高中物理 物理学理论研究教学参考素材

1、一、驳宇宙大爆炸假说 当人们用望远镜观测银河系以外的星系时，可以发现绝大多数星系光谱都存在红移或蓝移现象，并且越远的星系其光谱红移值越大。根据多普勒效应：星系光谱存在红移说明星系正离我们远去，星系光谱存在蓝移说明星系正向着我们运动。需要指出的是越远的星系红移值也越大，看起来所有的星系都好象以银河系为中心向外爆炸形成的一样，越远的星系离开我们的速度也越大。鉴于此有人提出宇宙大爆炸假说：认为宇宙是由150亿年前发生的一次大爆炸形成的，人类居住的银河系则是宇宙的中心。可是人们在观测银河系和河外星系时，却并没有发现银河系有什么特别之处。有人据此怀疑宇宙大爆炸假说；也有人从星系的演化推算出宇宙的年龄大于

2、150亿年；还有人认为若宇宙大爆炸假说是正确的，那么宇宙辐射在各个方向上就会表现出各向异性；更有人担心宇宙的膨胀没有尽头，遂认为宇宙的膨胀和收缩是交替进行的。但不管怎样，大部分人还是相信“眼见为实”，由星系光谱的红移现象承认了宇宙大爆炸假说。更有人把红移现象与宇宙背景辐射和宇宙元素丰度并作宇宙大爆炸假说的三大支柱。那么宇宙是否发生过爆炸并仍在向外扩张，年龄是否只有150亿年呢？非也！1 星系光谱红移原因20世纪初，当人们用望远镜观测银河系以外的星系时，发现绝大多数星系光谱都有红移现象，并且越远的星系其光谱红移值越大。有人认为星系光谱红移是因为星系正在离我们远去，从而得出这样的结论：所有的星系都

3、是以我们银河系为中心向外爆炸后形成的，越远的星系离开我们的速度也越大；宇宙中所有的星系都在彼此分离，并且越远的星系相互分离的速度越大。值得一提的是，我们银河系正处在爆炸中心，足以值得我们自豪的是：银河系是宇宙中独一无二的星系因为它是宇宙的中心。更让我们惊奇的是，银河系自身也在不断运动着，然而无论它运动到哪里，它始终是银河系的中心。我们解释不了银河系为什么是宇宙的中心，因为银河系也和其它星系一样，并沒有什么特别之处。有人以为，银河系处于宇宙的中心是一个巧合，虽然银河系从上个世纪至今一直在不断运动，但它走过的距离和整个宇宙空间的尺寸比起来是微不足道的，所以银河系目前仍然处在宇宙的中心，这种看法未免

4、有些牵强。因为人们在观测近处的星系时，发现近处的星系并没有相互分离的趋势，并且也没有证据表明近处的星系正在以某一个中心为起点向外膨胀。因此“银河中心说”颇值得怀疑。还有的人虽然承认宇宙大爆炸假说，但不承认“银河中心说”，他们不认为银河系是宇宙的中心。这种观点同样也是站不住脚的。我们可以这样分析：如果宇宙大爆炸假说是正确的，那么宇宙中所有的星系必定在以某一个中心为起点向外膨胀，星系之间彼此互相分离。目前我们观测到近处的星系并没有相互分离的趋势，并且也没有证据表明近处的星系在以某一个中心为起点向外膨胀。倘若我们不是在宇宙的中心而是处于偏离宇宙中心的任一点处，因为在我们周围的星系都没有相互分离的趋势

5、，也没有以某一个中心为起点向外膨胀，这样一来，倘若宇宙中任一点处的星系都没有相互分离的趋势，那么整个宇宙也不可能在膨胀，即宇宙大爆炸假说是错误的。前事不忘，后事之师。人类文明发展到今天，“地心说”和“日心说”都被证明是为科学，难道我们还要重蹈覆辙提出“银河中心说”吗？愚以为，我们应当承认这样一个假设，那就是：银河系按目前的速度运动下去，100万年，100亿年以后，我们仍然会发现自己处在宇宙的“中心”，无论我们处在宇宙的任何地方，中心也好，边缘也好，我们都会发现宇宙中越远的星系光谱红移值也越大，就好象我们处在宇宙的“中心”一样。事实上，这个“中心”是光子在宇宙空间中的传播特性引起我们视觉上的错误

6、，“眼见”未必“为实”，我们不能过分相信“眼见”的东西。红移现象是否由观测者自身的运动引起的呢？不是的！如果红移现象是由观测者自身的运动引起的，那么我们将观测到与我们相向运动的星系光谱将发生蓝移而与我们相背运动的星系光谱将发生红移，然而事实并非如此。再者，虽然我们“坐地日行八万里”，但这个速度和光速比起来实在算不了什么，不至于影响观测结果。换句话说，我们在观测星系红移值时，观测者自身运动速度的影响可以忽略不计。红移现象说明光子与观察者之间的相对速度变小了。产生这种情况有两种可能：第一是星系正离我们远去，第二是光子在穿越宇宙空间时速度变小了。这两种情况都可能导致星系光谱红移。我们认为导致星系光谱

7、红移的原因是后者。光子在穿越宇宙空间时会与各种粒子(比如引力子)相互作用从而使其速度逐渐减小。当然单个粒子与光子作用时间极短，引起光子速度的改变量也是极其微小的，以致于我们观测不到。随着光子穿越宇宙空间距离的增大，与光子作用的粒子数目也逐渐增多，光子速度的减小量也越明显。可以推测：光子在穿越一定的宇宙空间距离后速度将减小到零。由于光子速度为零故相对我们的能量也为零，这样的光子当然不会被我们观测到。可见用光学法观测宇宙空间尺度时有一个极限：150亿光年(也有人认为是200亿光年)。在这个尺度以外的星系发出的光子由于在没有到达地球时速度已经降低到零，所以这样的星系不可能被我们观测到，至少目前还没有

