物理學(xué)理論研究

物理學(xué)理論研究

一、駁宇宙大爆炸假說(shuō)

當(dāng)人們用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)銀河系以外的星系時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)星系光譜都存在紅移或藍(lán)移現(xiàn)象，并且越遠(yuǎn)的星系其光譜紅移值越大。根據(jù)多普勒效應(yīng)：星系光譜存在紅移說(shuō)明星系正離我們遠(yuǎn)去，星系光譜存在藍(lán)移說(shuō)明星系正向著我們運(yùn)動(dòng)。需要指出的是越遠(yuǎn)的星系紅移值也越大，看起來(lái)所有的星系都好象以銀河系為中心向外爆炸形成的一樣，越遠(yuǎn)的星系離開(kāi)我們的速度也越大。鑒于此有人提出宇宙大爆炸假說(shuō)：認(rèn)為宇宙是由150億年前發(fā)生的一次大爆炸形成的，人類居住的銀河系則是宇宙的中心?？墒侨藗?cè)谟^測(cè)銀河系和河外星系時(shí)，卻并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)銀河系有什么特別之處。有人據(jù)此懷疑宇宙大爆炸假說(shuō)；也有人從星系的演化推算出宇宙的年齡大于150億年；還有人認(rèn)為若宇宙大爆炸假說(shuō)是正確的，那么宇宙輻射在各個(gè)方向上就會(huì)表現(xiàn)出各向異性；更有人擔(dān)心宇宙的膨脹沒(méi)有盡頭，遂認(rèn)為宇宙的膨脹和收縮是交替進(jìn)行的……。但不管怎樣，大部分人還是相信“眼見(jiàn)為實(shí)”，由星系光譜的紅移現(xiàn)象承認(rèn)了宇宙大爆炸假說(shuō)。更有人把紅移現(xiàn)象與宇宙背景輻射和宇宙元素豐度并作宇宙大爆炸假說(shuō)的三大支柱。那么宇宙是否發(fā)生過(guò)爆炸并仍在向外擴(kuò)張，年齡是否只有150億年呢？非也！

1．星系光譜紅移原因

20世紀(jì)初，當(dāng)人們用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)銀河系以外的星系時(shí)，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)星系光譜都有紅移現(xiàn)象，并且越遠(yuǎn)的星系其光譜紅移值越大。有人認(rèn)為星系光譜紅移是因?yàn)樾窍嫡陔x我們遠(yuǎn)去，從而得出這樣的結(jié)論：所有的星系都是以我們銀河系為中心向外爆炸后形成的，越遠(yuǎn)的星系離開(kāi)我們的速度也越大；宇宙中所有的星系都在彼此分離，并且越遠(yuǎn)的星系相互分離的速度越大。值得一提的是，我們銀河系正處在爆炸中心，足以值得我們自豪的是：銀河系是宇宙中獨(dú)一無(wú)二的星系—因?yàn)樗怯钪娴闹行摹８屛覀凅@奇的是，銀河系自身也在不斷運(yùn)動(dòng)著，然而無(wú)論它運(yùn)動(dòng)到哪里，它始終是銀河系的中心。我們解釋不了銀河系為什么是宇宙的中心，因?yàn)殂y河系也和其它星系一樣，并沒(méi)有什么特別之處。有人以為，銀河系處于宇宙的中心是一個(gè)巧合，雖然銀河系從上個(gè)世紀(jì)至今一直在不斷運(yùn)動(dòng)，但它走過(guò)的距離和整個(gè)宇宙空間的尺寸比起來(lái)是微不足道的，所以銀河系目前仍然處在宇宙的中心，這種看法未免有些牽強(qiáng)。因?yàn)槿藗冊(cè)谟^測(cè)近處的星系時(shí)，發(fā)現(xiàn)近處的星系并沒(méi)有相互分離的趨勢(shì)，并且也沒(méi)有證據(jù)表明近處的星系正在以某一個(gè)中心為起點(diǎn)向外膨脹。因此“銀河中心說(shuō)”頗值得懷疑。還有的人雖然承認(rèn)宇宙大爆炸假說(shuō)，但不承認(rèn)“銀河中心說(shuō)”，他們不認(rèn)為銀河系是宇宙的中心。這種觀點(diǎn)同樣也是站不住腳的。我們可以這樣分析：如果宇宙大爆炸假說(shuō)是正確的，那么宇宙中所有的星系必定在以某一個(gè)中心為起點(diǎn)向外膨脹，星系之間彼此互相分離。目前我們觀測(cè)到近處的星系并沒(méi)有相互分離的趨勢(shì)，并且也沒(méi)有證據(jù)表明近處的星系在以某一個(gè)中心為起點(diǎn)向外膨脹。倘若我們不是在宇宙的中心而是處于偏離宇宙中心的任一點(diǎn)處，因?yàn)樵谖覀冎車男窍刀紱](méi)有相互分離的趨勢(shì)，也沒(méi)有以某一個(gè)中心為起點(diǎn)向外膨脹，這樣一來(lái)，倘若宇宙中任一點(diǎn)處的星系都沒(méi)有相互分離的趨勢(shì)，那么整個(gè)宇宙也不可能在膨脹，即宇宙大爆炸假說(shuō)是錯(cuò)誤的。

前事不忘，后事之師。人類文明發(fā)展到今天，“地心說(shuō)”和“日心說(shuō)”都被證明是為科學(xué)，難道我們還要重蹈覆轍提出“銀河中心說(shuō)”嗎？愚以為，我們應(yīng)當(dāng)承認(rèn)這樣一個(gè)假設(shè)，那就是：銀河系按目前的速度運(yùn)動(dòng)下去，100萬(wàn)年，100億年以后，我們?nèi)匀粫?huì)發(fā)現(xiàn)自己處在宇宙的“中心”，無(wú)論我們處在宇宙的任何地方，中心也好，邊緣也好，我們都會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙中越遠(yuǎn)的星系光譜紅移值也越大，就好象我們處在宇宙的“中心”一樣。事實(shí)上，這個(gè)“中心”是光子在宇宙空間中的傳播特性引起我們視覺(jué)上的錯(cuò)誤，“眼見(jiàn)”未必“為實(shí)”，我們不能過(guò)分相信“眼見(jiàn)”的東西。

