物理學理論研究

論文類別:理學論文 > 物理學論文
論文標簽:物理教育論文 物理研究論文
論文作者: 譚星軍
上傳時間:2003/3/18 13:35:00

一、駁宇宙大爆炸假说
當人們用望遠鏡觀測银河系以外的星系時,可以发現絕大多數星系光譜都存在紅移或藍移現象,並且越远的星系其光譜紅移值越大。根據多普勒效應:星系光譜存在紅移說明星系正離我們遠去,星系光譜存在藍移說明星系正向著我們運動。需要指出的是越遠的星系紅移值也越大,看起來所有的星系都好象以銀河系為中心向外爆炸形成的一樣,越遠的星系離開我們的速度也越大。鑒於此有人提出宇宙大爆炸假說:認為宇宙是由150億年前發生的一次大爆炸形成的,人類居住的銀河系則是宇宙的中心。可是人們在觀測銀河系和河外星系時,卻並沒有發現銀河系有什麽特別之處。有人據此懷疑宇宙大爆炸假說;也有人從星系的演化推算出宇宙的年齡大於150億年;还有人認為若宇宙大爆炸假说是正確的,那麽宇宙輻射在各個方向上就會表现出各向異性;更有人擔心宇宙的膨脹沒有尽頭,遂認為宇宙的膨脹和收縮是交替進行的……。但不管怎樣,大部分人還是相信“眼见為實”,由星系光譜的紅移現象承認了宇宙大爆炸假說。更有人把紅移現象與宇宙背景輻射和宇宙元素豐度並作宇宙大爆炸假說的三大支柱。那麽宇宙是否發生過爆炸並仍在向外擴張,年齡是否只有150億年呢?非也!
1. 星系光譜紅移原因
20世紀初,當人們用望遠鏡觀測銀河系以外的星系時,發現絕大多數星系光譜都有紅移現象,並且越遠的星系其光譜紅移值越大。有人認为星系光譜紅移是因為星系正在離我們遠去,從而得出这樣的結論:所有的星系都是以我們銀河系為中心向外爆炸後形成的,越遠的星系離開我们的速度也越大;宇宙中所有的星系都在彼此分離,並且越遠的星系相互分離的速度越大。值得一提的是,我們銀河系正處在爆炸中心,足以值得我們自豪的是:银河系是宇宙中獨一無二的星系—因為它是宇宙的中心。更讓我們驚奇的是,銀河系自身也在不斷運動著,然而無论它運動到哪裏,它始終是银河系的中心。我們解釋不了銀河系為什麽是宇宙的中心,因為銀河系也和其它星系一樣,並沒有什麽特别之處。有人以為,銀河系处於宇宙的中心是一個巧合,雖然银河系從上個世紀至今一直在不断運動,但它走過的距離和整個宇宙空間的尺寸比起來是微不足道的,所以銀河系目前仍然處在宇宙的中心,這種看法未免有些牵強。因為人們在觀測近處的星系時,發現近處的星系並沒有相互分離的趨勢,並且也沒有證據表明近處的星系正在以某一個中心為起點向外膨脹。因此“銀河中心說”頗值得懷疑。還有的人雖然承認宇宙大爆炸假說,但不承認“銀河中心说”,他們不認為銀河系是宇宙的中心。這種觀点同樣也是站不住腳的。我們可以這樣分析:如果宇宙大爆炸假說是正確的,那麽宇宙中所有的星系必定在以某一個中心為起點向外膨脹,星系之間彼此互相分離。目前我們觀測到近处的星系並沒有相互分离的趨勢,並且也沒有證据表明近處的星系在以某一個中心為起點向外膨脹。倘若我們不是在宇宙的中心而是處於偏離宇宙中心的任一點處,因為在我們周围的星系都沒有相互分離的趨勢,也沒有以某一個中心為起點向外膨脹,這样一來,倘若宇宙中任一點處的星系都沒有相互分離的趨勢,那麽整個宇宙也不可能在膨胀,即宇宙大爆炸假說是錯誤的。
前事不忘,後事之師。人類文明發展到今天,“地心說”和“日心說”都被证明是為科學,難道我們還要重蹈覆辙提出“銀河中心說”吗?愚以為,我們應當承認這樣一個假設,那就是:银河系按目前的速度運動下去,100萬年,100億年以後,我們仍然會發现自己處在宇宙的“中心”,無論我们處在宇宙的任何地方,中心也好,邊緣也好,我們都會发現宇宙中越遠的星系光譜紅移值也越大,就好象我們處在宇宙的“中心”一樣。事實上,這個“中心”是光子在宇宙空间中的傳播特性引起我們視覺上的錯误,“眼見”未必“為實”,我們不能過分相信“眼见”的東西。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
红移現象是否由觀測者自身的運动引起的呢?不是的!如果紅移现象是由觀測者自身的運動引起的,那麽我們將观測到與我們相向運動的星系光谱將發生藍移而與我們相背運動的星系光譜將發生紅移,然而事實並非如此。再者,雖然我們“坐地日行八萬裏”,但这個速度和光速比起來實在算不了什么,不至於影響觀測結果。換句话說,我們在觀測星系紅移值时,觀測者自身運動速度的影響可以忽略不計。紅移現象說明光子與觀察者之間的相對速度變小了。產生這种情況有兩種可能:第一是星系正離我們遠去,第二是光子在穿越宇宙空間時速度變小了。这兩種情況都可能導致星系光譜紅移。我們認為導致星系光譜紅移的原因是後者。光子在穿越宇宙空間时會與各種粒子(比如引力子)相互作用從而使其速度逐漸減小。當然單個粒子與光子作用時間極短,引起光子速度的改變量也是極其微小的,以致於我們觀測不到。随著光子穿越宇宙空間距離的增大,与光子作用的粒子數目也逐漸增多,光子速度的減小量也越明顯。可以推測:光子在穿越一定的宇宙空間距離後速度将減小到零。