8、办法观测到。也有人认为，红移现象是由光子频率减小引起的，即认同第一种可能：认为星系正离我们远去。这种观点听起来很有道理，却经不起分析。我们知道，星系离我们远去时会引起光子频率减小，但各种不同频率光子的频率减小量应该相同，反应在星系光谱上，各种不同频率光子的红移量应该相同。因此，不论星系离我们多远，星系光谱虽然发生红移但不应该变宽，但事实上远处星系光谱却被拉宽了（星系光谱不会变宽是指星系光谱中任意两条谱线的距离恒定，虽然它们都发生了红移，但它们移动的距离相等，因此各谱线之间的距离不变）。而且能量越小的光子红移值越大，能量越大的光子红移值越小。不同频率光子的频率减小量不同，说明红移现象不是由光子频

9、率减小引起的。即第一种可能站不住脚。假设宇宙中所有的星系都是静止的，宇宙空间中的物质是均匀分布的，那么光子穿越宇宙空间时的速度衰减量仅与其通过的空间距离有关。光子穿越的宇宙空间越长，其速度衰减量也越大。这样星系光谱的红移值仅与其离我们的距离有关，离我们越远的星系红移值也越大，就好象越远的星系正在以越快的速度离开我们一样。这也正是哈勃定律所揭示的：星系远离银河系的速度与距离成正比，=H*D，其中H为哈勃常数。实际上宇宙中各星系都在不断运动着，宇宙空间中的物质也并非均匀分布的，造成星系光谱红移的原因也很多，所以光谱的实际红移值要考虑许多情况。2 谱线红移与光子速度衰减 光子与宇宙空间中的粒子是如何

10、作用的呢？可以设想，宇宙空间中存在许多比光子质量小得多的粒子(比如引力子)。由于光子在与粒子作用后仍然是光子，可以认为光子仅与粒子发生了弹性碰撞。既然是弹性碰撞，我们知道，二者质量越接近光子损失的能量越大。由于光子的质量远远大于引力子的质量，所以在不同频率(质量)的光子中，频率(质量)较小的光子损失的能量较大。于是经过同一段宇宙空间以后，在不同频率(质量)的光子中，频率(质量)较大的光子损失的能量较少，频率(质量)较小的光子损失的能量较大，例如红光损失的能量比紫光损失的能量多。由于不同频率(质量)的光子在宇宙空间运动时都损失了能量，这样整个星系的光谱将向红端移动，但由于红光损失的能量多向红端移

11、动的距离大，而紫光损失的能量少向红端移动的距离小，于是整个光谱被“拉宽”了。如果不同频率(质量)光子的能量损失率相同，虽然它们都产生红移，但是它们红移的距离相等，这样星系光谱虽存在红移但不会被“拉宽”， 星系光谱存在红移而且被“拉宽”说明两点：第一光子在穿越宇宙空间时速度会衰减，第二不同频率(质量)的光子速度衰减率不同。显然，由于不同频率(质量)光子的能量损失率不同，各种光子的速度衰减量差异将随着空间距离的增加而增大，这样星系光谱被“拉宽”的程度与其离我们的距离有关，离我们越远的星系其光谱被拉宽的程度也越大。另外，星系光谱被拉宽时还有一个特点，那就是能量大的光子被拉宽的程度小，能量小的光子被拉

12、宽的程度大。也就是说，越靠近红端光谱被拉宽的程度越大，越靠近紫端光谱被拉宽的程度越小。考虑到星系引力场的影响，实际情况还要复杂一些。上面我们谈到光子在宇宙空间运动时速度会逐渐减小，这和人们熟悉的“真空中光速不变”的看法相矛盾。实际上宇宙空间并非真空，即使宇宙空间是绝对真空它还存在引力场。换句话说，光子在真空中速度变不变的问题，实际上是光子受不受引力作用的问题。如果光子不受引力作用，那么真空中光速不变，但这样一来不论星体的引力再强，对光子都没有影响，从而宇宙中也不可能产生“黑洞”了，而现在的黑洞理论基础将不复存在；假如光子受引力作用，则就不应该有“真空中光速不变”的结论。有人对此这样解释：宇宙空

13、间中各星体的引力分布在不同的方向上，它们的作用力相互抵消，因此光子在宇宙空间中的速度不变。这种解释也是站不住脚的。我们知道在太阳系内，引力的方向是指向太阳的；在银河系里引力的方向是指向银河系中心的，所以局部的宇宙空间引力总是有一定的方向的。我们认为光子作为一种物质实体，它的速度并非一成不变的。无论在真空中还是在介质中，它的运动速度都会越来越小。所以，光速不变只是一个神话，光年也不能作为距离单位，因为光子在前一年中走过的路程总比后一年中走过的路程长。3.光子在引力场中的运动 星光在通过太阳附近时会受到太阳引力的作用而发生弯曲，说明光子也会受到引力的作用。其实光子也有质量，当然会受到引力作用了。通

14、常我们认为：引力场中物质的加速度仅与引力场的强弱有关，而与物质的质量无关。如在地球表面不管是1吨的物体还是1千克的物体，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与其质量有关：质量越小的光子加速度越大，质量越大的光子加速度越小。既然光子也受引力作用，那么很自然，光子在离开引力场时必然会被减速，在进入引力场时必然会被加速，在垂直于引力方向(或其它方向)运动时受引力影响其运动轨迹也会发生变化。既然光子在离开引力场时会被减速，而且质量越小的光子速度衰减量也越大，那么星体发出的不同频率的光子就有不同的速度。一般而言，星体引力越强，其发出的光速度也越小；当星体引力足够强时甚至可能使一部

15、分光子摆脱不了星体引力的束缚，产生黑洞现象。对同一星体而言，在它发出的光中，质量大的光子速度大，到达地球的时间也越早；质量小的光子速度小，到达地球的时间也越晚。我们通常认为不同频率的光同时到达地球，这其实是错误的。关于这一点我们可以用实验来证实。当星体发生爆发或其它异常时，总是能量较大的X射线或射线先被我们观测到，其次才是可见光，然后才是红外线。虽然理论上如此，但在实际观测中总有这样或那样的因素及别的解释使大部分人不相信这一点。如果条件允许的话，我们可以用一个实验来证实我们的观点。在离我们很远的宇宙飞船上以两种不同能量的光子同时发出一种信号，这两种光子的能量差异越大它们到达地球的时间差异也越大

