从朗谬尔到量子色动化学

从朗谬尔到量子色动化学

刘立严河

刘立教授2018年6月12日的博文《企业做基础研究不仅能贡献技术创新，还能出诺贝尔奖》，使我们想到朗谬尔的原子理论和表面化学科研思维与量子色动化学的联系。刘立教授说：欧文•朗谬尔（Irving Langmuir,1881～1957）1932年获得诺贝尔化学奖，是美国第一位荣获诺贝尔奖的工业科学家。他从哥伦比亚大学毕业后，朗谬尔到德国留学，就读于哥廷根大学，导师是著名化学家能斯特（1864～1941），他对热力学因做出杰出的贡献，获过1920年诺贝尔化学奖。

朗谬尔在哥廷根大学经过三年的刻苦攻读，1906年获得德国博士学位。学成归国，朗谬尔在一所工学院谋得教职，讲授化学。1909年，朗谬尔进入通用电气公司的研究实验室。从此朗谬尔与通用电气公司结下了终身的缘分，一生发表的论文计有200篇，63个专利，有数不清的荣誉和奖励。1934～1935年间朗谬尔曾到过中国。那是他周游了日本、东南亚等国家，途经北京，并做了一场演讲，题目是《高真空管壁上的电子发射与放电》，受到我国科学界的热烈欢迎。说到朗谬尔与我国今天的量子色动化学的联系，最典型的是朗谬尔关于原子理论的研究。这就要提及在19世纪原先科学家认为的原子，是最小的微粒而不可再分的观点受到的挑战。因为19世纪末，英国科学家J.J.汤姆逊发现了电子，并提出原子是由带正电粒子和带负电的粒子组成。

由此，原子构造的模型有了英国科学家卢瑟福提出的行星模型。卢瑟福认为，电子围绕着一个带正电的核运动，就像行为围绕太阳旋转一样。一个合理的原子模型应该能解释人们观察到的化学现象，化学家发现元素按照一定的比例结合成化合物，于是有化学家提出“化合价”的概念，用以表征元素的化合能力。因为

元素的化合价以及化合物的形成，明显跟原子的结构有关。但是，当化学家采用物理学家提出的原子模型来解释化合价时，简单的化合物如氯化钠，容易解释：钠原子带一个单位的正电荷，氯原子带一个单位的负电荷，结果两个原子依靠正负静电相互吸引形成氯化钠。但是碰到复杂的化合物，这种解释就行不通。如碳原子的化合价，是变化不定的，取决于它所组成的化合物。

为了构画出含碳化合物的结构，有机化学家通常采用“圆点”、“短线”这类符号来表示，它们跟电现象没有任何关系。1916年加州大学的刘易斯（1857－1946）建立了一个新的原子模型，试图将化合价的概念统一起来，提出原子由原子核和电子组成的立方体。即电子倾向于占据立方体的8个顶角处。如果原子的外层轨道含有的电子数，与惰性气体原子外层轨道含有的电子数8个相等，那么原子就处于稳定状态。这实际与量子色动化学的卡西米尔效应平板原理之一的立方体的8个顶点模型计算，有相似之处──-4个顶点属于一个正方形平板，8个顶点属于一对正方形平板。这里，4和8联系2，是因为如果平面自旋，就还如刘易斯提出的，例如两个电子，形成一个电子对，也是一个圆平面。那么两个或多个原子，可以通过共用一对或多对电子，形成具有惰性气体原子的电子层结构，即形成稳定的“八隅体”型分子也行。

正是朗谬尔看到了刘易斯这方面的文章，并对原子结构进行的深入研究，他在1919－1921年间，把修正并发展了刘易斯的理论在《美国化学会会刊》上发表。这就是他的《电子在原子和分子中的排布》、《原子结构和价键的八隅态理论》、《原子结构理论》等十几篇有关原子结构和化学键理论论文的由来。朗谬尔发展的新原子模型，保持的类似量子色动化学的特色是：带正电的核周围，有若干同心的立体壳层，电子位于这些壳层上，可以是静止的，也可以是运动的。朗谬尔的这种原子模型，可以解释原子的化合过程和化合价问题。