由於光子速度為零故相對我們的能量也為零,這样的光子當然不會被我們观測到。可見用光學法觀測宇宙空間尺度時有一個極限:150億光年(也有人認為是200億光年)。在這個尺度以外的星系發出的光子由於在沒有到達地球時速度已經降低到零,所以這樣的星系不可能被我們觀測到,至少目前還沒有办法觀測到。也有人認為,紅移現象是由光子頻率減小引起的,即認同第一種可能:認為星系正離我們遠去。這種觀點聽起來很有道理,卻經不起分析。我們知道,星系離我們遠去時會引起光子頻率減小,但各種不同频率光子的頻率減小量應該相同,反應在星系光譜上,各種不同頻率光子的紅移量應該相同。因此,不論星系離我們多遠,星系光譜雖然发生紅移但不應該變寬,但事实上遠處星系光譜卻被拉寬了(星系光譜不會變宽是指星系光譜中任意兩條譜線的距離恒定,雖然它們都发生了紅移,但它們移動的距離相等,因此各譜線之间的距離不變)。而且能量越小的光子紅移值越大,能量越大的光子紅移值越小。不同頻率光子的頻率減小量不同,說明紅移現象不是由光子頻率减小引起的。即第一種可能站不住腳。假設宇宙中所有的星系都是靜止的,宇宙空間中的物質是均勻分布的,那麽光子穿越宇宙空間時的速度衰减量僅與其通過的空間距離有关。光子穿越的宇宙空間越長,其速度衰減量也越大。這样星系光譜的紅移值僅與其离我們的距離有關,離我們越遠的星系紅移值也越大,就好象越遠的星系正在以越快的速度离開我們一樣。這也正是哈勃定律所揭示的:星系遠離银河系的速度ν與距離成正比,ν=H*D,其中H為哈勃常數。實際上宇宙中各星系都在不斷運動著,宇宙空間中的物質也並非均勻分布的,造成星系光譜紅移的原因也很多,所以光譜的實際紅移值要考慮許多情況。
2. 谱線紅移與光子速度衰減
光子與宇宙空間中的粒子是如何作用的呢?可以設想,宇宙空間中存在許多比光子質量小得多的粒子(比如引力子)。由於光子在與粒子作用後仍然是光子,可以認为光子僅與粒子發生了彈性碰撞。既然是彈性碰撞,我們知道,二者質量越接近光子損失的能量越大。由於光子的質量遠遠大於引力子的質量,所以在不同頻率(質量)的光子中,頻率(質量)較小的光子損失的能量较大。於是經過同一段宇宙空間以後,在不同频率(質量)的光子中,頻率(质量)較大的光子損失的能量較少,頻率(質量)較小的光子损失的能量較大,例如紅光损失的能量比紫光損失的能量多。由於不同頻率(质量)的光子在宇宙空间運動時都損失了能量,這樣整个星系的光譜將向紅端移動,但由于紅光損失的能量多向紅端移動的距離大,而紫光損失的能量少向紅端移動的距離小,於是整個光譜被“拉寬”了。如果不同頻率(質量)光子的能量損失率相同,虽然它們都產生紅移,但是它們紅移的距離相等,這樣星系光譜雖存在紅移但不會被“拉寬”, 星系光譜存在紅移而且被“拉寬”说明兩點:第一光子在穿越宇宙空间時速度會衰減,第二不同頻率(質量)的光子速度衰減率不同。顯然,由於不同頻率(質量)光子的能量損失率不同,各種光子的速度衰減量差异將隨著空間距離的增加而增大,这樣星系光譜被“拉寬”的程度與其離我們的距離有關,離我們越遠的星系其光谱被拉寬的程度也越大。另外,星系光譜被拉寬時還有一個特點,那就是能量大的光子被拉宽的程度小,能量小的光子被拉寬的程度大。也就是說,越靠近紅端光譜被拉寬的程度越大,越靠近紫端光譜被拉寬的程度越小。考慮到星系引力場的影響,實際情況還要復雜一些。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
上面我們談到光子在宇宙空間運動時速度會逐漸減小,這和人們熟悉的“真空中光速不變”的看法相矛盾。實際上宇宙空間並非真空,即使宇宙空間是絕對真空它還存在引力場。換句話說,光子在真空中速度变不變的問題,實際上是光子受不受引力作用的問題。如果光子不受引力作用,那麽真空中光速不變,但這樣一來不论星體的引力再強,對光子都沒有影響,從而宇宙中也不可能产生“黑洞”了,而現在的黑洞理論基礎將不復存在;假如光子受引力作用,则就不應該有“真空中光速不變”的結論。有人對此這樣解釋:宇宙空間中各星體的引力分布在不同的方向上,它們的作用力相互抵消,因此光子在宇宙空間中的速度不變。這種解釋也是站不住腳的。我們知道在太陽系內,引力的方向是指向太阳的;在銀河系裏引力的方向是指向銀河系中心的,所以局部的宇宙空間引力總是有一定的方向的。我們認為光子作為一種物質实體,它的速度並非一成不變的。無論在真空中還是在介質中,它的運動速度都會越來越小。所以,光速不變只是一個神話,光年也不能作為距離單位,因为光子在前一年中走过的路程總比後一年中走過的路程長。
3.光子在引力場中的運動