16、。实际上考虑到不同能量的光子在同一介质中的传播速度不同，我们应该想到不同频率的光子在真空中的传播速度也不相同。由于光子在穿越宇宙空间时速度逐渐减小，并且质量小的光子速度衰减得快，可以想象，在经过一段相当长的距离以后，质量小的光子速度已经衰减到零而质量大的光子速度不为零，这样我们就只能观测到质量大的光子。若星体离我们更远一些，则我们只能观测到质量更大的光子，随着空间距离的增大，最终我们将看不到远处星体发出的光，这个距离就是我们现在认为的宇宙极限-150亿光年。人们在观测宇宙时总有一个错误想法：由于真空中光速不变，所以不管离我们多远的星系，只要足够亮就可以被我们发现。事实上宇宙空间并非真空，光子在

17、其中穿行时速度会逐渐减小，所以任何星系发出的光只能传播一定的距离，也正因为如此，不管我们在宇宙中任何地方，始终只能看到有限的宇宙空间。换句话说，目前我们能够观测到的宇宙空间的尺度实际上是光子在宇宙空间中传播的最远距离。4.光子在宇宙空间中的运动实际上光子在宇宙空间运动时并不总是做减速运动。在光子离开星体时它要挣脱引力的束缚而作减速运动，当它脱离星体的引力场在空间自由运动时，也作减速运动；如果它进入另一个星体的引力场向着该星体运动时，就会在该星体的引力作用下作加速运动。光子就这样减速-加速-减速-加速不停地穿越宇宙空间，直到其速度为零。倘若星体离我们很近而引力又很小，从该星体发出的光速度衰减量不

18、大，但进入银河系时光子的速度增加量有可能很大，当光子的速度增加量大于其速度衰减量，或者说大于刚离开星体表面时的速度，在我们看来该星体光谱就发生了蓝移。忽略距离因素，由于星体自身在不断运动，这样它相对银河系引力场的强弱也可能发生变化，所以其光谱也可能有规律的发生红移或蓝移。通常情况下，宇宙空间对光子的减速作用总大于加速作用，所以星系的光谱以红移的居多。光子在引力场中速度变化的问题许多人恐怕不相信也不能理解。一些人认为光子没有静质量，况且光子是一种波，在引力场中的运动规律和宏观物质不同。其实持这种观点的人把光子神话了，弄的不可捉摸了。现在大多数人都接受了“黑洞”的概念，认为当一个星体的引力足够强时

19、甚至连光子也逃脱不了，因而是漆黑的一团。这里实际上指出了光子也会受到引力作用。既然光子也受引力作用，那么它在引力场中的加速与减速自然就可以理解了。稍后我们将看到，引力作用是造成衍射现象的重要因素之一。5. 类星体一个很明显的事实是：宇宙中离我们越远的星体能量越大，通常类星体离我们的距离都在10亿光年以上，并且远处星体发出的光中能量较大的光子占有很大的成分。有人把这作为支持宇宙大爆炸的依据，认为：若宇宙中物质是均匀分布的话，则在我们银河系或其周围就应该有象类星体这样的高能星体存在。为什么我们在近处发现不了类星体呢？一些人看见远处的星体发出的光中含有大量的X射线或射线成分，就推测此类星体存在着目前

20、尚不为我们知道的能量源。这种观点未免有些片面。实际上宇宙中大部分恒星的能量都差不多，能量特别大的和能量特别小的只是极少数，恒星的能量呈中间多、两头少的分布态势。从远处的恒星发出的光，在经过漫长的宇宙空间以后，能量小的光子由于速度衰减率大而停了下来，不被我们观测到；只有X射线和射线才能到达地球。所以我们观测到该星体的光子中，X射线和射线占有很大的成分，以致于我们误认为这类星体只向外发出X射线和射线。实际上这类星体也向外发射可见光和红外线，但是可见光和红外线由于速度衰减到零故我们观测不到。这就导致我们观测到极远处的星体，其颜色通常是蓝色或紫色，事实上可能和该星体的真实颜色相差极大。这说明我们看到的

21、星体的颜色未必就是星体的真实颜色，星体的颜色是由其自身能量状况和离我们的距离决定的，星体离我们的距离越大往往使其颜色中的蓝色和紫色成分增加。另外，我们认为类星体离我们非常远，是因为类星体的红移值很大。也就是说我们没有直接证据表明类星体真的离我们很远。考虑到光子在引力场中的运动，我们知道：当星体的引力足够大时，其发出的光子速度衰减量也较大，因而该星体的光谱也将发生较大的红移。这就是说，引力因素也可以使星系光谱产生红移。倘若星体引力足够大又离我们很近，由于星体红移值较大，往往导致我们认为该星体离我们很远。举例来说，假设有一个引力较大的星体处于银河系的中心，由于该星体引力很强，导致它发出的光子速度衰

22、减量极大，我们在观测其光谱时就会观测到很大的红移值，根据该星体很大的红移值我们就会认为它离我们非常遥远，绝不会想到它就在银河系中心。如何解释类星体离我们那么远而其发射的X射线和射线又是如此强烈呢？只有两种可能。第一，类星体的能量非常大，向外发出的X射线和射线非常强；第二，类星体离我们并没有原先认为的那么远，类星体光谱的红移是由类星体的引力造成而并非由距离因素造成的。我们认为两种因素都有。因为如果类星体离我们非常远，那么我们观测到其向外发出的X射线或射线就不可能很强；倘若类星体的能量不是很大，它的引力场也不可能很强，不足以使其光谱产生较大的红移。这说明：星系光谱发生红移可能是距离因素造成的，也可