但朗谬尔的原子化合形成化合物，在于原子的最外壳层，形成稳定的构型。由此，化合物可以分为两种，一种是离子化合物，另一种是共价化合物，它是由原子共享一对或多对电子对而形成的。朗谬尔的贡献在于，理论能对化合价给出物理解释，以及能解释为什么同位素现象。因此在现代化学发展史上，具有重要的意义。而且朗谬尔还发展了表面化学，1932年诺贝尔化学奖授予朗谬尔，就是表彰他在表面化学方面做出的杰出贡献。其实单一表面，也类似一个平面，也可以产生量子起伏部分平板效应。这引发了朗谬尔对表面化学的兴趣。

这是在第一次世界大战前，朗谬尔研究白炽灯时，发现氢和氧在灯丝上，形成了大约只有一个原子的直径那么厚的薄薄一层。由于朗谬尔对刘易斯的平板对引力效应及单分子表面层的化学原理，有深入的了解，1916年他发表了《固体与液体的结构和基本性质》的论文，解释了固体吸附分子的单分子吸附层效应。他认为固体表面原子，对气体分子的吸引力的效应，是固体表面原子的剩余价力。如果固体表面已经吸附了一层气体分子，剩余价就被完全用掉了，不能再吸附第二层分子了。剩余价力的大小，决定固体吸附剂对气体分子的吸附强弱。

吸附作用，是气体分子在吸附剂表面上凝聚和蒸发两个相反过程的平衡。由此他推导出了著名的朗谬尔等温吸附方程式，从而奠定了现代表面化学的基础，对催化、液体或固体表面分子的导向等领域的研究，具有重大的意义。可见这也与量子色动化学的卡西米尔平板对效应有区别。

诞生在我国量子色动化学，之前和朗谬尔和刘易斯的研究没有一点联系。主要原因是创立者没有看到过这方面的文献。量子色动化学是从研究环量子的三旋（线旋、面旋、体旋）理论开始的；量子色动化学重视的是，元素原子里的质子数及其质子数的配队结构组合，其变化类似“转座效应”。因为自从化学元素周期表发现和对此的量子论解释以来，认为每种化学元素原子的原子核内的质子数是固定的，因此也认为每种元素的这个原子核内的质子数的配队结构组合，也是固定不变的；要变就是核反应衰变，有放射性现象。这和1984年四川盐亭县农机局工程师马成金先生，在盐亭县科协做的实验表演似乎是相悖的。

因为早在上世纪六、七十年代，我国民间开展的环量子的三旋理论研究，着眼点在物质族基本粒子，特别是夸克的自旋组合编码。量子色动力学和“利用可以窥探质子和中子内部的实验方法”告诉我们：凝视一个质子或者中子的内部，看到的是一种动态的景象。除了基本的夸克三人组之外，还有一个由夸克和反夸克组成的海洋，以及突然出现又消失的胶子。在量子色动力学建立后的40多年来，物理学家在解释强相互作用力本身的行为方面取得了长足的进步，但量子色动力学的众多细节仍然难以捉摸。量子色动力学有一个惊人的推论：我们所熟知的质子，其内部的胶子和夸克的数目可以发生幅度相当大的变化。一个胶子可以暂时地变为一对夸克和反夸克，或者变成一对胶子，然后又变回成一个胶子。在量子色动力学中，后者这样的胶子振荡比夸克交换更为普遍，所以胶子振荡占了主导地位。这个发现，还摘取过诺贝尔物理学奖。

量子色动力学具体联系到转座水合钠离子的幻数效应，是直到2009年四川盐亭县农机局马成金工程师，解密他1984年在盐亭县科协的公开实验：那次的试剂有类似钾、钠和硝基苯、苯酚等化学成分。但这应分为两类：含钾、钠的物质属于易燃易爆物品，而硝基苯、苯酚等属危险化学品；两类不能放在一处。按物理、健康或环境危险的性质，易燃易爆物品也属于危险化学品，但从量子色动化学反应角度看，这里含钾、钠的易燃易爆物品，关注的是具爆炸、燃烧性质等物品一类；而危险化学品关注的硝基苯、苯酚等，属强腐蚀、助燃、有毒性质等物品一类。两类放一处，危险更大。这中间的道理，从钾钠版非核衰变型量子色动化学，到鈈铀IP氢 弹版量子色动化学，两者好似不同，但都涉及元素和内部胶子与夸克层次的振荡变化。