星光在通過太陽附近時會受到太陽引力的作用而發生彎曲,說明光子也會受到引力的作用。其實光子也有質量,當然会受到引力作用了。通常我們認為:引力場中物質的加速度僅與引力場的強弱有關,而與物质的質量無關。如在地球表面不管是1噸的物體還是1千克的物體,其每秒获得的速度增量都是9.8米/秒。但引力场中光子的加速度與其質量有關:質量越小的光子加速度越大,質量越大的光子加速度越小。既然光子也受引力作用,那麽很自然,光子在離開引力場時必然會被减速,在進入引力場時必然會被加速,在垂直於引力方向(或其它方向)運動時受引力影響其運動軌跡也會發生變化。既然光子在離開引力場時會被減速,而且質量越小的光子速度衰減量也越大,那麽星體發出的不同頻率的光子就有不同的速度。一般而言,星體引力越強,其發出的光速度也越小;當星體引力足夠強时甚至可能使一部分光子擺脫不了星體引力的束縛,產生黑洞现象。對同一星體而言,在它發出的光中,質量大的光子速度大,到達地球的時間也越早;質量小的光子速度小,到達地球的時間也越晚。我們通常認為不同頻率的光同時到達地球,這其實是錯誤的。關於這一点我們可以用實驗來證實。當星體發生爆發或其它異常時,總是能量較大的X射線或γ射線先被我們觀測到,其次才是可見光,然後才是紅外線。雖然理論上如此,但在實際觀測中總有這样或那樣的因素及別的解釋使大部分人不相信這一點。如果條件允許的话,我們可以用一個實驗來證實我們的觀點。在離我們很遠的宇宙飛船上以兩種不同能量的光子同時發出一種信號,這两種光子的能量差異越大它们到達地球的時間差異也越大。實際上考慮到不同能量的光子在同一介質中的傳播速度不同,我們應該想到不同頻率的光子在真空中的傳播速度也不相同。由於光子在穿越宇宙空間时速度逐漸減小,並且質量小的光子速度衰減得快,可以想象,在經過一段相當長的距离以後,質量小的光子速度已經衰減到零而質量大的光子速度不為零,這樣我們就只能觀測到質量大的光子。若星體离我們更遠一些,則我們只能觀測到质量更大的光子……,隨著空間距离的增大,最終我們將看不到遠處星體發出的光,这個距離就是我們現在認為的宇宙極限--150億光年。人們在觀測宇宙时總有一個錯誤想法:由於真空中光速不變,所以不管離我們多遠的星系,只要足夠亮就可以被我们發現。事實上宇宙空間並非真空,光子在其中穿行時速度会逐漸減小,所以任何星系發出的光只能傳播一定的距離,也正因為如此,不管我們在宇宙中任何地方,始終只能看到有限的宇宙空間。換句话說,目前我們能夠觀測到的宇宙空间的尺度實際上是光子在宇宙空间中傳播的最遠距離。轉貼于 免費论文下載中心 http://www.hi138.com
4.光子在宇宙空間中的運動
實際上光子在宇宙空間运動時並不總是做減速運動。在光子離開星體時它要掙脫引力的束縛而作減速運動,當它脫離星體的引力场在空間自由運動時,也作減速運動;如果它進入另一個星體的引力場向著該星体運動時,就會在該星體的引力作用下作加速運動。光子就這樣減速--加速--減速--加速……不停地穿越宇宙空间,直到其速度為零。倘若星体離我們很近而引力又很小,從該星體發出的光速度衰減量不大,但進入銀河系時光子的速度增加量有可能很大,當光子的速度增加量大於其速度衰減量,或者說大於剛離開星體表面时的速度,在我們看來該星體光譜就發生了藍移。忽略距離因素,由於星體自身在不斷運動,這樣它相对銀河系引力場的強弱也可能發生變化,所以其光谱也可能有規律的發生紅移或藍移。通常情況下,宇宙空间對光子的減速作用總大於加速作用,所以星系的光譜以紅移的居多。
光子在引力场中速度變化的問題許多人恐怕不相信也不能理解。一些人認為光子沒有靜質量,況且光子是一種波,在引力場中的運動規律和宏觀物質不同。其實持這種觀點的人把光子神話了,弄的不可捉摸了。現在大多數人都接受了“黑洞”的概念,认為當一個星體的引力足夠強時甚至连光子也逃脫不了,因而是漆黑的一團。這裏實際上指出了光子也會受到引力作用。既然光子也受引力作用,那麽它在引力場中的加速與減速自然就可以理解了。稍後我們將看到,引力作用是造成衍射現象的重要因素之一。
5. 類星體
一個很明顯的事實是:宇宙中離我們越遠的星體能量越大,通常類星體離我們的距離都在10億光年以上,並且遠處星體發出的光中能量較大的光子占有很大的成分。有人把這作為支持宇宙大爆炸的依據,认為:若宇宙中物質是均勻分布的話,則在我們銀河系或其周圍就應該有象類星體这樣的高能星體存在。為什麽我們在近處發現不了類星體呢?一些人看見遠處的星體發出的光中含有大量的X射線或γ射線成分,就推測此類星體存在著目前尚不為我們知道的能量源。這種觀點未免有些片面。實際上宇宙中大部分恒星的能量都差不多,能量特別大的和能量特別小的只是極少數,恒星的能量呈中間多、兩頭少的分布態勢。從遠處的恒星發出的光,在經過漫長的宇宙空間以後,能量小的光子由於速度衰減率大而停了下來,不被我們觀測到;只有X射線和γ射線才能到達地球。所以我們觀測到該星体的光子中,X射線和γ射線占有很大的成分,以致於我們誤認為這類星體只向外發出X射线和γ射線。實際上這類星體也向外發射可見光和紅外線,但是可見光和紅外線由於速度衰減到零故我們觀測不到。這就導致我們觀测到極遠處的星體,其顏色通常是蓝色或紫色,事實上可能和该星體的真實顏色相差極大。這說明我們看到的星體的顏色未必就是星體的真實顏色,星體的顏色是由其自身能量狀況和離我們的距離決定的,星体離我們的距離越大往往使其颜色中的藍色和紫色成分增加。另外,我們認為類星體離我們非常遠,是因為類星體的紅移值很大。也就是說我們没有直接證據表明類星體真的離我們很遠。考慮到光子在引力場中的運動,我們知道:當星體的引力足夠大时,其發出的光子速度衰減量也較大,因而該星體的光譜也将發生較大的紅移。這就是說,引力因素也可以使星系光譜產生紅移。倘若星體引力足夠大又离我們很近,由於星體红移值較大,往往導致我們認為該星體離我們很远。舉例來說,假設有一個引力較大的星體處於銀河系的中心,由於該星體引力很強,導致它發出的光子速度衰減量極大,我們在觀測其光譜時就會觀測到很大的紅移值,根據該星體很大的紅移值我們就會認為它离我們非常遙遠,絕不會想到它就在銀河系中心。