23、能是引力因素造成的，红移值大的星体未必就离我们远。那么，如何区别星体的引力红移和距离红移呢？对观测者而言，由距离因素造成红移的星体发出的光不可能很强，而由引力因素造成红移的星体发出的光往往很强，特别是X射线或射线的成分多。类星体的发射光谱和吸收光谱的宽度不同，通常吸收光谱的宽度比发射光谱窄，为什么呢？我们知道，吸收光谱是由于光子经过大气后产生的，这说明类星体周围也存在气体。光子从高温星体内部发出以后，总会有一部分光子没有被气体吸收而直接射向宇宙空间，这些光子形成发射光谱；还有一部分光子在与气体作用后，频率（质量）大的光子损失的能量大，频率（质量）小的光子损失的能量小；光子离开类星体在宇宙空间中

24、运动时，则是频率（质量）大的光子损失的能量小而频率（质量）小的光子损失的能量大，总的看来各种不同频率的光子速度差异减小，所以其光谱红移值也较发射光谱小。实际上类星体的吸收光谱还可能有几种不同的宽度。6.黑洞与星体引力最初在人们考虑黑洞时，认为它的引力强到连光子也逃脱不了，因而是漆黑的一团，黑洞是宇宙中物质的坟墓。后来人们认为黑洞可以向外发出X射线和射线。同样是光子，能量大的可以逃脱，能量小的逃脱不了，说明(黑洞的)引力对光子的作用是不一样的。事实上我们知道当星体的引力逐渐增强时，总是质量较小的光子逃脱不了，质量较大的光子则可以摆脱星体的引力，并不是所有的光子全部被吸入星体中。所以从这个意义上来

25、说，狭义上的黑洞仅指引力强到可见光不能脱离的星体，即在可见光波段观测不到的星体；广义上的黑洞指引力强到使一部分光子不能脱离的星体，即在某一能量较小的波段观测不到的星体，这里广义上的黑洞甚至可能非常亮，可以被我们肉眼看到，但在红外线波段或能量更小的波段却观测不到。从理论上讲，“黑洞”并不黑，至少它可以向外发射X射线和射线或能量更高的光子，完全不向外抛射粒子的黑洞是不存在的。那么宇宙中黑洞存在吗？当然存在了。当星体离我们足够远，以致于该星体发出的红外线速度衰减为零而不被我们观测到时，它就像一个“黑洞”；若星体离我们再远一些，可见光不再为我们观测到，只能观测到X射线和射线，这时它就是漆黑的一团，成为

26、名副其实的黑洞；而宇宙中150亿光年以外的星体对我们来说是完全彻底的黑洞，因为我们完全观测不到它们。除了因空间距离造成“黑洞”现象以外，星体的引力也可以造成黑洞现象。黑洞现象并不是我们原先想象的那样：“当星体的引力足够大时，所有的光子都被吸入星体中，整个星体变成黑暗的一团”。当星体的引力逐渐增大时，它对光子的束缚作用也逐渐增强。星体的引力足够大时，红外线光子将摆脱不了星体引力的束缚，而可见光、紫外线则可以摆脱星体引力的束缚；星体的引力再增大时，可见光将摆脱不了星体引力的束缚，而紫外线则可以摆脱星体引力的束缚；若星体的引力再增大，可能只有射线放出。应该明确指出：黑洞现象是与星系光谱的红移紧密相连

27、的。若某一星体的光谱不存在红移现象，则它一定不是黑洞；若某一星体的光谱存在红移现象，则它可能是黑洞也可能是距离因素造成的。总的来说，我们对黑洞的认识经历了三个阶段：第一阶段认为黑洞的引力足够强，所有的光子都不能摆脱黑洞的引力，因而整个星体是黑暗的一团；第二阶段认为黑洞可以向外发出强烈的X射线或射线，人们认识到黑洞的引力对不同能量光子的作用不同；第三阶段也就是现在正在探索的阶段。应该明确指出：与黑洞现象紧密联系的因素有两个，引力因素和距离因素。以往我们在考虑黑洞现象时往往只考虑引力因素而忽略了距离因素，这就导致我们认为整个宇宙空间仅有150亿光年，对150亿光年以外的宇宙空间，认为看不见的就是不

28、存在的。7.恒态宇宙也许有人会问，既然光子的速度能够降低到零，那么宇宙中会不会堆积越来越多的光子呢？不会的！光子作为物质的一种存在方式，它不是永恒的，在一定条件下光子可以转化为别的物质，也就是说光子是有一定寿命的。任何一个光子不可能永远存在下去，它必将转化为别的物质形式。宇宙中的物质无时无刻不在运动，所以宇宙中不会堆积越来越多的光子。虽然我们目前并不知道光子是如何转化为别的物质的，但我们依然相信整个宇宙是稳定的、恒态的，而局部宇宙则可能是不稳定的，处于演化过程中的。同样的道理，整个宇宙也不会被光子均匀照亮。由于光子在宇宙空间中运动时速度逐渐减小，所以任何星体发出的光只能传播到有限远处。也正因为

29、如此，我们所观测到的宇宙始终是有限的。如果想观测更远的宇宙空间，一个方法是派出宇宙飞船，另一个办法是在宇宙空间中建立许多中转站，在光信号速度未衰减到零以前接受、放大、转播它。理论上讲，只要中转站的数量足够多，我们就可以看见任意远处的宇宙空间。8.浩瀚宇宙假设我们能够乘座一艘高速飞行的宇宙飞船遨游太空，在刚离开地球时，我们可以观测到150亿光年的宇宙，离我们越远的星体其红移值也越大，远处的星体放出强烈的X射线或射线。随着我们飞行距离的增大，我们会发现银河系的红移值越来越大，并且其颜色逐渐偏蓝，而原先我们观测到呈蓝色或紫色的星体颜色逐渐偏红，最终银河系将消失在我们的视野之外。当我们飞到离银河系15