紅移現(xiàn)象是否由觀測(cè)者自身的運(yùn)動(dòng)引起的呢？不是的！如果紅移現(xiàn)象是由觀測(cè)者自身的運(yùn)動(dòng)引起的，那么我們將觀測(cè)到與我們相向運(yùn)動(dòng)的星系光譜將發(fā)生藍(lán)移而與我們相背運(yùn)動(dòng)的星系光譜將發(fā)生紅移，然而事實(shí)并非如此。再者，雖然我們“坐地日行八萬(wàn)里”，但這個(gè)速度和光速比起來(lái)實(shí)在算不了什么，不至于影響觀測(cè)結(jié)果。換句話說(shuō)，我們?cè)谟^測(cè)星系紅移值時(shí)，觀測(cè)者自身運(yùn)動(dòng)速度的影響可以忽略不計(jì)。紅移現(xiàn)象說(shuō)明光子與觀察者之間的相對(duì)速度變小了。產(chǎn)生這種情況有兩種可能：第一是星系正離我們遠(yuǎn)去，第二是光子在穿越宇宙空間時(shí)速度變小了。這兩種情況都可能導(dǎo)致星系光譜紅移。我們認(rèn)為導(dǎo)致星系光譜紅移的原因是后者。光子在穿越宇宙空間時(shí)會(huì)與各種粒子(比如引力子)相互作用從而使其速度逐漸減小。當(dāng)然單個(gè)粒子與光子作用時(shí)間極短，引起光子速度的改變量也是極其微小的，以致于我們觀測(cè)不到。隨著光子穿越宇宙空間距離的增大，與光子作用的粒子數(shù)目也逐漸增多，光子速度的減小量也越明顯?？梢酝茰y(cè)：光子在穿越一定的宇宙空間距離后速度將減小到零。由于光子速度為零故相對(duì)我們的能量也為零，這樣的光子當(dāng)然不會(huì)被我們觀測(cè)到?？梢?jiàn)用光學(xué)法觀測(cè)宇宙空間尺度時(shí)有一個(gè)極限：150億光年(也有人認(rèn)為是200億光年)。在這個(gè)尺度以外的星系發(fā)出的光子由于在沒(méi)有到達(dá)地球時(shí)速度已經(jīng)降低到零，所以這樣的星系不可能被我們觀測(cè)到，至少目前還沒(méi)有辦法觀測(cè)到。也有人認(rèn)為，紅移現(xiàn)象是由光子頻率減小引起的，即認(rèn)同第一種可能：認(rèn)為星系正離我們遠(yuǎn)去。這種觀點(diǎn)聽(tīng)起來(lái)很有道理，卻經(jīng)不起分析。我們知道，星系離我們遠(yuǎn)去時(shí)會(huì)引起光子頻率減小，但各種不同頻率光子的頻率減小量應(yīng)該相同，反應(yīng)在星系光譜上，各種不同頻率光子的紅移量應(yīng)該相同。因此，不論星系離我們多遠(yuǎn)，星系光譜雖然發(fā)生紅移但不應(yīng)該變寬，但事實(shí)上遠(yuǎn)處星系光譜卻被拉寬了。而且能量越小的光子紅移值越大，能量越大的光子紅移值越小。不同頻率光子的頻率減小量不同，說(shuō)明紅移現(xiàn)象不是由光子頻率減小引起的。即第一種可能站不住腳。假設(shè)宇宙中所有的星系都是靜止的，宇宙空間中的物質(zhì)是均勻分布的，那么光子穿越宇宙空間時(shí)的速度衰減量?jī)H與其通過(guò)的空間距離有關(guān)。光子穿越的宇宙空間越長(zhǎng)，其速度衰減量也越大。這樣星系光譜的紅移值僅與其離我們的距離有關(guān)，離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系紅移值也越大，就好象越遠(yuǎn)的星系正在以越快的速度離開(kāi)我們一樣。這也正是哈勃定律所揭示的：星系遠(yuǎn)離銀河系的速度ν與距離成正比，ν=H*D，其中H為哈勃常數(shù)。實(shí)際上宇宙中各星系都在不斷運(yùn)動(dòng)著，宇宙空間中的物質(zhì)也并非均勻分布的，造成星系光譜紅移的原因也很多，所以光譜的實(shí)際紅移值要考慮許多情況。

2．譜線紅移與光子速度衰減

光子與宇宙空間中的粒子是如何作用的呢？可以設(shè)想，宇宙空間中存在許多比光子質(zhì)量小得多的粒子(比如引力子)。由于光子在與粒子作用后仍然是光子，可以認(rèn)為光子僅與粒子發(fā)生了彈性碰撞。既然是彈性碰撞，我們知道，二者質(zhì)量越接近光子損失的能量越大。由于光子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于引力子的質(zhì)量，所以在不同頻率(質(zhì)量)的光子中，頻率(質(zhì)量)較小的光子損失的能量較大。于是經(jīng)過(guò)同一段宇宙空間以后，在不同頻率(質(zhì)量)的光子中，頻率(質(zhì)量)較大的光子損失的能量較少，頻率(質(zhì)量)較小的光子損失的能量較大，例如紅光損失的能量比紫光損失的能量多。由于不同頻率(質(zhì)量)的光子在宇宙空間運(yùn)動(dòng)時(shí)都損失了能量，這樣整個(gè)星系的光譜將向紅端移動(dòng)，但由于紅光損失的能量多向紅端移動(dòng)的距離大，而紫光損失的能量少向紅端移動(dòng)的距離小，于是整個(gè)光譜被“拉寬”了。如果不同頻率(質(zhì)量)光子的能量損失率相同，雖然它們都產(chǎn)生紅移，但是它們紅移的距離相等，這樣星系光譜雖存在紅移但不會(huì)被“拉寬”，星系光譜存在紅移而且被“拉寬”說(shuō)明兩點(diǎn)：第一光子在穿越宇宙空間時(shí)速度會(huì)衰減，第二不同頻率(質(zhì)量)的光子速度衰減率不同。顯然，由于不同頻率(質(zhì)量)光子的能量損失率不同，各種光子的速度衰減量差異將隨著空間距離的增加而增大，這樣星系光譜被“拉寬”的程度與其離我們的距離有關(guān)，離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系其光譜被拉寬的程度也越大。另外，星系光譜被拉寬時(shí)還有一個(gè)特點(diǎn)，那就是能量大的光子被拉寬的程度小，能量小的光子被拉寬的程度大。也就是說(shuō)，越靠近紅端光譜被拉寬的程度越大，越靠近紫端光譜被拉寬的程度越小。考慮到星系引力場(chǎng)的影響，實(shí)際情況還要復(fù)雜一些。

