勢阱模型以及由此引申出的量子化概念,其本質(zhì)都是由于在微觀的尺度內(nèi),當(dāng)基本粒子的尺度小于離散的量子間的距離時,基本粒子受到量子的不對稱碰撞,使空間效應(yīng)相對變大。此時,空間的影響不再像宏觀尺度的空間那樣可以被忽略不計。于是,在微觀世界,隨著尺度的縮小,粒子逐漸地不再是自由和獨立的物質(zhì)。在狹小的空間內(nèi),空間和物質(zhì)之間的差異變得模糊了,此時空間與物質(zhì)的協(xié)同性接近或超過了空間與物質(zhì)的差異性。所以,在微觀的尺度內(nèi),人們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的存在和性質(zhì)不可避免地會同時受到來自兩個方面的影響。物質(zhì)相對于空間的差異性,決定了該物質(zhì)的粒子性;物質(zhì)相對于空間的協(xié)同性,決定了該物質(zhì)的波動性。
由于量子空間的存在,作為物理背景,使所有微觀粒子都同時既具有波動性又具有粒子性;又由于物質(zhì)相對于空間的差異性和協(xié)同性是一對互補概念,所以微觀粒子的波動性和粒子性是線性相關(guān)的,即其中一個特性的增大或變小是與另一個特性的變小或增大相關(guān)聯(lián)的。這就是物質(zhì)具有的波粒二象性。
以電子為例,我們制作一塊電子無法穿透的靶子,在靶子上挖空兩個相距較近的長條狹縫,使電子可以自由穿過。當(dāng)我們將電子射向靶子上兩條狹縫中間的位置時,如果電子是直線運動的,則電子就會被靶子反射回來,于是在靶子的背面探測不到電子。但是,實驗的結(jié)果卻是,不僅能夠在靶子的背面探測到電子,而且在靶子背后距離中心位置較遠的上下兩側(cè)仍然可以探測到多數(shù)的電子,甚至可以觀察到電子的干涉或衍射圖像。在靶子的背面距中心點的不同距離,電子呈現(xiàn)出的強度變化是不均勻的,產(chǎn)生類似兩束頻率相同的光所形成的干涉條紋。
再進一步進行實驗,如果讓電子一個一個地依次發(fā)射,兩條狹縫同時打開時獲得的圖像,與先打開一條狹縫然后再打開另一條狹縫所得到的疊加圖像,是完全不同的。這說明電子不僅和光子一樣也具有波動性,其運行的路線并非直線;而且還表明電子與空間存在著相互作用和相互影響,使先通過狹縫的電子借助于空間對后面即將通過的電子產(chǎn)生影響,即前一個電子走過的路徑會對后一個電子要走的路徑產(chǎn)生影響。
如果我們用波長λ表示粒子的波動性,用動量p表示粒子的粒子性,根據(jù)實驗的結(jié)果,微觀粒子的波粒二象性可以用以下數(shù)學(xué)公式來表達
λ×p ≥ h
這一公式表明,當(dāng)λ和p的數(shù)值都非常小時,即對于微觀粒子而言,λ和p是線性相關(guān)的,受到普朗克常數(shù)h的限制。如果我們希望粒子不受空間效應(yīng)的影響只表現(xiàn)出粒子性,就必須令波長λ等于0,然而受此公式的限制,該粒子的動量p就會變成為無窮大,顯然這是不可能的。反之,如果我們希望粒子只表現(xiàn)出波動性,相對于空間的差異性為零,必須令其動量p等于0,此時作為波長的λ就會相應(yīng)地變成為無窮大,這也是沒有意義的。所以,上述公式充分反映了微觀粒子所具有的波粒二象性。
上述公式是普適的,對任何層次和任何尺度的物質(zhì)都是適用的。我們可以換一個角度來理解物質(zhì)的波粒二象性,即物質(zhì)的波粒二象性是由于其封閉性介于0~1之間的緣故。因此,物質(zhì)除了具有一定的封閉性之外,還會不可避免地受到空間的影響,具有一定的空間性。只不過對于宏觀物質(zhì)來說,由于其相對于空間的差異性遠大于相對于空間的協(xié)同性,其動量和波長的乘積遠大于普朗克常數(shù)h,從而使宏觀物質(zhì)的波長和動量不再是線性相關(guān)的了。因此,宏觀物質(zhì)動量的減小并不要求其波長相應(yīng)地變長。此時,空間的效應(yīng)相對于物質(zhì)的獨立性變得微不足道了。這就是為什么宏觀物質(zhì)只表現(xiàn)出實體性和確定性,而沒有表現(xiàn)出波動性的原因。
對于宏觀物質(zhì)來說,在低速情況下,其感受到的空間效應(yīng)(量子碰撞的不對稱性)是微不足道的,所以宏觀物質(zhì)的外在能量主要以動能的形式存在,其波動性可以忽略不計。只有當(dāng)宏觀物質(zhì)接近于光速運動時,才會由于量子碰撞的不對稱導(dǎo)致空間效應(yīng)迅速變大。只是,作為間接的封閉體系,宏觀物質(zhì)的封閉性比較弱。在高速運動的情況下,宏觀物質(zhì)已不僅是產(chǎn)生波動性的問題,而且還會因空間效應(yīng)的增大而被降解為各種直接的封閉體系,即各種微觀粒子,并最終還原為光子。這也是為什么物質(zhì)無法超越光速的原因。
在日常生活中,由于速度的增大使空間效應(yīng)變大的事例是很多的。例如,你相信一個人能夠光腳站在水面上嗎? 這似乎只是武俠小說中虛構(gòu)的輕功。然而,速度就能夠幫助你實現(xiàn)這一奇跡! 赤腳劃水運動就是根據(jù)這一原理借助摩托艇的速度實現(xiàn)的。所以,隨著物質(zhì)運動速度的提高,空間效應(yīng)會變得越來越大,從而使物質(zhì)與空間的相互關(guān)系越加密切。
與經(jīng)典力學(xué)相比,相對論和量子力學(xué)之所以具有許多新奇的特性,是由于在高速和微觀的情況下產(chǎn)生了量子碰撞的不對稱,使空間效應(yīng)增大,使之變得不可被忽略的緣故。從這個意義上講,經(jīng)典力學(xué)是忽略空間效應(yīng)的理想物理學(xué),其相應(yīng)的世界景觀是機械的一維物質(zhì)世界。反之,根據(jù)相對論和量子力學(xué),我們可以獲得一個有機的二維宇宙景觀。根據(jù)這一新的景觀,影響物質(zhì)行為的因素來自兩個不同的方面:一方面來自作為封閉體系的物質(zhì)本身,另一方面來自離散狀態(tài)的量子空間。
由于物質(zhì)與空間的相互作用是通過交換離散的量子來實現(xiàn)的,而普朗克常數(shù)h是量子的本征參量,即是量子的角動量具有不變性,所以普朗克常數(shù)h是自然界的這兩種不同狀態(tài)之間相互作用的最小單位。由此,我們認識到,空間和物質(zhì)是自然界的兩種基本的存在狀態(tài),即離散狀態(tài)和封閉狀態(tài),而物質(zhì)的波粒二象性是由自然界這兩種存在狀態(tài)的有機聯(lián)系決定的。這兩種不同的存在狀態(tài)始終都在普朗克常數(shù)h的尺度上進行著相互依存、相互滲透、相互作用和相互轉(zhuǎn)化的過程,并由此構(gòu)成了一個有機的世界。
聯(lián)系客服