X射線、天然放射性、電子是十九世紀末期物理學上的三個重大發現,這三個重大發現改變了人們以往認為原子不可再分的偏狹認識。既然原子可以再分,到底它的內部會是怎麼樣的呢?研究原子的科學家相繼提出了不同的原子模型,其中比較出名的有盧瑟福的“有核模型”和玻爾的“玻爾原子模型”。
盧瑟福的有核模型是這樣的:在原子中心有一個極小的原子核,原子的絕大部分質量就集中在這裏,它帶有的是正電荷,而帶有負電荷的電子則圍繞這個原子核不停地運動,原子核帶有的單位正電荷與繞核運動的電子數是相等的,這樣整個原子就會呈中性,原子的結構便相似於太陽係,原子核相當於太陽,電子相當於各個行星。
但是,盧瑟福的有核模型遭到了許多科學家的反對,因為這些科學家根據經典物理學的電磁理論提出了盧瑟福的有核模型無法解釋的疑難:加速運動的電荷會輻射電磁波,由於能量減少,電磁波最後會越來越短,這樣的話,電子的運動會越來越接近原子核,最後會成為原子核的一部分,這時原子就會毀滅,但事實上,原子的壽命是十分長的,於是有核模型就與事實出現了矛盾;而且電子軌道若不斷靠近原子核,它的運動頻率和輻射的電磁頻率就必須不斷地變化,原子輻射的光譜應是連續光譜,但事實上原子的光譜卻不是連續的,盧瑟福的有核模型也無法解釋這一點。
盧瑟福的學生玻爾為了解釋有核模型遇到的難題,把老師的原子結構模型加以改造,成為一個新的原子結構模型,這個新模型被稱為“玻爾原子模型”。
玻爾原子模型的主要內容是:一、承認盧瑟福的有核模型,不過電子繞核運動時,一般會在特定軌道上運行,這時原子的狀態是穩定的,不會向外輻射能量;二、當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道,原子的狀態就會從穩定轉為不穩定,這時原子便會向外輻射一定頻率的光,光的能量由軌道間的能量差決定;三、電子的軌道不是連續的,因而原子的定態也不是連續的,原子輻射的光也就是不連續的。
玻爾的原子模型解決了有核模型無法解釋的難題,得到了眾多科學家的肯定。還有,玻爾在理論中提出原子定態、量子躍遷等概念,有力地推動了量子力學的發展。但是,玻爾的原子模型隻能夠解釋氫原子的光譜線現象,對其它較為複雜的原子的光譜線現象卻無法作出合理解釋,這證明玻爾的原子模型還存在較大的缺陷。
為了擺脫玻爾原子理論的局限,讓原子的光譜線現象得到解釋,法國科學家德布羅意把愛因斯坦的光的波粒二象性擴展到其它微粒上,在一九二三年發表三篇論文中他提出了物質波的理論:電子等微粒像光一樣,既具有粒子的性質,也具有波的性質,因此愛因斯坦的光量子能量公式不僅適用於光,同樣適用於電子。德布羅意為了證明他的理論,他預言電子穿過小孔時,會產生與光的衍射相似的現象。
後來德布羅意的預言得到了肯定,科學家通過實驗證明電子不僅具有粒子的性質,還具有波的性質,不僅如此,其它的微粒,質子、原子等微粒同樣具有波粒二象性。
玻爾、德布羅意在量子力學上都取得了偉大的成就,由於他們的卓越貢獻,二人同被人們尊為量子力學的創始人。這時的量子力學雖已到達了一定階段,但它的創立仍未完成。出生於德國維爾茲堡的海森堡經過自己的努力,也成為量子力學創始人之一。
海森堡研究過玻爾的原子結構理論後,大膽拋棄了玻爾的軌道概念,但又靈活地肯定玻爾的其它理論,在這樣的思想方針下,海森堡利用光的頻率和強度這兩個可知的物理量,以代數學的矩陣為基礎研究出了求解其它物理量的方法。後來海森堡的老師玻恩等人用數學的矩陣方法把海森堡的思想發展成為係統的理論,稱之為矩陣力學。