上面我們談到光子在宇宙空間運(yùn)動(dòng)時(shí)速度會(huì)逐漸減小，這和人們熟悉的“真空中光速不變”的看法相矛盾。實(shí)際上宇宙空間并非真空，即使宇宙空間是絕對(duì)真空它還存在引力場(chǎng)。換句話說(shuō)，光子在真空中速度變不變的問(wèn)題，實(shí)際上是光子受不受引力作用的問(wèn)題。如果光子不受引力作用，那么真空中光速不變，但這樣一來(lái)不論星體的引力再?gòu)?qiáng)，對(duì)光子都沒(méi)有影響，從而宇宙中也不可能產(chǎn)生“黑洞”了，而現(xiàn)在的黑洞理論基礎(chǔ)將不復(fù)存在；假如光子受引力作用，則就不應(yīng)該有“真空中光速不變”的結(jié)論。有人對(duì)此這樣解釋：宇宙空間中各星體的引力分布在不同的方向上，它們的作用力相互抵消，因此光子在宇宙空間中的速度不變。這種解釋也是站不住腳的。我們知道在太陽(yáng)系內(nèi)，引力的方向是指向太陽(yáng)的；在銀河系里引力的方向是指向銀河系中心的，所以局部的宇宙空間引力總是有一定的方向的。我們認(rèn)為光子作為一種物質(zhì)實(shí)體，它的速度并非一成不變的。無(wú)論在真空中還是在介質(zhì)中，它的運(yùn)動(dòng)速度都會(huì)越來(lái)越小。所以，光速不變只是一個(gè)神話，光年也不能作為距離單位，因?yàn)楣庾釉谇耙荒曛凶哌^(guò)的路程總比后一年中走過(guò)的路程長(zhǎng)。

3.光子在引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

星光在通過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)會(huì)受到太陽(yáng)引力的作用而發(fā)生彎曲，說(shuō)明光子也會(huì)受到引力的作用。其實(shí)光子也有質(zhì)量，當(dāng)然會(huì)受到引力作用了。通常我們認(rèn)為：引力場(chǎng)中物質(zhì)的加速度僅與引力場(chǎng)的強(qiáng)弱有關(guān)，而與物質(zhì)的質(zhì)量無(wú)關(guān)。如在地球表面不管是1噸的物體還是1千克的物體，其每秒獲得的速度增量都是米/秒。但引力場(chǎng)中光子的加速度與其質(zhì)量有關(guān)：質(zhì)量越小的光子加速度越大，質(zhì)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，光子在離開(kāi)引力場(chǎng)時(shí)必然會(huì)被減速，在進(jìn)入引力場(chǎng)時(shí)必然會(huì)被加速，在垂直于引力方向(或其它方向)運(yùn)動(dòng)時(shí)受引力影響其運(yùn)動(dòng)軌跡也會(huì)發(fā)生變化。既然光子在離開(kāi)引力場(chǎng)時(shí)會(huì)被減速，而且質(zhì)量越小的光子速度衰減量也越大，那么星體發(fā)出的不同頻率的光子就有不同的速度。一般而言，星體引力越強(qiáng)，其發(fā)出的光速度也越?。划?dāng)星體引力足夠強(qiáng)時(shí)甚至可能使一部分光子擺脫不了星體引力的束縛，產(chǎn)生黑洞現(xiàn)象。對(duì)同一星體而言，在它發(fā)出的光中，質(zhì)量大的光子速度大，到達(dá)地球的時(shí)間也越早；質(zhì)量小的光子速度小，到達(dá)地球的時(shí)間也越晚。我們通常認(rèn)為不同頻率的光同時(shí)到達(dá)地球，這其實(shí)是錯(cuò)誤的。關(guān)于這一點(diǎn)我們可以用實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)。當(dāng)星體發(fā)生爆發(fā)或其它異常時(shí)，總是能量較大的X射線或γ射線先被我們觀測(cè)到，其次才是可見(jiàn)光，然后才是紅外線。雖然理論上如此，但在實(shí)際觀測(cè)中總有這樣或那樣的因素及別的解釋使大部分人不相信這一點(diǎn)。如果條件允許的話，我們可以用一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)我們的觀點(diǎn)。在離我們很遠(yuǎn)的宇宙飛船上以兩種不同能量的光子同時(shí)發(fā)出一種信號(hào)，這兩種光子的能量差異越大它們到達(dá)地球的時(shí)間差異也越大。實(shí)際上考慮到不同能量的光子在同一介質(zhì)中的傳播速度不同，我們應(yīng)該想到不同頻率的光子在真空中的傳播速度也不相同。由于光子在穿越宇宙空間時(shí)速度逐漸減小，并且質(zhì)量小的光子速度衰減得快，可以想象，在經(jīng)過(guò)一段相當(dāng)長(zhǎng)的距離以后，質(zhì)量小的光子速度已經(jīng)衰減到零而質(zhì)量大的光子速度不為零，這樣我們就只能觀測(cè)到質(zhì)量大的光子。若星體離我們更遠(yuǎn)一些，則我們只能觀測(cè)到質(zhì)量更大的光子……，隨著空間距離的增大，最終我們將看不到遠(yuǎn)處星體發(fā)出的光，這個(gè)距離就是我們現(xiàn)在認(rèn)為的宇宙極限--150億光年。人們?cè)谟^測(cè)宇宙時(shí)總有一個(gè)錯(cuò)誤想法：由于真空中光速不變，所以不管離我們多遠(yuǎn)的星系，只要足夠亮就可以被我們發(fā)現(xiàn)。事實(shí)上宇宙空間并非真空，光子在其中穿行時(shí)速度會(huì)逐漸減小，所以任何星系發(fā)出的光只能傳播一定的距離，也正因?yàn)槿绱?，不管我們?cè)谟钪嬷腥魏蔚胤?，始終只能看到有限的宇宙空間。換句話說(shuō)，目前我們能夠觀測(cè)到的宇宙空間的尺度實(shí)際上是光子在宇宙空間中傳播的最遠(yuǎn)距離。

4.光子在宇宙空間中的運(yùn)動(dòng)

實(shí)際上光子在宇宙空間運(yùn)動(dòng)時(shí)并不總是做減速運(yùn)動(dòng)。在光子離開(kāi)星體時(shí)它要掙脫引力的束縛而作減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它脫離星體的引力場(chǎng)在空間自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，也作減速運(yùn)動(dòng)；如果它進(jìn)入另一個(gè)星體的引力場(chǎng)向著該星體運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)在該星體的引力作用下作加速運(yùn)動(dòng)。光子就這樣減速--加速--減速--加速……不停地穿越宇宙空間，直到其速度為零。倘若星體離我們很近而引力又很小，從該星體發(fā)出的光速度衰減量不大，但進(jìn)入銀河系時(shí)光子的速度增加量有可能很大，當(dāng)光子的速度增加量大于其速度衰減量，或者說(shuō)大于剛離開(kāi)星體表面時(shí)的速度，在我們看來(lái)該星體光譜就發(fā)生了藍(lán)移。忽略距離因素，由于星體自身在不斷運(yùn)動(dòng)，這樣它相對(duì)銀河系引力場(chǎng)的強(qiáng)弱也可能發(fā)生變化，所以其光譜也可能有規(guī)律的發(fā)生紅移或藍(lán)移。通常情況下，宇宙空間對(duì)光子的減速作用總大于加速作用，所以星系的光譜以紅移的居多。