超常规的量子色动力学“幻数效应”推论，是所有的转座水合钠离子的幻数效应发现，都还没有结合量子色动语言学-量子色动几何学-量子色动化学-量子色动力学等，来联系普通的化学物质氧、碳、钾、钠、鈈、铀、氢、锂、铍等元素的质子数和可变的中子数解读，可能产生的两大类无或少放射性的多级放热放能反应。例如，把类似根据原子序数从小至大排序的门捷列夫化学元素周期表中，元素原子核里的质子看作“编码质点”，中子看作“非编码质点”。这类似一种初级的量子色动语言学的动力学编码，以实现对各种化学物质及其组成的分子、原子、原子核的反应信息集成，做成类似大数据、云计算分类。因为量子色动化学能根据量子卡西米尔平板吸引效应原理，再利用量子色动几何学，对由“编码质点”和“非编码质点”引起的量子色动化学振荡反应，可进行大数据、云计算中的选择小数据处理。这能具体可用碳基和氧基的“编码质点”，来说明由量子色动化学振荡反应，影响显物质分子里的原子数不变产生的反应：

第一类是“编码质点”非核衰变化学反应的多级放热放能的元素离子分解，和配队组合的“马成金实验”氧、碳、钾、钠的现象。这类量子色动化学振荡反应产生的爆炸，类似“钾钠+碳氮+水H2O” 影响氧基量子卡西米尔效应的暗能量波动，大能量的热效应使水分子和HO离子等多种物质，发生瞬间量子色动化学振荡的多级循环重复的分解和组合反应。

第二类是“非编码质点”数分解裂变和组合聚变的鈈、铀、氘、锂、铍等同位素，少核衰变的多级放热放能核反应的现象。这类量子色动化学振荡反应产生的爆炸又分两种情况。

第一种，是重在聚变成分非常大而裂变小的扳机型：类似“鈈+钾钠氮碳+氘化锂或氘氚化锂，或者氘化铍或氘化铝锂，或者重水D2O重氢(氘)或超重氢(氚)”，影响鈈基量子卡西米尔效应的暗能量波动，加快发生瞬间产生高温高压量子色动化学振荡的氘锂铍等混合物，放出大量中子的多级循环聚变反应。

第二种，是重在裂变成分非常大而聚变小的扳机型：类似“铀-238 U、 235 U或鈈+钾钠氮碳+重水D2O重氢(氘)”，影响铀基量子卡西米尔效应的暗能量波动，发生瞬间量子色动化学振荡的多级循环，加快重水聚变放出大量中子及铀等混合物发生产生高温高压的裂变反应。

先说第一类“马成金实验” 非核衰变的量子色动化学振荡反应，这里质子或者中子内部的虚胶子和夸克的数目，可以发生幅度相当大的变化振荡，联系真空量子起伏和真空中两块平行金属板之间存在某种吸引力，这种吸引力被称为卡西米尔力；这样可以把原子核里的质子，按卡西米尔平板效应的系列化，编排成类似于门捷列夫元素周期表的量子色动几何学配队组装，用此解密碳和氧离子的量子信息原理。

而且这是能够以一种通过同位素质谱仪以及严格的色谱-质谱联用的检测结果的方式，可测量到这类弱力能源反应的起伏的。所以量子色动化学就是把氧核类比于卡西米尔平板，氧核的8个质子构成的立方体，类似形成3对卡西米尔平板效应。众所周知，从普通的化学反应到核化学反应，都是以元素周期表中元素原子的原子核所含的质子数，可分和不可分的变化来决定的，但都不讲大尺度结构部分子无标度性实在的量子色动化学。如果“编码质点”和“非编码质点”是把质子和中子等粒子，都看成是“平等的人”，但在结构的代表性上，类似社会结构中领导和其他成员，编码是不同的一样；“编码质点”是把卡西米尔力引进到原子核。

如果质子数不是一个简单的强力系统，而是有很多起伏，也就能把“氧核”和“碳核”包含的相当于卡西米尔力平板的“量子色动几何”科学“细节”设计出来。因为氧核的8个质子构成的立方体，形成3对卡西米尔平板效应，这种“量子色动几何”效应是元素周期表中，其他任何元素原子的原子核所含的质子数的“自然数”不能比拟的。道理是：形成一个最简单的平面需要3个点或4个点，即3个点构成一个三角形平面，4个点构成一个正方形平面。卡西米尔效应需要两片平行的平板，三角形平板就需要的6个点类似碳基；正方形平板就需要的8个点类似氧基。