30、0亿光年的地方，我们发现展现在我们面前的宇宙范围仍然有150亿光年；而原先我们认为正在以很大速度分离的星体或膨胀的宇宙空间并没有膨胀。无论我们飞到哪里，始终只能看见150亿光年的宇宙空间，也始终能够看见150亿光年的宇宙空间，宇宙是无限的；并且我们始终是宇宙的“中心”，因为所有的星体看起来所有的星体都好象以我们为中心向外爆炸形成的一样，越远的星系(红移值越大)离开我们的速度也越大。我们认为，宇宙是无始无终的，物质的存在是永恒的，对某一特定的物质形态有其产生和消亡的过程，但整个宇宙不存在产生和消亡的过程，它是自始至终存在并且不会消亡的。同时也应该看到，宇宙是无限的，不会仅仅只有150亿光年的空间

31、。从上个世纪以来，人们已经探索到了上百亿光年的宇宙空间，然而这只不过是苍海一粟。也许还要几十年甚至上百年人类才能认识到宇宙的无限性，但只要天下有志之士携手合作，这一天定会早日到来。二、浅谈光的衍射 通常情况下光总是直线传播。但当光线经过足够窄的窄缝时将形成明暗相间的衍射条纹。由于光子不带电，在电磁场中不偏转，所以光子的衍射不是电磁力作用的结果，而是引力子与光子作用产生的。光子与引力子作用不是一个简单的碰撞过程，而是一个极为复杂的过程。在光子与引力子相遇的一瞬间它们形成一个混合体，这就打破了结合前光子内部各部分的平衡，混合体内部存在着排斥力和凝聚力两种作用。若排斥力占主导作用，则混合体将在极短的

32、时间内“裂变”放出引力子；若凝聚力占主导作用，则混合体将形成一个新的光子。那么满足什么条件的混合体(光子)才是稳定的呢？经典电磁理论指出：所有光子的能量均为某个最小能量的整数倍。也即所有光子的质量均为某个最小质量的正整数倍，只有这样的光子才能稳定存在。当然这并不表明能量为某个最小能量的非整数倍的光子就不存在，只不过由于它们极不稳定，在形成后瞬间就“裂变”生成能够稳定存在的光子，目前我们还没有观测到或注意到这类光子罢了。从这里我们可以看出，与原子核一样，所有光子的质量均为某个最小质量的正整数倍，说明光子也有一定的内部结构，某些质量的光子由于极不稳定，在其形成后瞬间就“裂变”生成能够稳定存在的光子

33、，这就造成稳定存在的光子质量的不连续。言归正传，由于引力子质量远远小于光子的质量，所以光子不可能吸收一个引力子形成新的光子(因为这样的光子是不稳定的)。但是若在同一时刻，光子与许多引力子相互作用，而这些引力子质量之和又大于最小光子的质量，光子就有可能吸收质量和等于最小光子质量的引力子数目而形成新的光子。举例来说，若最小光子的质量是引力子质量的10万倍，那么当同一瞬间有15万个引力子作用于光子时，光子只可能吸收10万个引力子，另外5万个引力子不被光子吸收，仅对光子产生微小的冲量。倘若在同一瞬间有9万个引力子作用于光子,那么这9万个引力子都不会被光子吸收，它们仅对光子产生微小的冲量。光子可能吸收的

34、引力子数目只可能是10万的正整数倍。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冲量，否则的话，光子仅受到极小的冲量。 现有一个宽度为的窄缝，绝大多数光子经过窄缝时虽然与许多引力子作用，但大多不会形成新的光子，这样大部分光子仅以极其微小的发散角投射到屏幕上，形成宽度略大于的中央亮纹。由于衍射条纹是对称分布的，所以我们只讨论一半。拿中央亮纹以上的条纹来说，这些条纹是由缝中心到缝顶部经过的光子偏转形成的。从缝中心到缝顶部经过的光子，若吸收10万个引力子则形成稳定的新光子，而新光子由于全部吸收了引力子的冲量因而向上发生较大的偏移，从而在屏幕上形成宽度为0.5的第一条亮纹。从缝中心到缝顶部经过的

35、光子，若吸收20万个引力子则它向上的偏移量是第一条亮纹偏移量的两倍，形成第二条亮纹。同样形成第 3条、第4条、第5条第n条亮纹。中央亮纹以下的亮纹也是这样形成的，并且中央亮纹的宽度约为其它亮纹宽度的两倍。由于从缝中心到缝顶部引力逐渐增大，所以与光子作用的引力子数目也可能逐渐增多。假设在离开缝中心向上的极小位移处，在该处最多只可能有10万个引力子与光子发生作用，那么经过该处的光子最多只可能偏移到第一条亮纹处。换句话说它最多只可能对第一条亮纹的形成做贡献，对第2条、第3条、第4条第n条亮纹都没有贡献。由此在向上某处经过的光子最多只可能吸收20万个引力子，但也可能吸收10万个引力子，故经过该处的光子

36、对第1条、第2条亮纹的形成做出贡献而对第3条至第n条亮纹都没有贡献；从缝顶部经过的光子可能吸收10万*1、10万*2、10万*310万*n个引力子，所以从该处经过的光子对第1条、第2条、第3条至第n条亮纹的形成都有贡献。这样形成的亮纹亮度依次为第一条第二条第三条第n条。若缝变窄，则在离开缝中心向上的极小位移处，光子最多可能有20万个引力子，经过该处的光子对第1条、第2条亮纹的形成都有贡献，这样就减小了第1条、第2条亮纹亮度的差异。也就是说，缝越窄条纹亮度越向两边分散，缝越宽条纹亮度越向中央集中。当缝很宽时，条纹亮度几乎全部集中在中央区域，两边的光子数几乎为零。这就是我们看到的光的直线传播现象。

37、由于光子并不是一种波，其偏离直线传播(衍射)现象是由引力子引起的，所以光的衍射现象与缝的宽度无关。物体在阳光下的阴影边缘常常较模糊，这说明光子在经过物体表面时受到引力作用而偏离了直线传播。理论上来说只要光子的运动方向和引力方向不在一条直线上，光子就会偏离原来的运动轨迹，并且引力场越强光子弯曲的程度也越大。星光在经过恒星以后通常会发生弯曲，有时我们甚至能够看到星体后面的其它星体发出的光。三、论电子结构与原子光谱现象1. 电子发光原子是如何发光的？要弄清这个问题首先必须明白光子是由原子的哪一部分发出的。我们知道，原子是由原子核和核外的电子组成的，原子核的结合能很大，不可能发出光子，所以光子只可能是