光子在引力場(chǎng)中速度變化的問(wèn)題許多人恐怕不相信也不能理解。一些人認(rèn)為光子沒(méi)有靜質(zhì)量，況且光子是一種波，在引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和宏觀物質(zhì)不同。其實(shí)持這種觀點(diǎn)的人把光子神話了，弄的不可捉摸了?，F(xiàn)在大多數(shù)人都接受了“黑洞”的概念，認(rèn)為當(dāng)一個(gè)星體的引力足夠強(qiáng)時(shí)甚至連光子也逃脫不了，因而是漆黑的一團(tuán)。這里實(shí)際上指出了光子也會(huì)受到引力作用。既然光子也受引力作用，那么它在引力場(chǎng)中的加速與減速自然就可以理解了。稍后我們將看到，引力作用是造成衍射現(xiàn)象的重要因素之一。

5.類星體

一個(gè)很明顯的事實(shí)是：宇宙中離我們?cè)竭h(yuǎn)的星體能量越大，通常類星體離我們的距離都在10億光年以上，并且遠(yuǎn)處星體發(fā)出的光中能量較大的光子占有很大的成分。有人把這作為支持宇宙大爆炸的依據(jù)，認(rèn)為：若宇宙中物質(zhì)是均勻分布的話，則在我們銀河系或其周圍就應(yīng)該有象類星體這樣的高能星體存在。為什么我們?cè)诮幇l(fā)現(xiàn)不了類星體呢？一些人看見(jiàn)遠(yuǎn)處的星體發(fā)出的光中含有大量的X射線或γ射線成分，就推測(cè)此類星體存在著目前尚不為我們知道的能量源。這種觀點(diǎn)未免有些片面。實(shí)際上宇宙中大部分恒星的能量都差不多，能量特別大的和能量特別小的只是極少數(shù)，恒星的能量呈中間多、兩頭少的分布態(tài)勢(shì)。從遠(yuǎn)處的恒星發(fā)出的光，在經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的宇宙空間以后，能量小的光子由于速度衰減率大而停了下來(lái)，不被我們觀測(cè)到；只有X射線和γ射線才能到達(dá)地球。所以我們觀測(cè)到該星體的光子中，X射線和γ射線占有很大的成分，以致于我們誤認(rèn)為這類星體只向外發(fā)出X射線和γ射線。實(shí)際上這類星體也向外發(fā)射可見(jiàn)光和紅外線，但是可見(jiàn)光和紅外線由于速度衰減到零故我們觀測(cè)不到。這就導(dǎo)致我們觀測(cè)到極遠(yuǎn)處的星體，其顏色通常是藍(lán)色或紫色，事實(shí)上可能和該星體的真實(shí)顏色相差極大。這說(shuō)明我們看到的星體的顏色未必就是星體的真實(shí)顏色，星體的顏色是由其自身能量狀況和離我們的距離決定的，星體離我們的距離越大往往使其顏色中的藍(lán)色和紫色成分增加。另外，我們認(rèn)為類星體離我們非常遠(yuǎn)，是因?yàn)轭愋求w的紅移值很大。也就是說(shuō)我們沒(méi)有直接證據(jù)表明類星體真的離我們很遠(yuǎn)。考慮到光子在引力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，我們知道：當(dāng)星體的引力足夠大時(shí)，其發(fā)出的光子速度衰減量也較大，因而該星體的光譜也將發(fā)生較大的紅移。這就是說(shuō)，引力因素也可以使星系光譜產(chǎn)生紅移。倘若星體引力足夠大又離我們很近，由于星體紅移值較大，往往導(dǎo)致我們認(rèn)為該星體離我們很遠(yuǎn)。舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)有一個(gè)引力較大的星體處于銀河系的中心，由于該星體引力很強(qiáng)，導(dǎo)致它發(fā)出的光子速度衰減量極大，我們?cè)谟^測(cè)其光譜時(shí)就會(huì)觀測(cè)到很大的紅移值，根據(jù)該星體很大的紅移值我們就會(huì)認(rèn)為它離我們非常遙遠(yuǎn)，絕不會(huì)想到它就在銀河系中心。

如何解釋類星體離我們那么遠(yuǎn)而其發(fā)射的X射線和γ射線又是如此強(qiáng)烈呢？只有兩種可能。第一，類星體的能量非常大，向外發(fā)出的X射線和γ射線非常強(qiáng)；第二，類星體離我們并沒(méi)有原先認(rèn)為的那么遠(yuǎn)，類星體光譜的紅移是由類星體的引力造成而并非由距離因素造成的。我們認(rèn)為兩種因素都有。因?yàn)槿绻愋求w離我們非常遠(yuǎn)，那么我們觀測(cè)到其向外發(fā)出的X射線或γ射線就不可能很強(qiáng)；倘若類星體的能量不是很大，它的引力場(chǎng)也不可能很強(qiáng)，不足以使其光譜產(chǎn)生較大的紅移。這說(shuō)明：星系光譜發(fā)生紅移可能是距離因素造成的，也可能是引力因素造成的，紅移值大的星體未必就離我們遠(yuǎn)。那么，如何區(qū)別星體的引力紅移和距離紅移呢？對(duì)觀測(cè)者而言，由距離因素造成紅移的星體發(fā)出的光不可能很強(qiáng)，而由引力因素造成紅移的星體發(fā)出的光往往很強(qiáng)，特別是X射線或γ射線的成分多。類星體的發(fā)射光譜和吸收光譜的寬度不同，通常吸收光譜的寬度比發(fā)射光譜窄，為什么呢？我們知道，吸收光譜是由于光子經(jīng)過(guò)大氣后產(chǎn)生的，這說(shuō)明類星體周圍也存在氣體。光子從高溫星體內(nèi)部發(fā)出以后，總會(huì)有一部分光子沒(méi)有被氣體吸收而直接射向宇宙空間，這些光子形成發(fā)射光譜；還有一部分光子在與氣體作用后，頻率大的光子損失的能量大，頻率小的光子損失的能量??；光子離開(kāi)類星體在宇宙空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)，則是頻率大的光子損失的能量小而頻率小的光子損失的能量大，總的看來(lái)各種不同頻率的光子速度差異減小，所以其光譜紅移值也較發(fā)射光譜小。實(shí)際上類星體的吸收光譜還可能有幾種不同的寬度。

