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物质波本性研究的新发现 孟庆勇 摘要：本文运用物质的结构与相互作用理论对物质波的产生原理进行了深入探究，通过剖析物质微观粒子与介质以及晶体原子的相互作用，发现在微观粒子的衍射实验中存在两种意义上的物质波即粒子波与电磁波，发现了粒子穿越晶体后产生环条形衍射图样是电磁波的干涉和衍射形成的，探讨了物质粒子的质量、速度、动量、能量以及物质粒子波和衍射电磁波的波长、频率、振幅、波速等物理量之间的相互关系，推导出衍射电磁波的波长、频率与物质粒子能量（质量和速度）的关系式，对物质波的本性给予了深刻揭示。 关键词：物质波，波粒二象性，德布罗意关系式，物质的结构和相互作用理论，非均匀介质，相互作用，非对称非稳定作用，直线运动，横向振动，纵向振动，晶体孔缝，能级跃迁，激发共振，X射线，劳厄相，德拜相，环条形衍射，物质粒子波，衍射电磁波，干涉，衍射，散射，普朗克恒量，粒子质量，速度，动量，能量，振动，频率，波长，波速 一、物质粒子与介质环境的相互作用是粒子振动和波动的根本原因 波是由于物质周期性运动而呈现的一种表观现象。就机械波而言，波分为横波与纵波两种基本类型。波长λ、波速v与频率υ或周期T存在如下关系： λ＝v／υ=vT 物质波是一种什么波呢？ 关于物质波的概念，法国物理学家德布罗意在1924年提出一个假说，指出波粒二象性不只光子才有，一切微观粒子，包括电子和质子、中子，都有波粒二象性。他把光子的动量与波长的关系式p=h/λ推广到一切微观粒子上，指出：具有质量m和速度v的运动粒子也具有波动性，这种波的波长等于普朗克恒量h跟粒子动量mv的比，即λ=h/p=h/mv .这个关系式后来叫做德布罗意公式。有关实验证明了一切运动的微观粒子都具有波粒二象性，其波长与动量的关系都符合德布罗意关系式，于是就把这种波叫做德布罗意波或物质波。就是说，具有一定能量和动量的自由粒子，沿粒子运动方向有一定波长、频率的平面波传播，符合德布罗意关系式：E=hυ和p=h/λ的波，都叫做德布罗意波。 有资料讲，光波是最典型的德布罗意波，在接下来的分析中我们将会看到，在有关粒子的衍射实验中先后出现了两种意义上的波，即粒子波与电磁波。而光波与物质粒子波则是有区别的。光波是在场物质中传递的电磁波，是弹性波。产生光波的物质是场物质，光波通过电场子传递能量，每个电场子只做横向和纵向的振动，并不向前直线运动。光子概念实质上就是光波波包，每个光子波包的能量是hυ，在光子波包里有许多电场子组成，向前做直线运动的是光子波包，一个光子是指一个光子波包，而不是单独的电场子。光子的实质是波而不是粒子。 关于物质波的本性问题，1926年，德国物理学家波恩提出了符合实验事实的后来为大家公认的统计解释：物质波在某一地方的强度跟在该处找到它所代表的粒子的几率成正比。按照波恩的解释，物质波乃是一种几率波。而这种解释并没有解决物质波的实质性问题。 关于物质波的本性问题，有这样几个问题是需要深入认识的：物质粒子在介质环境中能够产生振动或波动吗？若物质粒子也能产生波动，那么它与弹性波的波动性质有什么区别？物质波具有什么样的结构和作用特性？ 如果说物质粒子本身就具有波动性，那么这种物质粒子的波（物质波）实质上是由于粒子做向前的直线运动过程中所形成的波，可以称为粒子波，它既不是机械波，也不是电磁波，因此它也不属于弹性波。物质粒子波与弹性波有着许多不同的规律，粒子波的频率和波长与介质的结构和作用特性有着非常密切的关系，而粒子波的波速就是粒子做直线运动的速度。