引力麦克斯韦方程组与及其对地震分布的解释

[收稿日期]2008209226
　[基金项目]国家自然科学基金资助项目(40774074)。

　[作者简介]陈清礼(19652),男,1987年大学毕业,博士(后),副教授,硕士生导师,现主要从事地球物理勘探方面的教学与研究工作。

引力麦克斯韦方程组与及其对地震分布的解释
陈清礼,严良俊　油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)
长江大学地球物理与石油资源学院,湖北荆州434023
[摘要]基于爱因斯坦的广义相对论,给出了引力场满足的麦克斯韦方程组,说明了自然界存在一种新的
物理场-质流场,并利用质流场对2003年到2006年中全球发生的549次地震的分布特征进行了解释。

质
流场是由运动的物质产生,而在质流场中运动的物质要受到力的作用。

由于质流场的存在,地球内部的
熔融岩浆随地球自转而发生运动,受质流场的作用具有向赤道平面运动的总体趋势。

地球内部的岩浆在
向赤道平面运动的过程中,遇到板块边界地壳薄弱处,向地表上涌,当岩浆上冲地层的作用力大于地层
的承载力导致地层断裂时,地震就发生了。

2003年到2006年中全球发生的所有549次地震的统计分析表
明,从低纬度到高纬度,地震发生的频度总体上呈现逐渐减少的特征。

这种分布特征正是地球内部岩浆
在质流场的作用下从高纬度向低纬度运动的外在表现。

[关键词]引力麦克斯韦方程组;广义相对论;地震;分布
[中图分类号]O41213;O314
[MR (2000)主题分类号]83C55　[文献标识码]A [文章编号]167321409(2008)042N001203
引力场理论[1]与电磁场理论[2]的相似性研究一直是物理学家们探索的一个课题。

麦克斯韦在1865年认识到库仑定律与牛顿万有引力具有惊人的相似性,引力和库仑力都与距离的平方成反比,他试图用电磁场方程组的形式来描述引力场,但因负能量问题而未果。

后来Holzmuller 和Tisserand 沿着麦克斯韦的路线又做了一些工作,但都未获得实质性的进展。

Heaviside 在1893年沿着这一路线进行了深入研究,他把引力分解成电引力和磁引力,成功地把引力场改写成一种与麦克斯韦电磁方程组非常相似的形式,该方程组隐含了引力波的存在。

牛顿引力理论在Lorentz 变换下具有不变性必然蕴涵引力磁场的存在,引力磁场是由运动的物质产生的。

爱因斯坦建立广义相对论之后,Thirring 在广义相对论的框架内对引力磁场进行了比较广泛的研究。

之后,Matte 、Bel Debever 、G ilmore 等人从爱因斯坦场方程出发从不同的途径,获得了麦克斯韦方程组形式的引力场理论,但这些形式与麦克斯韦方程组形式并不完全一致。

为此,笔者给出了引力电磁方程组[3]的一种完善形式,除了物理含义和常数的值以外,与麦克斯韦方程组完全一致,不存在细微的差别,并对2003年到2006年中全球发生的549次地震的分布特征进行了解释。

1　引力麦克斯韦方程组
质流场[4]是一种物理场,其存在于运动物质的周围空间。

因为是物质流动产生的场,将其命名为质流场。

质流场是一种矢量场而非标量场。

该场的一个性质是其对运动物质产生作用力。

用符号H 表示质流场的场强度。

质流场不同于引力场,引力场是具有质量的物质在其周围空间产生一种物理场,而质流场是由运动的物质质量产生的一种物理场,静止的物质不产生这种场。

正如静止的电荷产生电场而不产生磁场,运动的电荷产生磁场一样。

在流动物质周围空间中同时伴随有引力场和质流场这2种物理场。

从GEM 方程组出发,通过引入质流场的概念以及2个辅助矢量,可以得到了引力场E 和质流场H 遵循如下形式的方程组:
・
1・长江大学学报(自然科学版)　
2008年12月第5卷第4期:理工Journal of Yangtze U niversity (N at Sci Edit)　Dec 12008,Vol 15No 14:Sci &Eng
×E =-5B 5t
×H =J +5D 5t
・B =0
・D =ρ(1)
称之为“引力麦克斯韦方程组”。