6.黑洞與星體引力

最初在人們考慮黑洞時(shí)，認(rèn)為它的引力強(qiáng)到連光子也逃脫不了，因而是漆黑的一團(tuán)，黑洞是宇宙中物質(zhì)的墳?zāi)?。后?lái)人們認(rèn)為黑洞可以向外發(fā)出X射線和γ射線。同樣是光子，能量大的可以逃脫，能量小的逃脫不了，說(shuō)明(黑洞的)引力對(duì)光子的作用是不一樣的。事實(shí)上我們知道當(dāng)星體的引力逐漸增強(qiáng)時(shí)，總是質(zhì)量較小的光子逃脫不了，質(zhì)量較大的光子則可以擺脫星體的引力，并不是所有的光子全部被吸入星體中。所以從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，狹義上的黑洞僅指引力強(qiáng)到可見(jiàn)光不能脫離的星體，即在可見(jiàn)光波段觀測(cè)不到的星體；廣義上的黑洞指引力強(qiáng)到使一部分光子不能脫離的星體，即在某一能量較小的波段觀測(cè)不到的星體，這里廣義上的黑洞甚至可能非常亮，可以被我們?nèi)庋劭吹?，但在紅外線波段或能量更小的波段卻觀測(cè)不到。從理論上講，“黑洞”并不黑，至少它可以向外發(fā)射X射線和γ射線或能量更高的光子，完全不向外拋射粒子的黑洞是不存在的。那么宇宙中黑洞存在嗎？當(dāng)然存在了。當(dāng)星體離我們足夠遠(yuǎn)，以致于該星體發(fā)出的紅外線速度衰減為零而不被我們觀測(cè)到時(shí)，它就像一個(gè)“黑洞”；若星體離我們?cè)龠h(yuǎn)一些，可見(jiàn)光不再為我們觀測(cè)到，只能觀測(cè)到X射線和γ射線，這時(shí)它就是漆黑的一團(tuán)，成為名副其實(shí)的黑洞；而宇宙中150億光年以外的星體對(duì)我們來(lái)說(shuō)是完全徹底的黑洞，因?yàn)槲覀兺耆^測(cè)不到它們。除了因空間距離造成“黑洞”現(xiàn)象以外，星體的引力也可以造成黑洞現(xiàn)象。黑洞現(xiàn)象并不是我們?cè)认胂蟮哪菢樱骸爱?dāng)星體的引力足夠大時(shí)，所有的光子都被吸入星體中，整個(gè)星體變成黑暗的一團(tuán)”。當(dāng)星體的引力逐漸增大時(shí)，它對(duì)光子的束縛作用也逐漸增強(qiáng)。星體的引力足夠大時(shí)，紅外線光子將擺脫不了星體引力的束縛，而可見(jiàn)光、紫外線則可以擺脫星體引力的束縛；星體的引力再增大時(shí)，可見(jiàn)光將擺脫不了星體引力的束縛，而紫外線則可以擺脫星體引力的束縛；若星體的引力再增大，可能只有γ射線放出。應(yīng)該明確指出：黑洞現(xiàn)象是與星系光譜的紅移緊密相連的。若某一星體的光譜不存在紅移現(xiàn)象，則它一定不是黑洞；若某一星體的光譜存在紅移現(xiàn)象，則它可能是黑洞也可能是距離因素造成的。

總的來(lái)說(shuō)，我們對(duì)黑洞的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段認(rèn)為黑洞的引力足夠強(qiáng)，所有的光子都不能擺脫黑洞的引力，因而整個(gè)星體是黑暗的一團(tuán)；第二階段認(rèn)為黑洞可以向外發(fā)出強(qiáng)烈的X射線或γ射線，人們認(rèn)識(shí)到黑洞的引力對(duì)不同能量光子的作用不同；第三階段也就是現(xiàn)在正在探索的階段。應(yīng)該明確指出：與黑洞現(xiàn)象緊密聯(lián)系的因素有兩個(gè)，引力因素和距離因素。以往我們?cè)诳紤]黑洞現(xiàn)象時(shí)往往只考慮引力因素而忽略了距離因素，這就導(dǎo)致我們認(rèn)為整個(gè)宇宙空間僅有150億光年，對(duì)150億光年以外的宇宙空間，認(rèn)為看不見(jiàn)的就是不存在的。

7.恒態(tài)宇宙

也許有人會(huì)問(wèn)，既然光子的速度能夠降低到零，那么宇宙中會(huì)不會(huì)堆積越來(lái)越多的光子呢？不會(huì)的！光子作為物質(zhì)的一種存在方式，它不是永恒的，在一定條件下光子可以轉(zhuǎn)化為別的物質(zhì)，也就是說(shuō)光子是有一定壽命的。任何一個(gè)光子不可能永遠(yuǎn)存在下去，它必將轉(zhuǎn)化為別的物質(zhì)形式。宇宙中的物質(zhì)無(wú)時(shí)無(wú)刻不在運(yùn)動(dòng)，所以宇宙中不會(huì)堆積越來(lái)越多的光子。雖然我們目前并不知道光子是如何轉(zhuǎn)化為別的物質(zhì)的，但我們依然相信整個(gè)宇宙是穩(wěn)定的、恒態(tài)的，而局部宇宙則可能是不穩(wěn)定的，處于演化過(guò)程中的。同樣的道理，整個(gè)宇宙也不會(huì)被光子均勻照亮。由于光子在宇宙空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)速度逐漸減小，所以任何星體發(fā)出的光只能傳播到有限遠(yuǎn)處。也正因?yàn)槿绱耍覀兯^測(cè)到的宇宙始終是有限的。如果想觀測(cè)更遠(yuǎn)的宇宙空間，一個(gè)方法是派出宇宙飛船，另一個(gè)辦法是在宇宙空間中建立許多中轉(zhuǎn)站，在光信號(hào)速度未衰減到零以前接受、放大、轉(zhuǎn)播它。理論上講，只要中轉(zhuǎn)站的數(shù)量足夠多，我們就可以看見(jiàn)任意遠(yuǎn)處的宇宙空間。

8.浩瀚宇宙

假設(shè)我們能夠乘座一艘高速飛行的宇宙飛船遨游太空，在剛離開(kāi)地球時(shí)，我們可以觀測(cè)到150億光年的宇宙，離我們?cè)竭h(yuǎn)的星體其紅移值也越大，遠(yuǎn)處的星體放出強(qiáng)烈的X射線或γ射線。隨著我們飛行距離的增大，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)銀河系的紅移值越來(lái)越大，并且其顏色逐漸偏藍(lán)，而原先我們觀測(cè)到呈藍(lán)色或紫色的星體顏色逐漸偏紅，最終銀河系將消失在我們的視野之外。當(dāng)我們飛到離銀河系150億光年的地方，我們發(fā)現(xiàn)展現(xiàn)在我們面前的宇宙范圍仍然有150億光年；而原先我們認(rèn)為正在以很大速度分離的星體或膨脹的宇宙空間并沒(méi)有膨脹。無(wú)論我們飛到哪里，始終只能看見(jiàn)150億光年的宇宙空間，也始終能夠看見(jiàn)150億光年的宇宙空間，宇宙是無(wú)限的；并且我們始終是宇宙的“中心”，因?yàn)樗械男求w看起來(lái)所有的星體都好象以我們?yōu)橹行南蛲獗ㄐ纬傻囊粯?，越遠(yuǎn)的星系(紅移值越大)離開(kāi)我們的速度也越大。我們認(rèn)為，宇宙是無(wú)始無(wú)終的，物質(zhì)的存在是永恒的，對(duì)某一特定的物質(zhì)形態(tài)有其產(chǎn)生和消亡的過(guò)程，但整個(gè)宇宙不存在產(chǎn)生和消亡的過(guò)程，它是自始至終存在并且不會(huì)消亡的。同時(shí)也應(yīng)該看到，宇宙是無(wú)限的，不會(huì)僅僅只有150億光年的空間。