海森堡的好朋友泡利利用矩陣力學去處理氫原子光譜,計算出來的情況與實際符合,科學家又再用矩陣力學去處理其它的疑難問題,也獲得了成功,這證明了矩陣力學是正確的理論。
出生於奧地利維也納的科學家薛定諤,也是量子力學的一位重要人物,他是數學方程形式的量子力學——波動力學的主要創立者。薛定諤在細心考慮過愛因斯坦的量子理論和德布羅意的物質波理論後,又經過反複研究,最後提出了著名的“薛定諤方程”,創立了波動力學。
“薛定諤方程”提出兩年之後,英國科學家狄拉克把相對論思想融入薛定諤方程中,成為狄拉克方程。
一九二七年,也就是狄拉克方程提出的前一年,海森堡提出了“測不準原理”,他認為,在測量過程中,會有一些難以確定的作用影響到測量的結果,因而粒子的位置和速度不可能同時確定,假如確定了粒子的位置,它的速度就難以確定,確定了它的速度,位置又難以確定了。與海森堡提出“測不準原理”同年,玻爾提出了“互補原理”,以哲學的觀點來解釋量子力學。根據這些理論,我們隻能了解到粒子的出現幾率而無法確定粒子何時何地一定出現。
量子力學的幾率解釋遭到了屬於量子力學三元老之一的愛因斯坦強烈反對,因為愛因斯坦堅信,自然界中,一切都是由前因而來,有什麼樣的前因,就會有什麼樣的結果,按照這一點,什麼都是能夠測算出來的,自然界不可能在擲骰子來決定粒子是否出現。
上麵是量子力學的發展史概況,為了把一些重要問題說得更清楚更明白,敘述一下發展史是有必要的。
對於原子或比原子更小的係統,其實我在很前的篇章中已經詳細推理過,但有一些細節我可能說得不太清楚,下麵我會重複以前的重要論述並對較模糊的細節作出適當的補充和說明:
力粒子是圓球形粒子,它具有引性斥性。引性就是吸引的特性,因而作用方向是向內部;斥性就是排斥的特性,因而作用方向是向外部。為什麼力粒子必須具有引性斥性呢?若引性斥性皆無,則力粒子什麼作用也沒有,則它並不存在“體”。這當然不可能。假如力粒子隻具有引性而不具有斥性,在引性的作用下就會融成一體而無“個體”之分。這也不可能。假如力粒子隻具有斥性而不具有引性,那麼斥性的作用“相對於空無的引性”就可以達到無限大,而在無限大的排斥作用下力粒子定然會爆炸粉碎。這當然也不可能。
而且,力粒子的引性斥性不可能同時相等的存在於每一個相同的點,因為若同時吸引同時排斥且二者相等雖然會存在作用,但力粒子本身不同之點不同之處的不同性質就不可能表現出來,這樣,力粒子的速度就不可能比光還要快,和世界隻能一直靜止不變而不可能形成宇宙。基於上麵理由,我們可以推理得出:一、力以球體上某一點為引性最大處,此點與球體中心連線穿過另一邊球麵的點也為引性最大處;二、力也會以球體上某一點為斥性最大處,此點與球體中心連線穿過另一邊球麵的點也為斥性最大處;三、引性最大處稱為引極,斥性最大處稱為斥極,兩個引極和兩個斥極處於同一平麵並對稱成“十”字,兩個引極的作用和性質都有限而接近於無限地相同,兩個斥極的作用和性質也都有限而接近於無限地相同,至於引極和斥極之間則作用的性質相反但作用的大小有限而接近於無限地相同,為了省去語述的累贅,“有限而接近於無限地相同”常會述為“相同”;四、離開引性最大之點某一段距離內,隨弧距變長呈引性遞減趨勢;五、離開斥性最大之點某一段距離內,隨弧距變長呈斥性遞減趨勢;六、引性斥性本身是同時共存於每一處每一點的;引性遞減,則斥性遞增;斥性遞減,則引性遞增;若引性大於斥性,則不表現為斥性,隻表現為引性,但實際上斥性也起作用,否則力粒子體上沒有斥性作用的那一部分就會由於引性作用而無限地收縮;若斥性大於引性,則不表現為引性,隻表現為斥性,但實際上引性也起作用,否