式中,E 和H 分别表示引力场强度和质流场强度;J 为质流密度,是一个矢量,其方向为物质运动的方向,大小为单位时间内通过与物质运动方向相垂直的平面内单位面积的质量;ρ为质量密度;B 是描述质流场的一个辅助参量,其与质流场强度H 之间有如下关系:
B =μH
D 是描述引力场的一个辅助参量,其与引力场强度
E 之间有如下关系:
D =εE
ε和μ是2个常数,ε=-14πG =-11193×109s 2・kg/m 3,μ=-4
πG c 2=-91317×10-27(m 2/(s ・kg ))。

引力麦克斯韦方程组中的4个方程完备地描述了引力场和质流场在时间和空间中运动变化的规律,分别表示了4个物理定律。

方程 ×E =-5B 5t
表示时变的质流场产生涡旋的引力场。

由于时变的质流场可以感应出引力场,称该方程为质引感应定律。

方程 ×H =J +5D 5t
表明运动的物质或时变的引力场都会产生涡旋的质流场。

方程 ・B =0说明了质流场是一种无源场。

方程 ・D =ρ本质上是万有引力定律,揭示了产生引力场的源是质量分布。

可以由该方程推导出经典的牛顿万有引力公式。

推导思路为:
假设在空间中有一个质量为M 的质点,以质点为圆心,R 为半径作一个球体V ,球面记为S 。

在球体内对方程 ・D =ρ两边进行体积分可得到
∫v ・D d v =∫v ρd v ,根据矢量场的高斯定理,有∮s D ・d s =∫v d v 。

依据对称性,并注意到方程右边表示球体内总的质量,可以得到:D =M 4
πR 2R 0,其中R 0表示从质点的场点的单位矢量。

将方程D =εE 和ε=-14πG 代入上式,得到质量为M 的质点在距其为R 的
一点处的引力场强度为:
E =M 4πR 2εR 0=-G M
R 2R 0其中负号表示引力场强度的方向由P 点指向质点,这就是万有引力公式。

从引力麦克斯韦方程组可以看出,随时间变化的引力场可以感应出质流场,而随时间变化的质流场又可以感应出引力场,引力场与质流场的相互感应导致引力波的传播。

2　地震的分布特征及其成因
表1　地震分布统计表编号纬度范围/度地震次数/次密度(次/hm 2)10～1015311100210～209101680320～307901630430～409201080540～507001070650～604601058760～9020102
笔者统计分析了从2003年1月1日到2006
年12月底4年中全球发生的549次地震在地球
表面的分布状况,如图1所示。

从图1中可知,地震基本上都发生在纬度低
于60°的范围内,大于60°的地区很少有地震,
具体分布见表1。

可以发现,从赤道到两极,地
震发生的密度总体上呈现逐渐减少的分布特征。

下面利用质流场概念解释地震的这种分布特征。

・2・　长江大学学报(自然科学版)2008年12月
图1　2003年～2006年中发生的所有549次地震位置分布图
引力麦克斯韦方程组与麦克斯韦方程组形式上完全一样。

电磁理论中的一切结论,都可以从麦克斯韦方程组演绎获得,而关于引力场和质流场的一切规律自然都蕴涵在引力麦克斯韦方程组中。

在电磁理论中,2个载有同向电流的线圈之间,由于一个线圈在周围空间产生磁场,而另一个线圈在磁场中受到作用力而相互吸引。

与此相似,一个旋转的圆盘(有质量)因有物质的流动而产生质流场。

另外一个在质流场中旋转的圆盘受到的力作用。

这样,2个同向旋转的同轴圆盘之间存在吸引力,而反向旋转的同轴圆盘之间具有排斥力。

地球的自转,可以看成串在自转轴上的许多个同向旋转的圆盘,同向旋转的圆盘之间相互吸引,这样在整个地球内部存在从两极到赤道平面的一种目前还未被人类认识到的新的应力。

地球内部的熔融岩浆在这种应力的作用下,具有向赤道平面运动的总体趋势。

岩浆在向赤道平面运动的过程中,遇到板块边界地壳薄弱处,向地表上涌,当岩浆上冲地层的作用力大于地层的承载力导致地层断裂时,地震就发生了。

因为岩浆有向赤道平面运动的趋势,越靠近赤道,发生地震的机会就越多,当然,这种分布还受制于板块的结构和地层的状态,这就是图1中从高纬度到低纬度,发生地震次数不是单调递增的原因。

3　结 语
通过引入了质流场的基本概念,并用4个矢量来描述2种矢量场,给出了引力场E 和质流场H 所遵循的方程组形式———引力麦克斯韦方程组,进而得出旋转地球内部和其周围空间存在质流场,运动物质在该场的作用下发生运动。

