Convergence of Airflows？Weather & Climate Extremes 42: 100633.

来源: 钱维宏