如果把这些“点”看成是“质子数”，6个质子虽然比8个质子用得少，但比较量子卡西米尔力效应，8个质子点的立方体是上下、左右、前后，可平行形成3对卡西米尔平板效应，即它是不论方位的。而6个质子点的三角形连接的五面立体，只有一对平板是平行的。把这种量子色动化学能源器参加到原子核里的量子波动起伏“游戏”，会加强质子结构的量子卡西米尔力效应。

由此这种几何结构，就有量子色动化学的内源性和外源性之分。但这仅从质子层次来谈的“编码质点”和“非编码质点”，还没有从夸克层次来谈“编码质点”和“非编码质点”，所以还不能完全说明第二类的放射性核素，能自发地从不稳定的原子核内部放出粒子或射线，如α、β、γ射线等，也在参加“编码质点”数组装的外源性；以及包括“非编码质点”的中子数，也能影响外源性核辐射的变化。由此先来比较看第一类量子色动化学振荡激发作用的碳、氧、钠、钾等元素：

钠原子是11个质子，8个质子点的立方体建构后，剩下3个质子正好建构一个多余的平面。这个平面可以看出类似风筝，像无人驾驶飞机吊着一个8质子点立方体的氧基，到处漂浮作卡西米尔效应色动化学能源器，起分子无核衰变的影响原子数不变的分化组合发力。这就是为什么钠比氧有更显著的燃烧效应，因为单个氧基的8个质子点立方体，相比钠原子是静止不会移动的东西。

同理看钾，其原子内是19个质子，两个8质子点建构立方体为超立方体，其卡西米尔效应比钠大。而钾的超立方体用去16个质子后也剩下3个质子，正好建构一个多余的平面，也可以看出类似风筝，像无人驾驶飞机吊着一个16质子点超立方体的氧基，到处漂浮起卡西米尔效应作分子无核衰变的影响原子数不变的分化组合发力，由此钾比钠有更显著的燃烧、爆炸效应。

同理来看与氧不移动相似的碳元素，由于碳原子内是6个质子，建构的五面立方体比氧基8个质子建构的立方体平行平面少两对，其卡西米尔力效应小，但也是所有简洁、力强中仅次于氧的元素。正是这种结构使氧和碳超乎所有其他元素之上。再说比碳原子多3个质子的氟元素，氟9个质子8个可以建构像氧的立方体，6个可以建构像碳的五面立方体。类似碳多出的3个质子也可以建构一个平面，如风筝像无人驾驶飞机吊着一个碳基卡西米尔效应，到处漂浮起作分子无核衰变的影响原子数不变的分化组合发力。因此氟虽是一种非金属化学元素，但氟气的腐蚀性很强，有剧毒，化学性质极为活泼，是氧化性最强的物质之一，甚至可以和部分惰性气体在一定条件下反应。当然氟的卡西米尔效应平板结构不定，与钾和钠也就有很大区别。这里要说明，原子和原子核内的3个质子建构的平面漂浮效应，不是要漂浮出原子和原子核的边界外，它们也受量子色动力学的夸克和胶子禁闭法则的管控。

由此延至第二类“鈈、铀、氘、锂”等两种裂变或聚变同位素放能的量子色动化学振荡反应，同理，从“编码质点”数为3的锂，3个质子可以建构一个三角形平面，如风筝像无人驾驶飞机吊着一个卡西米尔效应立方体，到处漂浮起作分子无核衰变的影响原子数不变的分化组合发力。到“编码质点”数为4的铍，4个质子也可以建构一个像风筝到处漂浮的正方形平面。再“编码质点”数为7的氮，原子序数“7”可以分解一个“3”和一个“4”，而可以建构一个三角形和一个正方形像风筝到处漂浮的平面，起作分子无核衰变的影响原子数不变的分化组合发力。所以在量子色动几何上，锂、铍、氮等对爆炸一类现象也具有特定含义的元素。其次是，不同于编码质点16的硫这种超立方体结构，还有新型的。

这就是原子序数为88的镭。因为按它的质子数编的码，88即为“编码质点”数，而不管它所包含的中子数的“非编码质点”。镭含有11个氧立方体，这类似一个“超钠”的新型结构，具有很常见的强放射性。由此看原子序数为92的铀，含11个氧立方体，具有强放射性。铀剩下的4个“编码质点”，正好构成一个正方形平面“风筝”。原子序数为94的鈈，含11个氧立方体，具有强放射性。鈈剩下的6个“编码质点”，正好构成一个碳基正五面立体。正是鈈的这个正五面立体加大了量子卡西米尔力效应，就比铀的那个正方形平面“风筝”，能使鈈比铀的核反应强。问题是：原子序数大于83的铋以上的元素，都存在天然放射性。