從上個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人們已經(jīng)探索到了上百億光年的宇宙空間，然而這只不過(guò)是蒼海一粟。也許還要幾十年甚至上百年人類才能認(rèn)識(shí)到宇宙的無(wú)限性，但只要天下有志之士攜手合作，這一天定會(huì)早日到來(lái)。

二、淺談光的衍射

通常情況下光總是直線傳播。但當(dāng)光線經(jīng)過(guò)足夠窄的窄縫時(shí)將形成明暗相間的衍射條紋。由于光子不帶電，在電磁場(chǎng)中不偏轉(zhuǎn)，所以光子的衍射不是電磁力作用的結(jié)果，而是引力子與光子作用產(chǎn)生的。光子與引力子作用不是一個(gè)簡(jiǎn)單的碰撞過(guò)程，而是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程。在光子與引力子相遇的一瞬間它們形成一個(gè)混合體，這就打破了結(jié)合前光子內(nèi)部各部分的平衡，混合體內(nèi)部存在著排斥力和凝聚力兩種作用。若排斥力占主導(dǎo)作用，則混合體將在極短的時(shí)間內(nèi)“裂變”放出引力子；若凝聚力占主導(dǎo)作用，則混合體將形成一個(gè)新的光子。那么滿足什么條件的混合體(光子)才是穩(wěn)定的呢？經(jīng)典電磁理論指出：所有光子的能量均為某個(gè)最小能量的整數(shù)倍。也即所有光子的質(zhì)量均為某個(gè)最小質(zhì)量的正整數(shù)倍，只有這樣的光子才能穩(wěn)定存在。當(dāng)然這并不表明能量為某個(gè)最小能量的非整數(shù)倍的光子就不存在，只不過(guò)由于它們極不穩(wěn)定，在形成后瞬間就“裂變”生成能夠穩(wěn)定存在的光子，目前我們還沒(méi)有觀測(cè)到或注意到這類光子罷了。從這里我們可以看出，與原子核一樣，所有光子的質(zhì)量均為某個(gè)最小質(zhì)量的正整數(shù)倍，說(shuō)明光子也有一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，某些質(zhì)量的光子由于極不穩(wěn)定，在其形成后瞬間就“裂變”生成能夠穩(wěn)定存在的光子，這就造成穩(wěn)定存在的光子質(zhì)量的不連續(xù)。言歸正傳，由于引力子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光子的質(zhì)量，所以光子不可能吸收一個(gè)引力子形成新的光子(因?yàn)檫@樣的光子是不穩(wěn)定的)。但是若在同一時(shí)刻，光子與許多引力子相互作用，而這些引力子質(zhì)量之和又大于最小光子的質(zhì)量，光子就有可能吸收質(zhì)量和等于最小光子質(zhì)量的引力子數(shù)目而形成新的光子。舉例來(lái)說(shuō)，若最小光子的質(zhì)量是引力子質(zhì)量的10萬(wàn)倍，那么當(dāng)同一瞬間有15萬(wàn)個(gè)引力子作用于光子時(shí)，光子只可能吸收10萬(wàn)個(gè)引力子，另外5萬(wàn)個(gè)引力子不被光子吸收，僅對(duì)光子產(chǎn)生微小的沖量。倘若在同一瞬間有9萬(wàn)個(gè)引力子作用于光子,那么這9萬(wàn)個(gè)引力子都不會(huì)被光子吸收，它們僅對(duì)光子產(chǎn)生微小的沖量。光子可能吸收的引力子數(shù)目只可能是10萬(wàn)的正整數(shù)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沖量，否則的話，光子僅受到極小的沖量。

現(xiàn)有一個(gè)寬度為α的窄縫，絕大多數(shù)光子經(jīng)過(guò)窄縫時(shí)雖然與許多引力子作用，但大多不會(huì)形成新的光子，這樣大部分光子僅以極其微小的發(fā)散角投射到屏幕上，形成寬度略大于α的中央亮紋。由于衍射條紋是對(duì)稱分布的，所以我們只討論一半。拿中央亮紋以上的條紋來(lái)說(shuō)，這些條紋是由縫中心到縫頂部經(jīng)過(guò)的光子偏轉(zhuǎn)形成的。從縫中心到縫頂部經(jīng)過(guò)的光子，若吸收10萬(wàn)個(gè)引力子則形成穩(wěn)定的新光子，而新光子由于全部吸收了引力子的沖量因而向上發(fā)生較大的偏移，從而在屏幕上形成寬度為α的第一條亮紋。從縫中心到縫頂部經(jīng)過(guò)的光子，若吸收20萬(wàn)個(gè)引力子則它向上的偏移量是第一條亮紋偏移量的兩倍，形成第二條亮紋。同樣形成第3條、第4條、第5條……第n條亮紋。中央亮紋以下的亮紋也是這樣形成的，并且中央亮紋的寬度約為其它亮紋寬度的兩倍。由于從縫中心到縫頂部引力逐漸增大，所以與光子作用的引力子數(shù)目也可能逐漸增多。假設(shè)在離開(kāi)縫中心向上的極小位移處，在該處最多只可能有10萬(wàn)個(gè)引力子與光子發(fā)生作用，那么經(jīng)過(guò)該處的光子最多只可能偏移到第一條亮紋處。換句話說(shuō)它最多只可能對(duì)第一條亮紋的形成做貢獻(xiàn)，對(duì)第2條、第3條、第4條……第n條亮紋都沒(méi)有貢獻(xiàn)。由此在向上某處經(jīng)過(guò)的光子最多只可能吸收20萬(wàn)個(gè)引力子，但也可能吸收10萬(wàn)個(gè)引力子，故經(jīng)過(guò)該處的光子對(duì)第1條、第2條亮紋的形成做出貢獻(xiàn)而對(duì)第3條至第n條亮紋都沒(méi)有貢獻(xiàn)……；從縫頂部經(jīng)過(guò)的光子可能吸收10萬(wàn)*1、10萬(wàn)*2、10萬(wàn)*3……10萬(wàn)*n個(gè)引力子，所以從該處經(jīng)過(guò)的光子對(duì)第1條、第2條、第3條至第n條亮紋的形成都有貢獻(xiàn)。這樣形成的亮紋亮度依次為第一條>第二條>第三條>……>第n條。若縫變窄，則在離開(kāi)縫中心向上的極小位移處，光子最多可能有20萬(wàn)個(gè)引力子，經(jīng)過(guò)該處的光子對(duì)第1條、第2條亮紋的形成都有貢獻(xiàn)，這樣就減小了第1條、第2條亮紋亮度的差異。也就是說(shuō)，縫越窄條紋亮度越向兩邊分散，縫越寬條紋亮度越向中央集中。當(dāng)縫很寬時(shí)，條紋亮度幾乎全部集中在中央?yún)^(qū)域，兩邊的光子數(shù)幾乎為零。這就是我們看到的光的直線傳播現(xiàn)象。由于光子并不是一種波，其偏離直線傳播(衍射)現(xiàn)象是由引力子引起的，所以光的衍射現(xiàn)象與縫的寬度無(wú)關(guān)。物體在陽(yáng)光下的陰影邊緣常常較模糊，這說(shuō)明光子在經(jīng)過(guò)物體表面時(shí)受到引力作用而偏離了直線傳播。理論上來(lái)說(shuō)只要光子的運(yùn)動(dòng)方向和引力方向不在一條直線上，光子就會(huì)偏離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且引力場(chǎng)越強(qiáng)光子彎曲的程度也越大。星光在經(jīng)過(guò)恒星以后通常會(huì)發(fā)生彎曲，有時(shí)我們甚至能夠看到星體后面的其它星體發(fā)出的光。

