正交碰撞生新态：膨胀力 - 上拽力 - 地应力-

钱维宏

北京大学物理学院

在科学探索中，跨学科的碰撞往往能激发出新的灵感和理论。正交碰撞理论就是这样一种全新的理论框架，它试图将天文、气象和地质现象背后的物理机制联系起来，为我们理解自然现象提供了一个统一的视角。本文将探讨正交碰撞理论如何揭示宇宙、气象和地质现象背后的统一机制。

1、科学与艺术的碰撞：从斗牛图说起

科学与艺术的结合常常能擦出意想不到的火花。物理学家李政道先生曾邀请画家李可染先生创作一幅斗牛图，以表达重离子对撞生新态的前景，这幅画被放置在清华大学科技园内。画中两头牯牛猛烈相抵，迎面相撞，力量感十足，不仅展现了艺术的魅力，也隐喻了物理学中碰撞的奇妙力量。这种跨界的思考方式，或许能为科学理论的发展提供新的启示。

2、碰撞的思考：杨振宁的启示

物理学家杨振宁先生曾对我国计划建设100公里长地下隧道的电子加速器和对撞机提出不同看法。他建议中国高能物理学界探索新的研究方向，如寻找创新的加速器原理和美妙的几何结构，以更高效、更经济的方式推进高能物理研究。这种思考方式为我们理解碰撞的意义打开了新的大门。科学不仅仅是实验和数据，更是思想和理论的碰撞。这种跨学科的思考方式，也为正交碰撞理论的提出奠定了基础。

3、宇宙的膨胀：哈勃的发现

天文学家哈勃通过观测发现，宇宙中的天体并非静止不动，而是在加速膨胀。这一宇观现象让我们对宇宙的起源和发展有了更深入的思考。正交碰撞理论认为，宇宙大爆炸可能是两个旧物质正交碰撞时的前景。这次碰撞时的爆炸产生了巨大的初始能量密度，形成了大量粒子组成的新物态。其中的每个新粒子都在加速运动，形成了整个宇宙的膨胀，而它们的目的地分别是太阳、地球和月球的中心，以及其他天体的中心。这种膨胀力，正是我们通常所说的万有引力。

4、气象的奥秘：上拽力的提出

1983年，江苏省气象局原总工程师王式中在第2届亚洲流体力学会议上提出了“上拽力”的概念，认为龙卷风、冰雹、暴雨等强对流性极端天气的形成，是因为大气中出现了上拽力，使得空气产生了垂直加速度。正交碰撞理论为这一现象提供了解释：在对流层的低层，两股相对气候态参考大气的水平扰动湿水汽气流以近似90度的夹角正交碰撞，会在碰撞点产生异常的能量密度和垂直加速度运动，即形成了上拽力和下拽力[1,2,3,4]。这正是龙卷风漏斗云旋转下沉加速运动的原因，也是雷达回波显示积雨云顶到达十多公里高度的原因。

5、地质的变迁：地应力的发现

李四光先生通过长期的地质研究和理论探索，提出了地应力在地质构造中作用的思想，认为像青藏高原这样的高大山脉，需要巨大的地应力才能将位于海平面高度的地壳向上抬升到几千米的高度。正交碰撞理论也为地质现象提供了新的视角：在地球地质演化的早期，地核与岩浆圈层的角动量交换，使得表层岩浆流体长期向东和向赤道运动。这种表层岩浆流体运动驱动了位于两个半球中高纬度的较厚原始地壳发生分裂，同时推动分裂的地壳板块在近赤道附近发生水平辐合带上的正交碰撞，形成了青藏高原及其西侧的一系列山脉[5]。

6、正交碰撞理论：一个全新的视角

正交碰撞理论认为，当两个水平质量力以90度夹角碰撞时，会产生一个新的垂直矢量，而其模（质能密度）与两个水平力之间碰撞夹角的正弦函数值成比例[2,3,4]。这种碰撞会产生宇宙学中的膨胀力、气象学中的上拽力和地质学中的地应力。

这种理论试图将天文、气象和地质现象联系起来，提供一个统一的解释框架。对于两个力的迎面碰撞，它们的夹角为180度，新形成的矢量模为0。只有当碰撞夹角是90度时，形成的矢量模或质能密度最大。当然，高速迎面碰撞的两个体块也会被撞碎成较多的碎片。这可能是杨振宁先生提出的，对撞机有待几何研究的思考。