如何解釋類星體离我們那麽遠而其發射的X射線和γ射線又是如此強烈呢?只有兩種可能。第一,類星體的能量非常大,向外發出的X射線和γ射線非常強;第二,類星体離我們並沒有原先認為的那麽遠,類星體光譜的紅移是由类星體的引力造成而並非由距離因素造成的。我們認為兩種因素都有。因為如果類星體離我們非常遠,那麽我們觀測到其向外發出的X射線或γ射線就不可能很強;倘若類星體的能量不是很大,它的引力場也不可能很強,不足以使其光譜產生較大的紅移。這说明:星系光譜發生紅移可能是距離因素造成的,也可能是引力因素造成的,紅移值大的星體未必就離我們遠。那麽,如何區別星體的引力紅移和距離紅移呢?對觀測者而言,由距離因素造成紅移的星體發出的光不可能很強,而由引力因素造成紅移的星體發出的光往往很強,特別是X射線或γ射線的成分多。类星體的發射光譜和吸收光譜的寬度不同,通常吸收光谱的寬度比發射光譜窄,為什麽呢?我們知道,吸收光譜是由於光子經過大氣後產生的,這說明類星體周圍也存在氣體。光子從高温星體內部發出以後,總会有一部分光子沒有被氣體吸收而直接射向宇宙空間,這些光子形成發射光譜;還有一部分光子在與氣體作用後,頻率(質量)大的光子損失的能量大,频率(質量)小的光子損失的能量小;光子離開類星體在宇宙空间中運動時,則是頻率(质量)大的光子損失的能量小而頻率(質量)小的光子損失的能量大,總的看來各種不同頻率的光子速度差異減小,所以其光譜紅移值也較發射光譜小。實際上類星體的吸收光譜還可能有幾種不同的寬度。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
6.黑洞與星體引力
最初在人們考慮黑洞時,認為它的引力強到連光子也逃脱不了,因而是漆黑的一团,黑洞是宇宙中物質的墳墓。後來人們認為黑洞可以向外發出X射線和γ射線。同樣是光子,能量大的可以逃脫,能量小的逃脫不了,說明(黑洞的)引力對光子的作用是不一樣的。事實上我們知道當星體的引力逐漸增強時,總是質量較小的光子逃脫不了,質量较大的光子則可以擺脫星體的引力,並不是所有的光子全部被吸入星體中。所以從這個意义上來說,狹義上的黑洞僅指引力強到可見光不能脫離的星體,即在可見光波段觀測不到的星體;廣義上的黑洞指引力強到使一部分光子不能脫離的星體,即在某一能量較小的波段觀測不到的星體,這裏廣義上的黑洞甚至可能非常亮,可以被我們肉眼看到,但在紅外線波段或能量更小的波段卻觀測不到。從理論上講,“黑洞”並不黑,至少它可以向外發射X射线和γ射線或能量更高的光子,完全不向外拋射粒子的黑洞是不存在的。那麽宇宙中黑洞存在嗎?當然存在了。當星體離我們足夠遠,以致於該星體發出的紅外線速度衰減為零而不被我們觀测到時,它就像一個“黑洞”;若星体離我們再遠一些,可見光不再为我們觀測到,只能观測到X射線和γ射線,这時它就是漆黑的一團,成為名副其實的黑洞;而宇宙中150亿光年以外的星體對我們來說是完全徹底的黑洞,因為我們完全觀测不到它們。除了因空間距離造成“黑洞”現象以外,星體的引力也可以造成黑洞现象。黑洞現象並不是我們原先想象的那樣:“當星體的引力足夠大時,所有的光子都被吸入星體中,整個星體變成黑暗的一團”。當星體的引力逐漸增大時,它對光子的束縛作用也逐漸增強。星體的引力足夠大時,紅外線光子將擺脱不了星體引力的束縛,而可见光、紫外線則可以擺脫星體引力的束縛;星體的引力再增大時,可見光將擺脫不了星體引力的束縛,而紫外線則可以擺脫星體引力的束縛;若星體的引力再增大,可能只有γ射線放出。應該明確指出:黑洞現象是與星系光譜的紅移緊密相連的。若某一星體的光譜不存在紅移現象,則它一定不是黑洞;若某一星體的光譜存在红移現象,則它可能是黑洞也可能是距離因素造成的。
總的來说,我們對黑洞的認識經歷了三個階段:第一階段認為黑洞的引力足夠強,所有的光子都不能擺脫黑洞的引力,因而整個星體是黑暗的一團;第二階段認為黑洞可以向外發出強烈的X射線或γ射線,人們認識到黑洞的引力對不同能量光子的作用不同;第三階段也就是現在正在探索的階段。应該明確指出:與黑洞現象緊密聯系的因素有兩個,引力因素和距離因素。以往我們在考慮黑洞現象时往往只考慮引力因素而忽略了距离因素,這就導致我們認為整個宇宙空間僅有150億光年,對150億光年以外的宇宙空间,認為看不見的就是不存在的。
7.恒態宇宙