三、論電子結(jié)構(gòu)與原子光譜現(xiàn)象

1.電子發(fā)光

原子是如何發(fā)光的？要弄清這個(gè)問(wèn)題首先必須明白光子是由原子的哪一部分發(fā)出的。我們知道，原子是由原子核和核外的電子組成的，原子核的結(jié)合能很大，不可能發(fā)出光子，所以光子只可能是電子發(fā)出的。在化學(xué)反應(yīng)中伴隨著電子的得失，常常有能量(光子)放出，光電效應(yīng)、激光現(xiàn)象及其它一些實(shí)驗(yàn)也證明了光子是由電子發(fā)出的，所以可以肯定原子發(fā)光其實(shí)是電子發(fā)出光子。既然電子可以放出光子，那么光子必然是電子的組成部分，或者說(shuō)電子有一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，光子是其組成部分之一；由于光子不帶電，說(shuō)明電子內(nèi)部電荷的分布是不均勻的，因?yàn)槿绻娮觾?nèi)部電荷是均勻分布的，則光子就應(yīng)該帶電。原子中原子核和電子之間的距離很小，它們之間的靜電力很強(qiáng)，因?yàn)殡娮觾?nèi)部電荷分布不均勻，所以在原子核強(qiáng)大的靜電力作用下電子內(nèi)部電荷將重新分布，甚至可能發(fā)生裂變，這就為電子放出光子創(chuàng)造了條件。當(dāng)電子裂變放出光子后，它的各個(gè)組成部分結(jié)合的更加緊密，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候可能吸收一個(gè)光子，這就為電子吸收光子儲(chǔ)存能量創(chuàng)造了條件。而電子正是通過(guò)不停地吸收、放出光子來(lái)和外界交換能量的。稍后我們將看到，原子正是通過(guò)電子不斷吸收、放出光子來(lái)和外界完成能量交換的。一般來(lái)說(shuō)，電子質(zhì)量越大其內(nèi)部各部分結(jié)合的越松散，在靜電力作用下越容易發(fā)生裂變；電子質(zhì)量越小其內(nèi)部各部分結(jié)合的越緊密，在靜電力作用下越不容易發(fā)生裂變。與原子核“幻數(shù)”相似，總有特定質(zhì)量的電子的結(jié)合力相當(dāng)大，比其它質(zhì)量電子的結(jié)合力大許多，這些特定質(zhì)量的電子往往對(duì)應(yīng)于某些穩(wěn)定的軌道。

有人認(rèn)為物質(zhì)發(fā)光是由于物質(zhì)中的原子或分子受到擾動(dòng)的結(jié)果，認(rèn)為光子是由原子或分子發(fā)出的。其實(shí)這是一種錯(cuò)誤的看法。我們知道，原子是由原子核和核外電子組成的，光子是一種物質(zhì)實(shí)體，或者是由原子核發(fā)出的，或者是由電子發(fā)出的，除此以外再?zèng)]有別的選擇。說(shuō)光子是由原子發(fā)出的，這是一種不確切的說(shuō)法。

2.原子核和電子之間的磁力作用

兩個(gè)相距一定距離的異種點(diǎn)電荷在靜電力作用下必然會(huì)吸引在一起，因?yàn)殪o電力作用在兩點(diǎn)電荷連線上。而原子核和電子不會(huì)吸引在一起。這就啟示我們?cè)谠雍撕碗娮又斜厝淮嬖谝环N其它作用力。這個(gè)力就是原子核和電子之間的磁力。我們知道，在通以相同方向電流的兩條平行導(dǎo)線間會(huì)產(chǎn)生磁力作用，在磁力作用下它們將彼此吸引，原子核和電子的相向運(yùn)動(dòng)正相當(dāng)于通以相同方向電流的兩條平行導(dǎo)線，在它們之間也將產(chǎn)生磁力作用。靜電力的作用總是使電子獲得指向原子核的向心速度，而原子核和電子之間的磁力則使電子獲得切向速度，并且原子核和電子之間的相對(duì)速度越大，它們之間的磁力也越大。當(dāng)原子核和電子之間彼此相對(duì)靜止在一定遠(yuǎn)處時(shí)，在靜電力和磁力的共同作用下，它們并不會(huì)吸引在一起。因?yàn)殪o電力使電子獲得向心速度，磁力使電子獲得切向速度，電子并不是沿著直線靠近原子核，而是沿著螺旋線靠近原子核。開(kāi)始時(shí)螺旋線的半徑為無(wú)窮大，電子作直線運(yùn)動(dòng)；一旦電子相對(duì)原子核的速度不為零，磁力開(kāi)始起作用，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡開(kāi)始發(fā)生彎曲；當(dāng)電子與原子核靠近到一定的距離時(shí)，電子和原子核之間的靜電力恰好等于電子作圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力，此時(shí)電子處于平衡狀態(tài)，螺旋線變成了圓。同樣在電子離開(kāi)原子核時(shí)也是沿著螺旋線運(yùn)動(dòng)的。在靜電力作用下，電子總要盡量靠近原子核，在磁力作用下，電子有遠(yuǎn)離原子核的離心趨勢(shì)，正是在這兩種力作用下，電子處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)中。電子在原子核中處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，它的軌跡是圓。因?yàn)楫?dāng)電子的軌跡不是圓時(shí)，它總要受到磁力的作用，這個(gè)力使電子的切向速度增加、運(yùn)動(dòng)軌跡向圓靠近。而電子受磁力作用時(shí)它的運(yùn)動(dòng)軌跡就要發(fā)生變化，就不是穩(wěn)定的，只有當(dāng)電子的軌跡是圓時(shí)才不受磁力的作用，所以說(shuō)電子在原子核中的穩(wěn)定軌跡是圓。太陽(yáng)系中的行星在太陽(yáng)引力作用下，其運(yùn)動(dòng)軌跡可以是圓或橢圓，但在原子系統(tǒng)中，電子在原子核靜電力作用下，其穩(wěn)定軌跡只可能是圓而不可能是橢圓。