38、电子发出的。在化学反应中伴随着电子的得失，常常有能量(光子)放出，光电效应、激光现象及其它一些实验也证明了光子是由电子发出的，所以可以肯定原子发光其实是电子发出光子。既然电子可以放出光子，那么光子必然是电子的组成部分，或者说电子有一定的内部结构，光子是其组成部分之一；由于光子不带电，说明电子内部电荷的分布是不均匀的，因为如果电子内部电荷是均匀分布的，则光子就应该带电。原子中原子核和电子之间的距离很小，它们之间的静电力很强，因为电子内部电荷分布不均匀，所以在原子核强大的静电力作用下电子内部电荷将重新分布，甚至可能发生裂变，这就为电子放出光子创造了条件。当电子裂变放出光子后，它的各个组成部分结合的

39、更加紧密，在适当的时候可能吸收一个光子，这就为电子吸收光子储存能量创造了条件。而电子正是通过不停地吸收、放出光子来和外界交换能量的。稍后我们将看到，原子正是通过电子不断吸收、放出光子来和外界完成能量交换的。一般来说，电子质量越大其内部各部分结合的越松散，在静电力作用下越容易发生裂变；电子质量越小其内部各部分结合的越紧密，在静电力作用下越不容易发生裂变。与原子核“幻数”相似，总有特定质量的电子的结合力相当大，比其它质量电子的结合力大许多，这些特定质量的电子往往对应于某些稳定的轨道。有人认为物质发光是由于物质中的原子或分子受到扰动的结果，认为光子是由原子或分子发出的。其实这是一种错误的看法。我们知

40、道，原子是由原子核和核外电子组成的，光子是一种物质实体，或者是由原子核发出的，或者是由电子发出的，除此以外再没有别的选择。说光子是由原子发出的，这是一种不确切的说法。2. 原子核和电子之间的磁力作用 两个相距一定距离的异种点电荷在静电力作用下必然会吸引在一起，因为静电力作用在两点电荷连线上。而原子核和电子不会吸引在一起。这就启示我们在原子核和电子中必然存在一种其它作用力。这个力就是原子核和电子之间的磁力。我们知道，在通以相同方向电流的两条平行导线间会产生磁力作用，在磁力作用下它们将彼此吸引，原子核和电子的相向运动正相当于通以相同方向电流的两条平行导线，在它们之间也将产生磁力作用。静电力的作用总

41、是使电子获得指向原子核的向心速度，而原子核和电子之间的磁力则使电子获得切向速度，并且原子核和电子之间的相对速度越大，它们之间的磁力也越大。当原子核和电子之间彼此相对静止在一定远处时，在静电力和磁力的共同作用下，它们并不会吸引在一起。因为静电力使电子获得向心速度，磁力使电子获得切向速度，电子并不是沿着直线靠近原子核，而是沿着螺旋线靠近原子核。开始时螺旋线的半径为无穷大，电子作直线运动；一旦电子相对原子核的速度不为零，磁力开始起作用，电子的运动轨迹开始发生弯曲；当电子与原子核靠近到一定的距离时，电子和原子核之间的静电力恰好等于电子作圆周运动所需的向心力，此时电子处于平衡状态，螺旋线变成了圆。同样在

42、电子离开原子核时也是沿着螺旋线运动的。在静电力作用下，电子总要尽量靠近原子核，在磁力作用下，电子有远离原子核的离心趋势，正是在这两种力作用下，电子处于稳定的平衡状态中。电子在原子核中处于稳定状态时，它的轨迹是圆。因为当电子的轨迹不是圆时，它总要受到磁力的作用，这个力使电子的切向速度增加、运动轨迹向圆靠近。而电子受磁力作用时它的运动轨迹就要发生变化，就不是稳定的，只有当电子的轨迹是圆时才不受磁力的作用，所以说电子在原子核中的稳定轨迹是圆。太阳系中的行星在太阳引力作用下，其运动轨迹可以是圆或椭圆，但在原子系统中，电子在原子核静电力作用下，其稳定轨迹只可能是圆而不可能是椭圆。3. 基态电子的稳定性处

43、于基态的电子为什么是稳定的？为什么不会被原子核吸收？人们通常认为：做加速运动的电荷会向外辐射能量.如果电子在原子核中做圆周运动，则它就有加速度，必然会不断地向外辐射电磁波，随着电子能量的减小它将沿着螺旋线落入原子核中，这样整个原子就是不稳定的，然而事实并非如此。于是人们推测电子在原子核中不可能做圆周运动。我们认为以上推断是错误的，电子的确在原子核中做圆周运动，其理由如下：第一，电子辐射电磁波并不是一个只出不进的过程。电子时刻不停地向外辐射能量，也在时刻不停地吸收光子，这是一个动态平衡过程。如果电子吸收的能量大于其辐射的能量则原子的温度升高，如果电子吸收的能量小于其辐射的能量则原子的温度降低，倘

44、若没有外界能量输入，原子总会由于向外辐射能量而降低温度，只要物体的温度在绝对零度以上就会向外辐射电磁波。第二，电子在原子中的质量并非一成不变的。一般而言，电子离核越近质量越小，离核越远质量越大(这一点我们稍后证明)。第三，电子和原子核之间并非只有静电力作用，还存在磁力作用。正因为磁力作用的存在使电子在靠近原子核时切线速度不断增大，从而使其离心力逐渐增大，以致于可以与静电力抗衡维持电子在原子核中的稳定。即有： = ,现假设电子受到一个指向原子核的扰动，与原子核之间的距离变为R-r，速度变为V1，则有0.5MV1*V1= 0.5MV*V+ Ue=如果电子在离核R-r 处是稳定的，则它的运动轨迹是圆