則力粒子體上沒有引性作用的那一部分就會被完全排斥而裂開;七、穿過力粒子體心並垂直於引性最大的兩個點和斥性最大的兩個點共同所在的平麵,而與力粒子體表相交的兩個點,由於引性斥性作用剛好相抵銷,既不表現為引性也不表現為斥性;這一點的推理基礎除了上麵的理由和剛才由這些理由推理而得出的第四、第五點之外,還由於要考慮世界之始力粒子的有序排列方式;八、在“兩個引極”與“引性斥性相抵銷的兩個點”所在的大圓的同一半圓上,“兩引極”與“引性斥性相抵銷的其中一個點”的“兩個中心點”為“半引極”;因而每一個力粒子有兩個“半引極”,這兩個“半引極”與兩個“引極”在同一半圓弧上,並且作用相當於一個引極;九、“兩個半引極”中每一個“半引極”穿過力粒子體心而“與體表相交的兩個點”則為“半斥極”;因而每一個力粒子有兩個“半斥極”,這兩個“半斥極”與兩個“引極”在同一半圓弧上,並且作用相當於一個斥極;十、兩個“半引極”正處於“兩個引極和引性斥性相抵銷的其中一個點的中間”,故得引極所具引性之一半,為“半引極”;而兩個“半斥極”則處於兩個“引極”和“引性斥性相抵銷的另外一個點”的中間,然仍得斥極所具斥性之一半,為“半斥極”。對於上麵第八、第九點的推理,其實是我仔細思索而得出的結論,主要依據有兩點:第一點是,力是一種本身就能運動而且速度十分快的物質,由於力粒子“兩個引極”位置對稱性質相同,“兩個斥極”也是位置對稱性質相同,因此力粒子對立方向就不存在不同的作用,假如“半引極”和“半斥極”各自都已性質相同而又同樣位置對稱,那麼它們的同性質作用就會由於位置的相互對立而抵銷,力粒子也就無法運動;第二點是,力粒子的“半引極”在“兩引極”與“引性斥性相抵銷的其中一個點”的“兩個中心點”上;比力粒子的“半引極”在“兩引極中一個引極”與“引性斥性相抵銷的兩個點”的“中心點”上要合理;這主要是從物質的結合、特別是引力粒子的構成上推理而得。
在這裏我想花點篇幅對力粒子的引性斥性作點補充和說明:引性斥性都隻是力的特性,而“不是”物質。為什麼引性斥性“不是”物質呢?我們之前已經推理得出“力粒子是世界上最小的物質也是唯一一種物質”,假如引性斥性也是物質就會與這一正確結論產生矛盾。若引性斥性“不是”物質,他人則可據此“以子之矛,攻子之盾”而質疑:“既非物質,即為空無,何能作用?”,這種質疑確也有其“道理”所在,但看見我上麵“不是”二字加了雙引號嗎?為什麼要加雙引號呢?這是因為引性斥性雖“非”物質卻有物質基礎,同屬力粒子的組成部分,與力粒子是同為一體的。也就是說,力粒子的存在就代表了引性斥性的存在,引性斥性的存在同樣代表了力粒子的存在,三者有則同有,無則俱無,故引性斥性的作用其實隻是力粒子的作用,而力粒子是物質,它當然是能存在作用的。根據這一理論我們可以解釋一個十分離奇的“矛盾”:世界本身並不存在絕對性意義的空無,但是,隻要有足夠的微觀思維,一定能夠想像得到在每一個力粒子的交界一定存在著“空無”,無論這“空無”多麼微小都總該存在,否則,力粒子的交界就會與力粒子的內部無異,而不同的力粒子就會成為一個整體再也無分彼此。這種想法有其道理,但這種想法卻忽略了一個極之重要的事實,力粒子之間的“空無”並不是絕對性意義的空無,它是以斥性為基礎的,沒有斥性它根本不可能存在,而斥性卻又與力粒子同為一體,這就說明,這種“空無”也是與力粒子同屬一體,同樣具備了物質基礎,並不是絕對性意義的空無。一樣的道理,宇宙誕生之後,力粒子以引性聚合而產生的物質間的大量“空無”也是以力粒子的斥性為基礎,同樣具有物質基礎而不是絕對性意義的空無。