机械波是周期性的振动在媒质内的传播，电磁波是周期变化的电磁场的传播。机械波与电磁波都是弹性波，不同的物质所产生的弹性波的波速都是各不相同的，声波、光波、绳波、水波、地震波等等都是如此。 关于弹性波的波速问题，不管是纵波（如声波、弹簧波、地震波的纵波），还是横波（如光波、绳波、地震波的横波），波的传播速度都与物体的结构性质有关。波的传播速度决定于媒质的特性，对于弹性波来说，波的速度决定于媒质的惯性和弹性。理论分析可以知道，在波的初始条件相同时，传播介质的弹性越大，波速越大；弹性越小，波速越小。决定波的传播速度的内在条件是介质的弹性。由波速关系式C =k0kA2υ，可知波速C是由波的初始条件如振频υ、振幅A和波的传播介质的结构特性如弹性所决定。进一步地理论分析可以发现，不管是横波还是纵波哪一种性质的波，决定波速的不外乎两个基本条件，产生波的初始条件（如振频、振幅）和波传播的过程条件（如介质的结构性质）。在研究弹性波的波速问题时，忽视初始条件或者忽视过程条件都是片面的。 地震是地球内部缓慢积累的能量突然释放引起的地球表层的振动。地震产生的振动以波的形式传递能量，地震波有3种形式：纵波（P波，压缩波）、横波（S波，剪切波）和面波（L波)。地震发生时在震源处同时产生纵波和横波。由于纵波的传播速度比横波快，纵波在地壳中传播速度每秒钟达5—6公里，横波在地壳中传播速度每秒钟仅为3—4公里，因此最先到达地表的是纵波。地震波到达地表时会引起地表另一种形式的振动——面波，它的传播速度最慢，面波只沿着不同介质之间的界面传播，但面波的波长较长，振幅大，会对地表建筑物造成很大的破坏。三种地震波的频率都很低，属于次声波。 关于物质波的本性和物质波的频率、波长、波速等问题，最关键的问题是要弄清楚物质波是如何产生的？为什么一切运动的微观粒子都具有波粒二象性，都能够产生波动呢？为什么一切微观粒子在做直线运动的同时，也能够做横向和纵向的周期性振动？（注：把与粒子直线运动方向垂直的振动称为横向振动，把与粒子直线运动方向平行的振动称为纵向振动。） 一个单独的粒子在相对于介质环境静止的时候是不会产生波动的，但是在介质环境的非对称非稳定的作用下将会不断地产生微小振动。我们从一般所见的波动现象可以发现，波动实际上是周期性的振动与直线运动两种形式运动的合成。因此，对于单个物质粒子的波动而言，物质粒子除了能够在介质中产生振动之外，还应当是做相对于介质环境的向前直线运动才能产生波动。能够产生物质波的粒子必须同时具有两种运动形式：一个是横向或者纵向的周期性振动，一个是纵向的直线运动，只要粒子同时具有这两种运动形式，那么粒子也就产生了物质波，也即粒子波。（注：这里运用直线运动的概念主要是为了表述的方便，自然的现实情况没有绝对的直线运动。） 一个粒子当它在做直线运动的时候，在它所经过的空间介质环境中，例如，一般的介质环境如空气、水等或者是仅有场物质存在的介质环境，由于空间环境中的任何物质严格来说都是非均匀、非对称和非稳定的，所以运动的粒子是时刻受到所处介质环境的非均匀、非对称和非稳定的力或者自身内部物质运动（如中子、原子）的非稳定的力的作用的，空间介质环境或自身内部物质运动产生的力对粒子本身的作用严格来说都是非均匀的和非对称的，对运动粒子的作用方向是时刻不断变化的，这就引起了粒子横方向和纵方向的振动和直线运动速度的不稳定，尤其是粒子运动方向的前部受到外力的作用更大，前部不稳定的物质流使粒子产生的振动更甚，而在粒子的尾部也会形成涡流，所以，粒子相对于介质运动而在周围形成的不均匀不稳定的物质流是使粒子产生振动或波动的根本原因，即当粒子在做直线运动时，由于受到不断周期变化的横向（纵向）外力或自身产生的横向（纵向）作用，粒子就会在做向前直线运动的同时，也做横向（纵向）的周期性振动。