宇宙中不可忽視的德布羅意波現(xiàn)象的研究

張效民

（湖南郵電職業(yè)技術學院，湖南長沙410015）

宇宙中不可忽視的德布羅意波現(xiàn)象的研究

張效民

（湖南郵電職業(yè)技術學院，湖南長沙410015）

我們所觀察的宇宙由于物質質量大，往往只注意物質的粒子性，但其實質也是波動的，特別是早期宇宙的波動性對現(xiàn)在的影響是不可忽視的。根據(jù)熱力學第二定律“能量在不受干擾的空間，能量只能從較為規(guī)則的形式變?yōu)檩^為雜亂無序的形式”和愛因斯坦相對論“質能關系”原理賦予宇宙非均勻性、各向異性。

德布羅意波；波動；非均勻性；各向異性

1 物質的波粒二象性

我們所觀察的宇宙由于物質質量大，往往只注意物質的粒子性，但其實質也是波動的，特別早期宇宙的波動性對現(xiàn)在的影響是不可忽視的，那么什么是物質的波動性？這就要從德布羅意發(fā)現(xiàn)物質波粒二象性說起。

1924年，法國巴黎大學的德布羅意考慮到普朗克能量子和愛因斯坦光子理論的成功，在博士學位論文中大膽地把光的波粒二象性推廣到實物粒子，如電子、質子、中子等。他曾經(jīng)寫道：“整個世紀以來，在無靜止質量物質如光子，與波動方面的研究相比，忽視了粒子方面的研究，而在實物粒子的研究上，是否發(fā)生了相反的錯誤呢？是不是人們把粒子方面的圖像想得太多，而忽視了波的現(xiàn)象？”于是，他提出了“實物粒子也是具有波動性”，即每一個運動的粒子都與一個對應的波相聯(lián)系，而且粒子的能量ε和動量P跟它所對應的波的頻率ν和波長λ之間，也像光子跟光波一樣，遵從如下關系：

這種與實物粒子相聯(lián)系的波后來稱為“德布羅意波（de Broglie wave）”，也叫做物質波（matter wave）,如圖1所示。

圖1 電子穿過鋁箔后的衍射圖

其實任何物質不論是有靜止質量的粒子，還是沒有靜止質量的光、電磁波一類，它們所產生的波都是概率波(probability wave)，如圖2所示。

圖2 電子干涉條紋對概率波的驗證圖

宏觀物質的德布羅意波為什么很難測量其波長呢？這最主要是宏觀物體運動時動量很大，根據(jù)，它們的德布羅意波的波長就非常小，例如：一個質量為0.02kg，速度為300m/s的子彈，它的德布羅意波長只有1.1×10-34m，比宏觀物體的尺度小得多，幾乎無法觀察到宏觀物體的波動性，但無法觀察并不等于不存在。

粒子的波動性還賦予了物質的另一個特性：物質的非均勻性、各向異性。從圖1、2中可以看出正是物質的波動性使物質在運動中以非均勻的形式存在。

2 物質波動性賦予宇宙非均勻性、各向異性

傳統(tǒng)的宇宙大爆炸、暴脹理論描述一個事實：今天如此廣闊的宇宙是一個點擴展而來，137億年前整個宇宙比一個原子的最小部分還要小，難以置信的小。瞬間，萬物突然擴張、暴脹，我們處在宇宙大爆炸的余波之中，我們看到的、聽到的、聞到的、品嘗到的、接觸到的都是宇宙大爆炸的余波。但早期的宇宙是沒有太陽、地球、星系的,只是一鍋不斷膨脹的原始粒子湯。如圖3所示。

圖3 宇宙演化圖

傳統(tǒng)的宇宙理論告訴我們：宇宙是均勻的、各性同性的。但德布羅意現(xiàn)象告訴我們一個既定的事實：物質的分布不可能是均勻的。在宇宙早期很小的時期本身就是不均勻分布，雖然這種不均勻分布很微小，隨著宇宙膨脹的進行這種早期不均勻現(xiàn)象現(xiàn)在依然是可觀察到的，就好像射擊的子彈在運動中細微的偏差，在擊中目標時也會出現(xiàn)很大的偏差。

由于現(xiàn)實物質動量大，德布羅意波很難發(fā)現(xiàn)及測量。宇宙中不均勻性現(xiàn)象應該在宇觀范圍內會有所體現(xiàn)，特別是在早期宇宙中無重力的環(huán)境下。