45、，此时离心力F= = ，静电力为 ，,这里需要我们证明随着电子离核距离的减小，离心力的增加速度大于静电力的增加速度。设电子稳定时质量为M，速度为V，与原子核相距R，原子核电量为Q，此时静电力F正好等于电子作圆周运动的向心力，离心力大于静电力，所以此时电子作离心运动，将回到距核R的轨道上。同样当电子受到远离原子核的扰动后，静电力F大于电子作圆周运动的向心力，电子将向原子核运动，最终要回到距核R的轨道上，这里不再证明。另外我们认为，做加速运动的电荷会向外辐射电磁波这个提法不够确切，应该说做加速运动的自由电荷会向外辐射电磁波，而电子在原子核中做圆周运动时不会向外辐射电磁波。两者有什么区别呢？我们知道

46、，在原子核和电子结合成原子的过程中要向外放出能量，即自由电子要在原子核静电力作用下裂变放出光子才能够成为原子中的电子，原子中的电子和自由电子是有区别的。自由电子的质量大于原子中的电子的质量，自由电子各部分结合得较为松散，受到外界扰动 (有加速度)时会向外辐射电磁波；而原子中的电子质量小，各部分结合得较为紧密，受到外界扰动(有加速度)时未必会向外辐射电磁波，只有当外界扰动(加速度)足够大时才会裂变辐射电磁波，所以电子可以在原子中做圆周运动而并不向外辐射电磁波。4.稳定轨道的形成 对于处于基态的电子来说，每秒会有许多光子与其作用。这些作用有指向原子核的，也有指向核外的。电子在吸收一个或几个光子以后

47、质量增加，形成新的电子。我们先考虑指向核外的扰动。设电子在吸收一个或几个光子以后质量增加为M+m，与原子核相距R+r，我们知道，一定质量的电子总有与一条特定轨道与之对应，比如电子的质量为M时其轨道半径为R，那么当电子质量为M+m时就可能停留在半径为R+r的轨道。但这里我们少考虑了一个条件，那就是质量为M+m的电子的结合能。我们知道电子在每秒内会受到许多光子的扰动，假设质量为M+m的电子运行在半径为R+r的轨道上，若它受到一个指向原子核的扰动，离核距离变为R+r-r，此时原子核静电力对它的作用增强，若它的结合能小的话则电子立即裂变放出光子重新回到其原来的轨道R上；如果质量为M+m的电子内部的结合

48、能非常小，以至于受到微小的扰动时立即裂变放出光子，那么它在半径为R+r的轨道上停留的时间也趋近于零，换句话说半径为R+r的轨道根本不存在；如果质量为M+m的电子内部的结合能非常大，以致于受到很大的扰动时它才裂变放出光子，那么电子就能够在半径为R+r的轨道上停留一段时间，这段时间就是原子的平均寿命。假设有一群电子处于同一激发态，由于每个电子受到的扰动情况不一样，有的电子受到的扰动大有的电子受到的扰动小，而只有电子受到足够大的扰动并运动到离核足够近的地方才会裂变放出光子，所以电子裂变回到基态的时间也不一样。处于同一激发态的原子的平均寿命和两个因素有关：一是电子的结合能，二是电子受到的扰动。电子内部

49、的结合能与原子核“幻数”相似，只有特定质量的电子的结合能才是很大的，所以电子的轨道也是特定的、不连续的，其它质量的电子由于结合能很小，裂变时间极短，所以它们不可能稳定停留在原子中，也形成不了稳定轨道甚至根本就没有轨道。我们再来考虑指向原子核的扰动。设电子在吸收一个或几个光子以后质量增加为M+m，与原子核相距R-r，此时原子核对电子的静电力增强，电子立即裂变放出质量为m的光子，由前面的证明我们知道，此时电子的速度增大，离心力大于静电力，电子最终将停留在半径为R的稳定轨道上。也许有人会怀疑，这样看来电子可能存在的稳定轨道岂不是唯一的了？实际上由于电子在原子核外有几个不同的稳定质量，所以它也有几条稳

50、定轨道，一定的质量总是与某一条特定轨道相对应。从这里我们可以看出，电子在原子核中的稳定轨道往往对应于电子结合能极大的质量，结合能小的质量由于在原子中不稳定因而不会形成稳定轨道。5.电子结构与不同跃迁轨道对于处于同一激发态的一群电子而言，设电子的质量为M+m，它们可能会有不同的跃迁轨道，放出的光子的能量(质量)也不同，但总是跃迁到离核近的电子放出的光子的能量(质量)大。电子从激发态回到基态的过程并不是先放出光子再回到基态，而是先回到比基态更近的地方放出光子然后才回到基态。当电子回到离核R-r处时，在静电力作用下电子裂变放出质量为m的光子，此时离心力大于静电力，电子将回到半径为R的稳定轨道上。那么

51、电子为什么会有多条跃迁轨道呢？这说明处于同一激发态的电子内部结构(结合力)不同，有的结合力大，有的结合力小，结合力小的光子在离核较远的地方裂变，放出的光子能量也较小；结合力大的光子在离核较近的地方裂变，放出的光子能量也较大，电子的跃迁方式是由其内部结构决定的。同一质量的电子可能有多种裂变方式，再次向我们说明电子具有内部结构，在考虑原子光谱时一定要考虑电子的内部结构。处于激发态的电子在向基态跃迁时会发出光子；把原子的内层电子打掉以后外层电子会放出光子并向离核更近的轨道跃迁。这些现象启示我们：电子离核越近质量越小，电子离核越远质量越大。从这里也可以看出，电子质量越小其内部结合力越大。因为离核越近电

52、子受到的静电力越大，而电子能够稳定存在说明其内部结合力越大。在同一个原子中，内层电子的质量小于外层电子的质量；同一个电子离核越近质量越小。人们发射的人造卫星可以设定轨道，其轨道变化可以是连续的，但对原子核中的电子来说，其轨道变化则是不连续的。怎样理解这一点呢？让我们做一个假想实验。把两个带异种电荷的点电荷放置在一定远处，并且假定它们之间除了静电力以外不在受到其它力的作用，则最终它们将互相吸引在一起。无论怎样改变这两个电荷的质量、电量，结果都是相同的。这说明：用宏观电荷不可能模拟原子核和电子之间的作用力。说到这里，好事者马上就会解释，因为宏观电荷物质波的波长极短而电子物质波的波长较大，所以用宏观