地球内部的熔融岩浆随地球自转而发生运动,受质流场的作用具有向赤道平面运动的总体趋势。

地球内部的岩浆在向赤道平面运动的过程中,遇到板块边界地壳薄弱处,向地表上涌,当岩浆上冲地层的作用力大于地层的承载力导致地层断裂时,地震就发生了,从而认识了从赤道到两极,地震发生的密度总体上呈现逐渐减少的分布特征的机理。

[参考文献]
[1]薛琴访1场论[M ]1北京:地质出版社,19781
[2]谢处方,饶克谨1电磁场与电磁波[M ]1北京:高等教育出版社,19971
[3]J airzinho Ramos Madina 1Gravitoelectromgnetism (GEM ):A Group Theoretical Approach [D ]1Philadelphia :Drexel University ,
20061
[4]陈清礼,严良俊1基于一种新的物理场的广义引力场新理论[J ]1长江大学学报(自然科学版),2007,5(1):N01～041
[编辑]　洪云飞
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3・第5卷第4期:理工陈清礼等:引力麦克斯韦方程组与及其对地震分布的解释　
J ournal of Yangtze University(Nat Sci Edit)
　Sci&E ng V　Vol15No14　Dec12008
MAI N ABSTRACTS
01G ravity Maxw ell Equations and Its Explaintion of E arehqu ake Distribution
CHE N Qing2li,Y AN Liang2jun　(Key L aboratory of Ex ploration Technologies f or Oil and Gas Resources,Mi nist ry of Education, Yangtze Uni versit y,J ingz hou434023)
Abstract:Gravity Maxwell Equations were obtained based on general relativity t heory1The equations tell t hat a new p hysical vector field2mass flow field exist s in nat ure1Flow mass rises to mass flow field,and all flow mass in t his field will be forced to move along a direction perpendicular wit h t he mass flow direction1The new field is a concomitant of gravitational field1Rotating Eart h would p ro2 duce mass flow field,and Magma in t he eart h which spins wit h t he eart h wo uld be forced to move from higher latit ude to lower latit ude1This forced movement result s in t hat t he frequency of eart h2 quakes increases f rom t he area of lower latit ude to t he area of higher latit ude1The increasing has veri2 fied by t he549times eart hquakes f rom2003to20061
K ey w ords:gravity Maxwell equation;general relativity;eart hquake;dist ribution
04Modif ied B rotedn Methods with Nonmonotone Linesearch for Solving Nonconvex Minimization CHE N Zhong,T ANG G uan2li　(Yangtze Uni versit y,J ingz hou434023)
Abstract:In t his paper,a class of modified Broyden met hods wit h nonmonotone Wolfe linesearch was p resented1If t he objective f unction is twice continuously differentiable,t he global convergence of t he modified Broyden met hods is demonst rated wit h nonmonotone Wolfe linesearch1
K ey w ords:no nconvex minimization;Broyden met hods;glo bal con vergence
07A G lobally Convergent Method for Solving Linear Bilevel Programming Problem
LU Y i2Bing　(Yangtze Universit y,J ingz hou434023)
Y AO T ian2X iang　(Hebei Universit y of Engineering,Handan056038)
CHE N Zhong　(Yangt ze Universit y,J ingz hou434023)
Abstract:Following t he met hod of replacing t he lower level p roblem wit h it s Kuhn2Tuck optimality condition,we get t he optimization p rogramming p roblem wit h linear complementary const raint s1By analyzing t he relatio nship between t he linear bilevel programming problem and t he corresponding one level p rogramming p roblem,we t ransform t he linear bilevel programming problem into a series of lin2 ear programming pro blems equivalently1Then,we get t he global optimal solution of t he linear bilevel p rogramming using linear programming met hod1
K ey w ords:linear bilevel p rogramming,Kuhn2Tucker co ndition,global optimal solution
11Feedback synchronization of a modif ied unif ied chaotic systems
XIE Chen2rong　(Yuny ang Teachers’College,Danj iangkou442000)
X U Y u2hua　(Yuny ang Teachers’College,Danj iangkou442000;Donghua Uni versit y,S hanghai201620)
Abstract:This paper introduced a modified unified chaotic system1Some basic dynamical properties were studied1In addition,adaptive feedback synchronization was given to achieve the synchronization of the modi2 fied unified systems1Numerical simulations are given to show the effectiveness of these methods1
K ey w ords:unified system;linear Feedback;nonlinear Feedback chaos synchronization
25The Algorithm of H ard Threhold De2noising B ased on N e w Threshold V alue
Li Meng2xia,CHE N Zhong　(Yangtze Universit y,J ingz hou434023)
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Ⅰ。