3 證據(jù)指向

目前為科學界所普遍承認的宇宙起源就認為宇宙是誕生于距今約137億年前的一次大爆炸的“余輝”，均勻地分布于整個宇宙空間，“大爆炸”之后的宇宙溫度極高，隨著宇宙膨脹冷卻，在30多萬年之后，宇宙微波背景點輻射由此而產生。對應的溫度約為2.7K。如圖4所示。

圖4 宇宙微波背景輻射圖

如果宇宙是均勻的，微波背景輻射也應該是均勻的，但微波背景輻射有一個微小的偶極各向異性：在赤徑11.3±0.1h，赤瑋4±20的地方溫度略高，在相反的方向溫度略低，此前人們認為這是由于銀河系運動帶來的多普勒效應所引起的。但關鍵是其效應不可能在如此大范圍產生影響，只能有一種解釋，宇宙早期由于德布羅意效應的不均勻性引起的。另外科學家們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射（CMB），一個巨大的冷斑（cold spot），其中完全是“空”的，沒有任何正常的物質或暗物質，也沒有輻射信號，為什么宇宙中會存在如此的“空”呢？如圖5所示。

圖5 宇宙微波背景輻射的冷斑圖

其原因也只能是由于德布羅意效應在早期宇宙原始粒子湯中就確定了其不均勻性。早期宇宙由于粒子動量大，不均勻性雖然極其微弱，但好像射出細微偏差的無重力影響的子彈，隨著宇宙膨脹其非均勻性會顯露出來。有人認為宇宙膨脹類似褶皺的氣球，暴脹、膨脹會抹平宇宙的非均勻性、波動性。我們知道宇宙暴脹、膨脹從一開始就是整體性的，沒有中心的空間膨脹，膨脹各向同性，沒有任何理由相信宇宙的膨脹會抹平其非均勻性、波動性。

從大爆炸到目前的時間來看，宇宙演化時間還不算太長，不均勻性還是可以觀測的。隨著時間的推移，宇宙會變得越來越均勻。

預測：按傳統(tǒng)理論，同一宇觀半徑宇宙膨脹率應基本相等，如果取樣值的膨脹率不相等或偏差值超一定值也可證實宇宙的不均勻性。

4 結束語

由于觀察范圍或者說觀察時間所致，我們現(xiàn)在所觀察到的從大爆炸而來的宇宙很可能是宇宙中極其微小的一部分，其非均勻性、波動性、各向異性沒有充分呈現(xiàn)出來。當然，根據(jù)熱力學第二定律“在不受干擾的空間，能量只能從較為規(guī)則的形式變?yōu)檩^為雜亂無序的形式”，或者換句話說“能量從不均勻轉換均勻”的原理和愛因斯坦相對論“質能關系”即宇宙中的物質就是能量的原理，宇宙應該開始是有序狀態(tài)：規(guī)則、波動、不均勻，是從低熵到高熵的變化，但宇宙最終趨向為無序狀態(tài)：雜亂、粉碎、無序，趨向均勻。也就是熱力學第二定律可倒推出的：宇宙從不均勻趨向均勻。

[1]劉利.哥白尼革命研究[D].長春：吉林大學,2007.

[2]劉當波.新輻射機制在高能天體物理學中的理論和應用研究[D].上海：上海交通大學,2006.

[3]A.愛因斯坦.狹義與廣義相對論淺說[M].上海：上海科學技術出版社,1964.

[4]史蒂芬·霍金.時間簡史[M].長沙：湖南科學技術出版社, 1994.

[5]史蒂芬·霍金，羅杰·彭羅斯.時空本性[M].長沙：湖南科學技術出版社,1996.

[6]吳國盛.時間的觀念[M].北京：中國社會科學出版社，1996. [7]陶小虎.量子力學與物質波[J].智富時代，2016（3）：318.

Research on nonnegligible DE Broglie wave phenomenon in the universe

ZHANGXiao-ming
（Hunan Post and Telecommunication College,Changsha,Hunan,China 410015）

Because the universe we observe has large mass,we often pay attention to the particles of matter,but its essence is volatile,especially the early universe volatility has great nonnegligible impact on the present universe.According to the Second Law of Thermodynamics:“Energy,in space without interference,can onlychange froman inerratic formtoa more disorded form”and Einstein’s mass-energyrelation in his theoryofrelativity,the universe has heterogeneityand anisotropy.

DE Broglie wave;wave motion;heterogeneity;anisotropy

10.3969/j.issn.2095-7661.2016.04.027】

O413.1

A

2095-7661（2016）04-0087-03

2016-10-04

張效民（1970-），男，湖南常德人，湖南郵電職業(yè)技術學院講師，碩士，研究方向：計算機應用技術、電子技術、天文等。