也許有人會問,既然光子的速度能夠降低到零,那麽宇宙中會不會堆積越來越多的光子呢?不會的!光子作為物質的一種存在方式,它不是永恒的,在一定条件下光子可以轉化为別的物質,也就是說光子是有一定壽命的。任何一個光子不可能永遠存在下去,它必將轉化為别的物質形式。宇宙中的物質無时無刻不在運動,所以宇宙中不会堆積越來越多的光子。雖然我們目前並不知道光子是如何轉化为別的物質的,但我们依然相信整個宇宙是穩定的、恒態的,而局部宇宙则可能是不穩定的,处於演化過程中的。同樣的道理,整个宇宙也不會被光子均勻照亮。由於光子在宇宙空間中運动時速度逐漸減小,所以任何星體發出的光只能传播到有限遠處。也正因為如此,我們所觀測到的宇宙始終是有限的。如果想觀測更遠的宇宙空間,一個方法是派出宇宙飛船,另一個辦法是在宇宙空間中建立許多中轉站,在光信號速度未衰減到零以前接受、放大、轉播它。理論上講,只要中轉站的數量足夠多,我們就可以看見任意遠處的宇宙空間。转貼於 免费論文下載中心 http://www.hi138.com
8.浩瀚宇宙
假設我們能夠乘座一艘高速飛行的宇宙飛船遨遊太空,在剛離開地球时,我們可以觀測到150億光年的宇宙,離我們越遠的星體其紅移值也越大,遠處的星體放出強烈的X射線或γ射線。隨著我們飛行距離的增大,我們會發現銀河系的紅移值越來越大,並且其顏色逐漸偏藍,而原先我們觀測到呈藍色或紫色的星體顏色逐漸偏紅,最終銀河系將消失在我們的視野之外。當我們飛到离銀河系150億光年的地方,我们發現展現在我們面前的宇宙範圍仍然有150億光年;而原先我們認為正在以很大速度分離的星體或膨脹的宇宙空間并沒有膨脹。無論我們飛到哪裏,始终只能看見150億光年的宇宙空間,也始終能夠看見150億光年的宇宙空間,宇宙是無限的;並且我們始終是宇宙的“中心”,因為所有的星體看起來所有的星體都好象以我們為中心向外爆炸形成的一樣,越遠的星系(紅移值越大)離開我們的速度也越大。我们認為,宇宙是無始無終的,物質的存在是永恒的,對某一特定的物質形態有其產生和消亡的过程,但整個宇宙不存在產生和消亡的過程,它是自始至終存在並且不會消亡的。同時也應該看到,宇宙是無限的,不會僅僅只有150億光年的空間。
从上個世紀以來,人們已经探索到了上百億光年的宇宙空間,然而這只不過是蒼海一粟。也許還要幾十年甚至上百年人类才能認識到宇宙的無限性,但只要天下有誌之士攜手合作,這一天定会早日到來。
二、淺談光的衍射
通常情況下光总是直線傳播。但當光線經過足夠窄的窄縫時將形成明暗相間的衍射條紋。由於光子不帶电,在電磁場中不偏轉,所以光子的衍射不是電磁力作用的結果,而是引力子與光子作用產生的。光子與引力子作用不是一個簡單的碰撞過程,而是一個極為復雜的過程。在光子與引力子相遇的一瞬間它們形成一個混合体,這就打破了結合前光子內部各部分的平衡,混合體內部存在著排斥力和凝聚力兩種作用。若排斥力占主導作用,則混合體將在極短的時間內“裂變”放出引力子;若凝聚力占主導作用,則混合體將形成一個新的光子。那麽滿足什麽條件的混合体(光子)才是穩定的呢?經典電磁理論指出:所有光子的能量均為某個最小能量的整數倍。也即所有光子的質量均為某個最小質量的正整數倍,只有這樣的光子才能穩定存在。當然這並不表明能量为某個最小能量的非整數倍的光子就不存在,只不過由於它們極不穩定,在形成後瞬間就“裂变”生成能夠穩定存在的光子,目前我們還沒有觀測到或註意到這类光子罷了。從這裏我們可以看出,與原子核一樣,所有光子的質量均為某個最小質量的正整數倍,說明光子也有一定的内部結構,某些質量的光子由於極不稳定,在其形成後瞬間就“裂变”生成能夠穩定存在的光子,這就造成穩定存在的光子質量的不連續。言歸正傳,由於引力子質量遠遠小於光子的質量,所以光子不可能吸收一個引力子形成新的光子(因為這样的光子是不穩定的)。但是若在同一時刻,光子與许多引力子相互作用,而這些引力子質量之和又大於最小光子的質量,光子就有可能吸收質量和等於最小光子質量的引力子數目而形成新的光子。舉例来說,若最小光子的質量是引力子质量的10萬倍,那麽當同一瞬間有15萬個引力子作用於光子時,光子只可能吸收10萬個引力子,另外5萬個引力子不被光子吸收,僅对光子產生微小的沖量。倘若在同一瞬間有9萬個引力子作用於光子,那麽這9萬個引力子都不會被光子吸收,它們僅對光子產生微小的沖量。光子可能吸收的引力子數目只可能是10萬的正整數倍。只有光子吸收引力子形成新的光子才能全部吸收引力子的沖量,否則的話,光子僅受到極小的沖量。