可以发现，物质波的波动表现在横向和纵向两个方向上。横向振动与粒子运动方向垂直，属于横波。而粒子的纵向振动与粒子的运动方向一致，一般被粒子的直线运动所掩盖，是一种潜在的波动，属于纵波。例如高速运动的子弹和高速飞行的飞机在与空气相互作用的时候，就存在这两种振动，强烈的周期性振动反复挤压空气引起空气的振动就会表现为声音的强弱和高低的起伏变化。还容易发现，粒子运动到何处，粒子产生的波动就在何处，所以物质粒子波的波速就是微观粒子的运动速度。这也是按照物质的组成结构和相互作用理论对粒子与介质的相互作用规律进行分析所得出的必然结果。 上面是从物质的结构和相互作用理论分析了粒子产生振动或波动的根本原因，下面我们继续按照物质的结构和相互作用理论对粒子的波动原理作进一步地深入探讨。 从物质波的产生机制可以看出，当粒子在介质里做直线运动的过程中，在不断变化的横方向和纵方向的介质外力作用或自身的不稳定力的作用之下，质量越是轻小的粒子越容易因为受到非均匀物质流的作用而改变运动方向，也就越容易产生横向和纵向的振动，振幅就会越大，频率也会越高。所以，电子比质子容易振动，质子比中子容易振动，中子比原子核容易振动，原子核比分子容易振动等等。对于中子，除了会因为受到非对称不稳定的外力作用而产生振动外，中子本身因为还会受到内部电子的不稳定运动所产生的不稳定力的作用，也会产生一种振动。据此可以推知，在粒子运动速度相同，外部受力作用介质环境相同（如相同的场环境）的条件下，质量越是轻小的粒子，越容易引起振动，振幅越大，频率越高，波长越短。所以，对于电场子、电子、质子、中子、原子核、原子和分子等不同质量和不同层次的微观粒子，在相同的介质作用环境和相同的运动速度的条件下，它们的振幅、频率、波长将按照一定顺序排列。排列如下： 按振幅顺序：电场子>电子>质子>中子>原子核>原子>分子，即A∝1/m 按频率排列：电场子>电子>质子>中子>原子核>原子>分子，即υ∝1/m 按波长排列：电场子<电子<质子<中子<原子核<原子<分子，即λ∝m 综合以上三式，近似表示为：λ∝m/Aυ 此式表示，在相同的介质作用环境和相同的运动速度的条件下，粒子的波长与质量成正比，与振幅和频率成反比。 粒子在介质中做直线运动产生的粒子波的频率和波长（或者振幅）除了与粒子的质量和结构形状有关以外，还与粒子所在介质的结构作用性质和粒子直线运动的速度大小有关。 以子弹在空气介质中的运动为例，说明粒子在介质中做直线运动时产生粒子波动的一般规律。 一颗子弹在空气中飞行时，如果子弹速度变快，空气介质对子弹的非对称非稳定作用将相对地减小，子弹的振幅减小，单位路程里产生全振动的次数减小，波长变长，飞行的稳定性增高。但是，在子弹速度增加的同时，又增大了子弹与介质粒子在单位时间里碰撞作用的次数，单位时间里产生全振动的次数增加，频率增加。就是说，子弹的波长与频率都是随着子弹速度的增加而增加，也随着速度的减小而减小。 上面的规律可近似表示为：A∝1/ v ，λ∝v ，υ∝ v ，λ∝v/υ 对于子弹飞行引起空气振动而产生声波的情况则是另一种表现，子弹飞行越快，子弹穿过之处的空气开闭越快，空气振动的频率越高，声波频率越高，波长越短；相反，子弹飞行越慢，子弹穿过之处的空气开闭越慢，空气振动的频率越低，声波频率越低，波长越长。 