两力“正交碰撞生新态”的结果，无论在数学表达、物理解释还是几何图形上，都是简洁而美丽的。人造对撞机的目标是通过旧粒子碰撞发现新粒子（新物质），“正交碰撞生新态”是最为经济和高效的做法。

正交碰撞理论不仅为我们解释了宇宙的起源，还为我们理解气象和地质现象提供了新的思路。在气象领域，龙卷风等强对流天气的形成可以用正交碰撞理论来解释[2,4]。在地质领域，地球地质演化早期过程中的造山运动也可以通过正交碰撞理论来理解[5]。这种统一的视角，让我们看到了多科学之间的内在联系，也为我们提供了多学科的新研究方向。

7、从理论到实践：碰撞的验证与应用

正交碰撞理论的提出，不仅是一个理论上的突破，它还为科学研究提供了新的方法和工具。在天文学领域，通过哈勃望远镜和其他大型天文观测设备，科学家们可以寻找宇宙大爆炸的痕迹，验证正交碰撞理论的科学性。在气象学领域，通过计算机扰动方程组的模拟[6]和气象卫星数据，科学家们可以重现极端天气的形成过程，验证正交碰撞理论在气象领域的适用性。在地质学领域，通过地质勘探和地震波分析，地质学家们可以寻找地球内部碰撞的痕迹，验证正交碰撞理论在地质领域的正确性。在其他学科领域，只要牵涉到与物质或者粒子碰撞有关的研究方向，从宇观到宏观和微观，都可以考虑物质或粒子运动速度和方向的变化做碰撞对比分析，验证正交碰撞理论广泛应用的普适性。

8、碰撞的哲学思考：从混沌到有序

正交碰撞理论不仅是一个科学理论，它还引发了我们对宇宙、自然和生命的哲学思考。从宇宙的起源到生命的诞生，从人类社会的发展到自然现象的演化，碰撞的力量贯穿其中。这种从混沌到有序的转变，是自然界中常见的现象。正交碰撞理论或许可以为我们提供一种新的思维方式，让我们更好地理解自然现象背后的统一机制。

9、讨论：创新需要思想碰撞

对自然规律和物质的新发现需要科学家们的思想碰撞。例如，杨振宁和李政道两位先生年轻时的思想交流，为粒子物理领域“宇称不守恒”理论带来了突破性的贡献，获得了物理学界的最高荣誉——诺贝尔奖。杨先生与中国高能物理学界对如何建造对撞机的几何思考，也是他持续的思想碰撞。各行各业，甚至社会团体和国家的进步，都需要不断地思想交锋与对话。任何封闭的和相互脱钩的做法都不利于社会的发展。

10、结语：碰撞的未来

正交碰撞理论为我们提供了一个全新的视角，让我们重新审视宇宙、气象、地质现象，甚至社会发展。它不仅为我们解释了许多自然现象，还为我们提出了许多新的自然和社会问题。这种理论的提出，不仅是科学的进步，也是人类思维方式的突破。在未来，正交碰撞理论或许会成为我们理解自然万象的关键，为我们打开通往未知世界的大门。让我们期待，在碰撞的世界中，我们能够发现更多学科中的奥秘，探索更多的未知。

参考文献

Qian WH, Du J, Ai Y (2021) A review: Anomaly-based versus full-field-based weather analysis and forecasting. Bull. Am. Meteorol. Soc. 102(4): E849–E870.

Qian WH, Du J (2022) Anomaly format of atmospheric governing equations with climate as a reference atmosphere. Meteorology 1, 127–141.

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? Wea. Clim. Extremes，https://doi.org/10.1016/j.wace.2023.100633

Qian WH, Leung J, Zhang B (2023) An orthogonal collision dynamic mechanism of wave-like uplift plateaus in Southern Asia. Open J. Geology, 13: 828-846.

Qian WH (2024) The essence of gravity is the expansion tendency of the universe after the Big Bang. Journal of Modern Physics, 15, 804-849.

Qian WH (2025) Expanding force in astronomy and updraft force in meteorology. Journal of Modern Physics, 16, 267-285.