現有一個寬度為α的窄縫,絕大多數光子經過窄縫時雖然與許多引力子作用,但大多不會形成新的光子,這樣大部分光子仅以極其微小的發散角投射到屏幕上,形成宽度略大於α的中央亮紋。由於衍射條紋是對稱分布的,所以我们只討論一半。拿中央亮紋以上的条紋來說,這些條紋是由縫中心到縫頂部經過的光子偏轉形成的。從縫中心到縫頂部經過的光子,若吸收10萬個引力子則形成穩定的新光子,而新光子由於全部吸收了引力子的沖量因而向上發生較大的偏移,從而在屏幕上形成寬度為0.5α的第一條亮紋。從缝中心到縫頂部經過的光子,若吸收20萬個引力子則它向上的偏移量是第一條亮紋偏移量的兩倍,形成第二條亮紋。同樣形成第 3條、第4條、第5條……第n條亮紋。中央亮紋以下的亮紋也是這樣形成的,並且中央亮紋的宽度約為其它亮紋寬度的兩倍。由於從縫中心到縫頂部引力逐漸增大,所以與光子作用的引力子數目也可能逐渐增多。假設在離開縫中心向上的極小位移處,在该處最多只可能有10萬個引力子與光子發生作用,那麽經過該處的光子最多只可能偏移到第一條亮紋處。換句話說它最多只可能对第一條亮紋的形成做貢獻,对第2條、第3條、第4條……第n條亮紋都沒有貢獻。由此在向上某處經過的光子最多只可能吸收20萬個引力子,但也可能吸收10萬個引力子,故經過該處的光子對第1條、第2條亮紋的形成做出貢獻而對第3条至第n條亮紋都沒有貢献……;從縫頂部經過的光子可能吸收10萬*1、10萬*2、10萬*3……10萬*n個引力子,所以從該處經過的光子對第1條、第2條、第3條至第n條亮紋的形成都有貢献。這樣形成的亮紋亮度依次為第一條>第二條>第三條>……>第n條。若縫變窄,則在離開縫中心向上的極小位移处,光子最多可能有20萬個引力子,經過該處的光子對第1條、第2條亮紋的形成都有貢獻,這樣就減小了第1条、第2條亮紋亮度的差異。也就是說,縫越窄條紋亮度越向兩邊分散,縫越寬條紋亮度越向中央集中。當縫很寬時,條紋亮度幾乎全部集中在中央區域,兩邊的光子数幾乎為零。這就是我們看到的光的直線傳播現象。由于光子並不是一種波,其偏離直線传播(衍射)現象是由引力子引起的,所以光的衍射現象與縫的寬度無關。物體在陽光下的陰影邊緣常常較模糊,这說明光子在經過物體表面時受到引力作用而偏离了直線傳播。理論上來說只要光子的運動方向和引力方向不在一條直線上,光子就会偏離原來的運動軌跡,並且引力场越強光子彎曲的程度也越大。星光在經過恒星以後通常會發生彎曲,有時我們甚至能夠看到星體後面的其它星體發出的光。 免費論文下载中心 http://www.hi138.com
三、論電子結構與原子光譜現象
1. 電子發光
原子是如何發光的?要弄清這個問题首先必須明白光子是由原子的哪一部分發出的。我們知道,原子是由原子核和核外的電子組成的,原子核的結合能很大,不可能发出光子,所以光子只可能是電子發出的。在化學反應中伴隨著電子的得失,常常有能量(光子)放出,光電效應、激光現象及其它一些實驗也证明了光子是由電子發出的,所以可以肯定原子發光其實是電子發出光子。既然電子可以放出光子,那麽光子必然是電子的組成部分,或者說電子有一定的內部结構,光子是其組成部分之一;由於光子不帶電,說明電子內部電荷的分布是不均勻的,因為如果電子內部電荷是均勻分布的,則光子就應該帶電。原子中原子核和電子之間的距離很小,它們之間的靜電力很強,因為電子內部電荷分布不均勻,所以在原子核強大的靜電力作用下電子內部電荷將重新分布,甚至可能發生裂變,這就為電子放出光子創造了條件。當電子裂變放出光子後,它的各個組成部分結合的更加緊密,在適當的时候可能吸收一個光子,这就為電子吸收光子储存能量創造了條件。而電子正是通過不停地吸收、放出光子來和外界交換能量的。稍後我們將看到,原子正是通過电子不斷吸收、放出光子來和外界完成能量交換的。一般來說,電子质量越大其內部各部分结合的越松散,在靜电力作用下越容易發生裂變;電子質量越小其內部各部分結合的越緊密,在靜電力作用下越不容易發生裂變。與原子核“幻數”相似,总有特定質量的電子的結合力相当大,比其它質量電子的結合力大许多,這些特定質量的電子往往對应於某些穩定的軌道。
有人認為物質發光是由於物質中的原子或分子受到擾動的結果,認為光子是由原子或分子發出的。其實這是一種錯誤的看法。我們知道,原子是由原子核和核外電子組成的,光子是一種物質實體,或者是由原子核發出的,或者是由電子發出的,除此以外再没有別的選擇。說光子是由原子發出的,這是一種不確切的說法。
2. 原子核和電子之間的磁力作用
兩個相距一定距離的異種點電荷在靜電力作用下必然會吸引在一起,因為靜電力作用在兩點電荷連線上。而原子核和電子不会吸引在一起。這就啟示我們在原子核和電子中必然存在一種其它作用力。這個力就是原子核和電子之間的磁力。我們知道,在通以相同方向电流的兩條平行導線間會產生磁力作用,在磁力作用下它們將彼此吸引,原子核和電子的相向運動正相當於通以相同方向電流的兩條平行导線,在它們之間也将產生磁力作用。靜電力的作用總是使電子獲得指向原子核的向心速度,而原子核和電子之間的磁力则使電子獲得切向速度,並且原子核和電子之間的相對速度越大,它們之間的磁力也越大。當原子核和電子之間彼此相對靜止在一定遠處時,在靜電力和磁力的共同作用下,它們並不會吸引在一起。因为靜電力使電子獲得向心速度,磁力使電子獲得切向速度,電子並不是沿著直線靠近原子核,而是沿著螺旋線靠近原子核。開始時螺旋线的半徑為無窮大,電子作直線運動;一旦電子相对原子核的速度不為零,磁力开始起作用,電子的運動軌跡開始發生彎曲;當電子與原子核靠近到一定的距離時,電子和原子核之间的靜電力恰好等於電子作圆周運動所需的向心力,此時电子處於平衡狀態,螺旋線變成了圓。