分析发现，粒子的波长主要是由介质的结构及作用特性和粒子自身的结构形态及质量等稳定的影响因素决定，粒子波长随速度的变化不大，所以在粒子做直线运动速度变化不是很大的情况下，粒子波长是一个相对恒定的量，即λ≈ 恒量，因此粒子频率随粒子速度而增加，即υ∝v /λ 。若从实际情况来看，当粒子速度增加时，由于介质对粒子的作用相对地减小，粒子的振幅减小，单位路程里介质对粒子的作用次数减小，则波长变长，即λ∝v ，而单位时间里介质微粒对运动的粒子作用次数增加，粒子频率也随速度而增加，即υ∝v ，所以波长和频率都是随速度的增加而增加，可表示为：λυ∝v ，或λυ=v 此式表明，粒子的波长λ和频率υ与粒子的速度v是正向增加的关系。 根据实际产生的情况，由上面的λ∝m/Aυ和λυ∝v两个式子可得波长与粒子质量、速度、振幅、频率几者关系的近似式： λ∝mv /Aυ 此式表明：在相同的介质作用环境里，运动粒子的波长近似地与粒子的动量成正比，与粒子的振幅和频率成反比。 关于粒子振幅与粒子质量、速度的关系是：在同一种稳定不变的介质里，受到非均匀非对称介质的作用，粒子质量越大，速度越大，而振幅越小；反之，粒子质量越小，速度越小，而振幅越大。振幅与粒子质量、速度成反比。 可表示为：A∝1/mv 由上述分析可知，粒子的质量越大，速度越大，那么粒子的振幅就会减小，频率减小，粒子的直进性越明显，粒子性越强；反之，粒子的质量越小，速度越小，粒子的振幅就会增大，频率增大，粒子的波动性越明显，波动性越强。（有朋友问：“粒子的速度为零即静止时,那么粒子的振幅就是无限大吗？”答：粒子的振幅不会变成无限大，粒子振幅的大小还受制于介质的结构和介质中的非对称非稳定作用。） 除了微观粒子能够产生物质波以外，宇宙宏观物体或天体如地球、月球等在做直线运动并受到介质环境振动力的作用时也能产生一种波动。因为宏观物体或天体质量和体积较大的缘故，所以，在相同的介质作用环境里，宏观物体或天体比微观粒子的振动更为缓慢，振幅更短，波长更长，单位质量的振动能量更小，但由于总质量很大，所以在地震时瞬间爆发的能量很大。受宏观天体振动的推动作用，宏观天体周围的场物质将跟随天体的振动产生电磁波，电磁波的频率与宏观天体的振动频率相同，而波长则是电磁波的波速与频率之比。地震发生时会发射许多低频的电磁波、次声波和噪声。 因为发生衍射现象的条件是障碍物或孔缝的尺寸小于或约等于波长，才能观察到明显的衍射现象，所以波长大的波比波长小的波容易产生衍射现象。声波比光波的波长较长，所以声波比光波容易产生明显的衍射现象。地震海啸的地震波波长可达几百公里，可影响到万余公里以外的地方。 从上面对物质波产生原理的分析中我们得出了一个与德布罗意物质波关系式完全相反的结论，即物质波的波长与粒子的动量近似成正比而不是德布罗意物质波的关系式说的物质波的波长与粒子动量成反比。那么，这样就出现了一个问题，因为按照物质的结构与相互作用理论对上面所做的物质波波动原理的分析必然能够得出粒子的波长与动量成正比的结论，事实上应当存在这种波动。通过进一步的深入研究就会发现，物质波除了表现为粒子在介质中波动的意义之外，还有另一种意义上的“物质波”，即穿过晶体时激发晶体原子产生能级跃迁而产生的电磁波，而产生环条形衍射的物质波有可能就是一种类似X射线的电磁波，电磁波的速度即为光速，显然这已经不是传统意义上的物质波或粒子波了。   |
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