有人说根据普朗克公式, 原子的核外电子发生能级跃迁会放射出一定波长的电磁波，由此原子序数越大, 原子核对电子的束缚越弱，核外电子可扰动性就越大，自发产生天然放射就主要是，电磁波扰动产生的受激放射现象。但这不完整。量子色动化学振荡反应说明贝克勒尔发现天然放射现象，揭开原子序数在83或以上都具特有的放射性现象，能放出α、β、γ射线。但某些原子序数小于83的元素，如原子序数43的锝也具有放射性。

对所有的天然放射性衰变系核素，最后都会衰变到原子序数为82的铅的稳定同位素，于是原子序数到84钋之后的元素，为什么就没有稳定同位素呢？而且钾的编码质点数为19，也具有常见的天然放射性。甚至编码质点数为1的氢，为6的碳，为15的磷，也有天然放射性和人工放射性之分。这都说明，一是与元素原子核里所含的中子数，大于稳定同位素“编码质点”所“领导”的中子数，就会产生天然放射性和人工放射性的不稳定同位素。二是与元素原子核里，夸克层次的“编码质点”结构组装还有关。

量子色动化学联系质子和中子是由3个夸克组成，而介子是由2个夸克组成。其实6是3的倍数，两个3可以构成一个5面体，有1对卡西米尔效应平板。4是2的倍数，8是4的倍数，两个4可以构成一个正立方体，有3对卡西米尔效应平板。这仅是部分子的主体，在它们的量子真空周围还有很多的“0”量子起伏，构成夸克海、海夸克、和胶子海、海胶子。由此同上面一样，对外源性的影响也太多。量子色动化学是量子色动力学（QCD）和粒子物理标准模型的一个组成部分。QCD是一个描述夸克之间强相互作用的标准动力学理论，它能够说明轻子对强子深度非弹性散射的异常现象、喷注现象以及夸克的色禁闭问题。

在量子色动力学中，夸克由于带色荷而产生强相互作用，夸克之间交换胶子。但QCD至今仍然是一个没有被完全解决的问题，如果把弱力能源分为两部分：

一是众所周知的原子核衰变型的融合与分裂，都能释放出能量的核聚变能与核裂变能。另外是原子核子内的夸克海、海夸克、胶子海、海胶子云等，引起的外源性量子卡西米尔效应。量子色动化学是原子内的质子和中子不发生融合与分裂的核反应，而使原子组成的分子结构发生的非核衰变型或少核衰变型的化学分解与组合。这种“脑洞大开”来自上世纪40年代，荷兰科学家奥弗比克和卡西米尔给予的实验，证明和解释了类似真空量子起伏产生的吸引或排斥作用，启发解密原子核不是一个简单的强力系统，而是有很多起伏。

在原子核内部空间中，也许偶尔能够检测到类似“风筝借气流上天”效应的“弱力能源”的起伏，60多年来发展成为“量子色动化学元素周期表”，被钾钠量子色动化学升级到鈈铀氢 弹原理“IP+氢 弹”模型，引作基础：把正统的原子弹、氢 弹的科学原理比作“飞机上天”，量子色动化学IP+氢 弹的“夸克球”科学原理，虽然与类似“飞机上天”是不能相比的，而且也不能看作是常态。但在类似危险化学品的偶然组合相遇，如马成金工程师实验用极少量的钾、硝基苯、苯酚等混合物，放入加了极少量盐巴的一大碗水中产生的完全“燃烧”喷射，就属于这类非核衰变型的化学分解与组合能隙的弱力能源反映。

马成金工程师用自己的所学，解释为化学联键剂燃料反应，用来反对许驭先生在常态情况下水能变成油的说法。“中国的贝克勒尔”马成金，揭示原子核层次以下的夸克-胶子等离子体海衰变，可以影响分子的分化组合性现象，和1896年最早发现氧化铀等有放射性现象的法国物理学贝克勒尔，揭示在原子层次以下有核子衰变的相似之处，是都属偶然性质的发现，并且到此为止，他们在理论上也没有深入的探讨。当然马成金的局限性，是他只读到中专，也不是专业从事科研的。贝克勒尔也许因发现放射性是初期，不知它的危害，长期接触放射物质毫无防护，严重损害到健康，50多岁就逝世了。科学界为了纪念他，已将放射性物质的射线定名为“贝克勒尔射线”。