同樣在電子離開原子核時也是沿著螺旋線運動的。在靜電力作用下,電子總要盡量靠近原子核,在磁力作用下,電子有遠離原子核的离心趨勢,正是在這兩种力作用下,電子處於穩定的平衡狀態中。電子在原子核中處於穩定狀態时,它的軌跡是圓。因為當電子的軌迹不是圓時,它總要受到磁力的作用,這個力使電子的切向速度增加、運動軌跡向圓靠近。而電子受磁力作用時它的運動軌跡就要發生變化,就不是穩定的,只有当電子的軌跡是圓時才不受磁力的作用,所以說電子在原子核中的穩定軌跡是圓。太陽系中的行星在太陽引力作用下,其運動軌跡可以是圓或橢圓,但在原子系統中,電子在原子核靜电力作用下,其穩定軌跡只可能是圓而不可能是橢圓。轉贴於 免費论文下載中心 http://www.hi138.com
3. 基態电子的穩定性
處於基態的電子為什麽是穩定的?為什麽不會被原子核吸收?人們通常認為:做加速運動的電荷會向外輻射能量.如果電子在原子核中做圓周運動,則它就有加速度,必然會不斷地向外輻射電磁波,隨着電子能量的減小它將沿著螺旋線落入原子核中,這樣整個原子就是不穩定的,然而事實並非如此。於是人們推測电子在原子核中不可能做圓周運動。我們認為以上推斷是錯誤的,電子的確在原子核中做圆周運動,其理由如下:第一,電子辐射電磁波並不是一個只出不進的過程。電子時刻不停地向外輻射能量,也在時刻不停地吸收光子,這是一個動態平衡过程。如果電子吸收的能量大於其輻射的能量則原子的溫度升高,如果電子吸收的能量小於其輻射的能量則原子的溫度降低,倘若沒有外界能量輸入,原子总會由於向外輻射能量而降低溫度,只要物體的溫度在絕對零度以上就會向外輻射電磁波。第二,电子在原子中的質量並非一成不變的。一般而言,電子離核越近質量越小,離核越遠質量越大(这一點我們稍後證明)。第三,電子和原子核之間並非只有靜電力作用,還存在磁力作用。正因為磁力作用的存在使電子在靠近原子核時切線速度不斷增大,從而使其離心力逐漸增大,以致於可以與靜電力抗衡維持電子在原子核中的穩定。
這裏需要我們證明隨著電子离核距離的減小,離心力的增加速度大於靜電力的增加速度。設電子穩定時質量為M,速度為V,與原子核相距R,原子核電量為Q,此時靜電力F正好等於電子作圓周運動的向心力,





離心力大于靜電力,所以此時電子作離心運動,將回到距核R的轨道上。同樣當電子受到遠離原子核的擾動后,靜電力F大於電子作圓周運动的向心力,電子將向原子核運動,最終要回到距核R的軌道上,這裏不再證明。
另外我們認為,做加速運動的電荷會向外輻射電磁波這個提法不夠確切,應該說做加速運動的自由电荷會向外輻射電磁波,而電子在原子核中做圓周運動時不會向外輻射電磁波。兩者有什麽區別呢?我們知道,在原子核和電子結合成原子的過程中要向外放出能量,即自由电子要在原子核靜電力作用下裂變放出光子才能夠成為原子中的電子,原子中的電子和自由电子是有區別的。自由電子的質量大於原子中的電子的质量,自由電子各部分結合得較為松散,受到外界擾動 (有加速度)时會向外輻射電磁波;而原子中的電子質量小,各部分结合得較為緊密,受到外界擾動(有加速度)時未必会向外輻射電磁波,只有當外界擾动(加速度)足夠大时才會裂變輻射電磁波,所以電子可以在原子中做圓周運動而并不向外輻射電磁波。
4.穩定軌道的形成
对於處於基態的電子來說,每秒會有許多光子與其作用。這些作用有指向原子核的,也有指向核外的。電子在吸收一個或幾個光子以後质量增加,形成新的電子。我們先考慮指向核外的擾動。設电子在吸收一個或幾個光子以後质量增加為M+Δm,與原子核相距R+Δr,我們知道,一定質量的電子總有與一條特定軌道與之對應,比如电子的質量為M時其軌道半徑為R,那麽當電子質量為M+Δm時就可能停留在半徑為R+Δr的轨道。但這裏我們少考慮了一個條件,那就是質量為M+Δm的電子的結合能。我們知道電子在每秒內會受到許多光子的擾動,假設質量為M+Δm的電子運行在半徑為R+Δr的轨道上,若它受到一個指向原子核的擾動,離核距離變為R+Δr-r,此時原子核靜电力對它的作用增強,若它的結合能小的話則電子立即裂變放出光子重新回到其原來的軌道R上;如果質量為M+Δm的電子內部的結合能非常小,以至於受到微小的擾動時立即裂變放出光子,那麽它在半徑為R+Δr的軌道上停留的時間也趨近於零,换句話說半徑為R+Δr的軌道根本不存在;如果質量為M+Δm的電子內部的結合能非常大,以致於受到很大的擾動時它才裂變放出光子,那麽電子就能夠在半徑為R+Δr的軌道上停留一段時間,這段時間就是原子的平均壽命。假設有一群電子處于同一激發態,由於每個电子受到的擾動情況不一樣,有的電子受到的擾動大有的电子受到的擾動小,而只有電子受到足夠大的擾動並運動到離核足夠近的地方才會裂變放出光子,所以電子裂變回到基態的時間也不一樣。處於同一激發态的原子的平均壽命和两個因素有關:一是電子的结合能,二是電子受到的擾動。電子內部的結合能與原子核“幻數”相似,只有特定質量的電子的結合能才是很大的,所以電子的軌道也是特定的、不連續的,其它質量的電子由於結合能很小,裂變時間極短,所以它們不可能穩定停留在原子中,也形成不了穩定軌道甚至根本就没有軌道。