53、电荷不可能模拟原子核和电子之间的作用力。换一个角度来说，宏观物质和微观物质是有区别的，用宏观物质不能模拟微观物质。但区别究竟在哪里？一个是宏观物质而另一个是微观物质，这个解释近乎无聊了。还是让我们来仔细分析为什么用宏观电荷不可能模拟原子核和电子之间的作用力。我们知道，在静电力作用下，电子和原子核开始时相向运动，而后在磁力作用下沿着螺旋线相互靠近，正是由于原子核和电子之间的磁力使电子获得了绕原子核运动的切向加速度，并使整个原子处于稳定状态。那么，两个宏观点电荷之间的运动轨迹为什么是一条直线呢？这是因为宏观电荷的荷质比远远小于原子核和电子的荷质比，在静电力作用下宏观点电荷获得的最终速度也小得可怜，

54、因此宏观点电荷之间因相对运动而产生的磁力也微乎其微，近似于零。所以宏观点电荷在静电力作用下表现为相向运动，其运动轨迹接近直线。从这里我们可以得出这样一个结论：虽然静电力作用在两个电荷的连心线上，但是仅在静电力作用下，电荷的运动轨迹不一定就是直线，两个电荷的荷质比越小，其运动轨迹越接近直线，反之则越接近曲线。那么，如果宏观点电荷的荷质比足够大甚至可以与原子核或电子相比时，是否可以用宏观点电荷模拟原子核和电子相之间的作用呢？也不能！如果宏观点电荷的荷质比足够大，甚至可以与原子核或电子相比，那么这样的两个异种电荷在静电力作用下会沿着螺旋线相互接近，最终会处于稳定状态，但由于宏观点电荷的质量不会发生变

55、化，因此最多只能形成一条稳定轨道，而不可能象电子那样在原子核中有多条稳定轨道。在多电子原子中，各电子间有什么主要区别呢？有人认为离核越近的电子能量越低，越不容易失去；离核越远电子能量越高越容易失去，但这还不是最主要的区别。多电子原子中各电子间最主要的区别在于它们的质量不同。离核越近的电子质量越小，离核越远的电子质量越大，同一个原子中没有两个质量相同的电子存在。在氢原子中也是电子离核越近质量越小，离核越远质量越大。6.原子的吸收光谱和明线光谱在原子的吸收光谱中，只有特定能量的光子才被电子吸收；在原子的明线光谱中，同样也只能发出特定能量的光子。于是人们认为电子只能吸收或发出特定能量的光子。我们知道

56、，只要物体的温度在绝对零度以上，就会向外发射电磁波，物质的发射光谱是连续光谱。那么其它能量的光子是由哪一部分发出又是如何发出的呢？显然还是由电子发出的，因为原子核不可能发出光子。当我们用电子束轰击汞原子蒸汽时，可以发现当电子的能量为某些特定值时，汞原子强烈地吸收其能量；对于其它能量的电子汞原子只吸收其一部分能量。汞原子只吸收电子束的能量实际是汞原子中的电子吸收电子束的能量。可见，原子中的电子可以吸收各种能量(质量)，但对特定的能量(质量)吸收能力十分强。在原子的吸收光谱中，电子可以吸收各种能量的光子，只不过大部分光子被电子吸收后与电子的结合能并不大，受到微小的扰动后立即放出光子，由于该过程极短

57、，所以当连续光通过原子蒸汽时，大部分光子被吸收后又很快放出，看起来似乎没有与原子作用，只有极少数具有特定能量的光子与电子的结合力极大，这类光子被吸收后要保持一段时间才可能放出，故吸收光谱会出现几条暗线。至于原子的明线光谱，与其说是明线光谱还不如说原子的发射光谱中有几条线特别亮。这是因为处于激发态的电子比别的能量状态的电子稳定，停留的时间较长，所以在一群原子中处于激发态的电子数目总比别的状态的电子数目多，因而它们发出的光也更亮一些。事实上原子的发射光谱不仅仅是明线光谱，明线光谱只是原子发射光谱中极个别的具有代表性的光子，原子几乎可以发出小于一定能量的任何光子。电子在原子中时刻不停地吸收各种能量的

58、光子，由于电子与绝大部分光子的结合力都不大，所以电子也在时刻不停地放出各种能量的光子，因此物质的发射光谱往往是连续光谱。许多人都认为原子只能吸收特定能量的光子，原子也只能放出几种特定能量的光子，因为他们看到原子的吸收光谱中仅有几条特定频率的暗线，而子的发射光谱也仅仅是几条特定频率的明线而已。其实这种看法是错误的。我们不妨这样分析，若原子只能吸收特定能量的光子，则只有特定能量的几种光子对物体具有明显的热效应，并且每种物质的敏感光子不同。实际上并非如此。我们知道，红外线具有显著的热效应，对任何物质都是如此。此外，物质的发射光谱是连续光谱，这也说明原子或分子的吸收（或发射）出的光子是广谱性的。为了充

59、分理解这个问题，需要作进一步的说明。现代物理学指出：氢原子吸收的光子能量只能是13.6/n*n电子伏（这里n取自然数），也就是13.6 、3.4、 1.5电子伏，并且认为对于10电子伏、3电子伏这样的其它能量的光子不会被电子吸收。我们认为：电子吸收的光子能量是连续的，对于10电子伏、3电子伏这样的其它能量的光子同样会被电子吸收，只不过电子吸收这些光子后，电子和光子的结合能不够大形不成稳定的轨道，所以电子又很快放出该光子，由于作用时间极短，以致于我们误认为电子没有吸收光子。换一个角度来考虑，当大量的原子吸收了能量连续的光子时，由于大部分电子与光子的结合力都不大，所以这些电子在极短的时间内（设为t）就会裂变放出光子，而能量为13.6 、3.4、 1.5电子伏的光子与电子的结合力很大，所以电