我們再來考慮指向原子核的擾動。設電子在吸收一個或几個光子以後質量增加為M+Δm,与原子核相距R-Δr,此時原子核對電子的靜電力增強,电子立即裂變放出質量為Δm的光子,由前面的证明我們知道,此時電子的速度增大,離心力大於靜電力,電子最終將停留在半徑為R的穩定軌道上。也許有人会懷疑,這樣看來電子可能存在的穩定軌道豈不是唯一的了?實際上由於電子在原子核外有幾個不同的稳定質量,所以它也有幾條穩定軌道,一定的質量總是與某一條特定軌道相對應。從這裏我們可以看出,電子在原子核中的穩定轨道往往對應於電子結合能极大的質量,結合能小的質量由於在原子中不穩定因而不會形成穩定軌道。 轉贴於 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
5.電子結構與不同躍遷軌道
對于處於同一激發態的一群電子而言,設電子的質量為M+Δm,它們可能會有不同的躍迁軌道,放出的光子的能量(質量)也不同,但總是躍遷到離核近的電子放出的光子的能量(質量)大。電子從激發態回到基態的过程並不是先放出光子再回到基態,而是先回到比基態更近的地方放出光子然後才回到基態。當電子回到離核R-Δr處時,在靜電力作用下電子裂變放出質量为Δm的光子,此時離心力大於静電力,電子將回到半徑為R的穩定軌道上。那麽電子為什麽会有多條躍遷軌道呢?這說明處於同一激發態的电子內部結構(結合力)不同,有的結合力大,有的結合力小,結合力小的光子在離核較遠的地方裂變,放出的光子能量也較小;結合力大的光子在離核較近的地方裂變,放出的光子能量也較大,电子的躍遷方式是由其內部結構決定的。同一質量的电子可能有多種裂變方式,再次向我們說明電子具有內部結構,在考慮原子光譜時一定要考慮電子的內部結構。處於激發態的電子在向基態躍迁時會發出光子;把原子的內層電子打掉以後外層電子會放出光子並向離核更近的軌道躍遷。這些現象啟示我們:電子离核越近質量越小,電子離核越遠質量越大。從這裏也可以看出,電子質量越小其內部結合力越大。因為離核越近電子受到的静電力越大,而電子能夠穩定存在說明其內部結合力越大。在同一個原子中,內層電子的質量小於外層電子的質量;同一個電子离核越近質量越小。
人們發射的人造衛星可以設定軌道,其軌道變化可以是连續的,但對原子核中的電子來說,其軌道變化則是不連續的。怎樣理解這一點呢?讓我們做一個假想實驗。把兩個帶異種電荷的點电荷放置在一定遠處,並且假定它們之間除了靜電力以外不在受到其它力的作用,則最终它們將互相吸引在一起。無論怎樣改變這兩個電荷的質量、電量,結果都是相同的。这說明:用宏觀電荷不可能模擬原子核和電子之間的作用力。說到這裏,好事者馬上就會解釋,因為宏觀電荷物質波的波長極短而電子物質波的波長較大,所以用宏觀電荷不可能模擬原子核和電子之間的作用力。換一個角度來說,宏觀物質和微觀物質是有區別的,用宏觀物質不能模擬微觀物質。但區別究竟在哪裏?一個是宏觀物質而另一個是微觀物質,這個解釋近乎無聊了。還是讓我們來仔細分析為什麽用宏觀電荷不可能模拟原子核和電子之間的作用力。我們知道,在靜電力作用下,電子和原子核开始時相向運動,而後在磁力作用下沿著螺旋線相互靠近,正是由於原子核和電子之間的磁力使電子獲得了繞原子核運動的切向加速度,並使整個原子處於穩定狀態。那麽,两個宏觀點電荷之間的運動軌迹為什麽是一條直線呢?這是因為宏观電荷的荷質比遠遠小於原子核和電子的荷質比,在静電力作用下宏觀點電荷獲得的最終速度也小得可憐,因此宏觀點電荷之間因相對運動而產生的磁力也微乎其微,近似於零。所以宏觀點電荷在靜電力作用下表現為相向運動,其運動軌跡接近直線。從这裏我們可以得出這样一個結論:雖然靜電力作用在兩個電荷的連心線上,但是僅在靜電力作用下,電荷的运動軌跡不一定就是直線,两個電荷的荷質比越小,其運動軌跡越接近直線,反之則越接近曲線。那麽,如果宏觀點电荷的荷質比足夠大甚至可以與原子核或電子相比时,是否可以用宏觀點電荷模擬原子核和電子相之間的作用呢?也不能!如果宏觀點電荷的荷质比足夠大,甚至可以與原子核或電子相比,那麽這樣的两個異種電荷在靜電力作用下會沿著螺旋線相互接近,最终會處於穩定狀態,但由於宏觀點電荷的質量不會發生變化,因此最多只能形成一條稳定軌道,而不可能象電子那樣在原子核中有多條穩定軌道。
在多電子原子中,各電子間有什麽主要區別呢?有人認為離核越近的電子能量越低,越不容易失去;離核越遠電子能量越高越容易失去,但這還不是最主要的區別。多電子原子中各電子間最主要的區別在於它們的质量不同。離核越近的電子質量越小,離核越遠的電子質量越大,同一個原子中沒有兩个質量相同的電子存在。在氫原子中也是電子離核越近質量越小,離核越远質量越大。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
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