3.基態(tài)電子的穩(wěn)定性

處于基態(tài)的電子為什么是穩(wěn)定的？為什么不會(huì)被原子核吸收？人們通常認(rèn)為：做加速運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)向外輻射能量.如果電子在原子核中做圓周運(yùn)動(dòng)，則它就有加速度，必然會(huì)不斷地向外輻射電磁波，隨著電子能量的減小它將沿著螺旋線落入原子核中，這樣整個(gè)原子就是不穩(wěn)定的，然而事實(shí)并非如此。于是人們推測(cè)電子在原子核中不可能做圓周運(yùn)動(dòng)。我們認(rèn)為以上推斷是錯(cuò)誤的，電子的確在原子核中做圓周運(yùn)動(dòng)，其理由第一，電子輻射電磁波并不是一個(gè)只出不進(jìn)的過(guò)程。電子時(shí)刻不停地向外輻射能量，也在時(shí)刻不停地吸收光子，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。如果電子吸收的能量大于其輻射的能量則原子的溫度升高，如果電子吸收的能量小于其輻射的能量則原子的溫度降低，倘若沒(méi)有外界能量輸入，原子總會(huì)由于向外輻射能量而降低溫度，只要物體的溫度在絕對(duì)零度以上就會(huì)向外輻射電磁波。第二，電子在原子中的質(zhì)量并非一成不變的。一般而言，電子離核越近質(zhì)量越小，離核越遠(yuǎn)質(zhì)量越大(這一點(diǎn)我們稍后證明)。第三，電子和原子核之間并非只有靜電力作用，還存在磁力作用。正因?yàn)榇帕ψ饔玫拇嬖谑闺娮釉诳拷雍藭r(shí)切線速度不斷增大，從而使其離心力逐漸增大，以致于可以與靜電力抗衡維持電子在原子核中的穩(wěn)定。

這里需要我們證明隨著電子離核距離的減小，離心力的增加速度大于靜電力的增加速度。設(shè)電子穩(wěn)定時(shí)質(zhì)量為M，速度為V，與原子核相距R，原子核電量為Q，此時(shí)靜電力F正好等于電子作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，

離心力大于靜電力，所以此時(shí)電子作離心運(yùn)動(dòng)，將回到距核R的軌道上。同樣當(dāng)電子受到遠(yuǎn)離原子核的擾動(dòng)后，靜電力F大于電子作圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，電子將向原子核運(yùn)動(dòng)，最終要回到距核R的軌道上，這里不再證明。

另外我們認(rèn)為，做加速運(yùn)動(dòng)的電荷會(huì)向外輻射電磁波這個(gè)提法不夠確切，應(yīng)該說(shuō)做加速運(yùn)動(dòng)的自由電荷會(huì)向外輻射電磁波，而電子在原子核中做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)向外輻射電磁波。兩者有什么區(qū)別呢？我們知道，在原子核和電子結(jié)合成原子的過(guò)程中要向外放出能量，即自由電子要在原子核靜電力作用下裂變放出光子才能夠成為原子中的電子，原子中的電子和自由電子是有區(qū)別的。自由電子的質(zhì)量大于原子中的電子的質(zhì)量，自由電子各部分結(jié)合得較為松散，受到外界擾動(dòng)(有加速度)時(shí)會(huì)向外輻射電磁波；而原子中的電子質(zhì)量小，各部分結(jié)合得較為緊密，受到外界擾動(dòng)(有加速度)時(shí)未必會(huì)向外輻射電磁波，只有當(dāng)外界擾動(dòng)(加速度)足夠大時(shí)才會(huì)裂變輻射電磁波，所以電子可以在原子中做圓周運(yùn)動(dòng)而并不向外輻射電磁波。

4.穩(wěn)定軌道的形成

對(duì)于處于基態(tài)的電子來(lái)說(shuō)，每秒會(huì)有許多光子與其作用。這些作用有指向原子核的，也有指向核外的。電子在吸收一個(gè)或幾個(gè)光子以后質(zhì)量增加，形成新的電子。我們先考慮指向核外的擾動(dòng)。設(shè)電子在吸收一個(gè)或幾個(gè)光子以后質(zhì)量增加為M+Δm，與原子核相距R+Δr，我們知道，一定質(zhì)量的電子總有與一條特定軌道與之對(duì)應(yīng)，比如電子的質(zhì)量為M時(shí)其軌道半徑為R，那么當(dāng)電子質(zhì)量為M+Δm時(shí)就可能停留在半徑為R+Δr的軌道。但這里我們少考慮了一個(gè)條件，那就是質(zhì)量為M+Δm的電子的結(jié)合能。我們知道電子在每秒內(nèi)會(huì)受到許多光子的擾動(dòng)，假設(shè)質(zhì)量為M+Δm的電子運(yùn)行在半徑為R+Δr的軌道上，若它受到一個(gè)指向原子核的擾動(dòng)，離核距離變?yōu)镽+Δr-r，此時(shí)原子核靜電力對(duì)它的作用增強(qiáng)，若它的結(jié)合能小的話則電子立即裂變放出光子重新回到其原來(lái)的軌道R上；如果質(zhì)量為M+Δm的電子內(nèi)部的結(jié)合能非常小，以至于受到微小的擾動(dòng)時(shí)立即裂變放出光子，那么它在半徑為R+Δr的軌道上停留的時(shí)間也趨近于零，換句話說(shuō)半徑為R+Δr的軌道根本不存在；如果質(zhì)量為M+Δm的電子內(nèi)部的結(jié)合能非常大，以致于受到很大的擾動(dòng)時(shí)它才裂變放出光子，那么電子就能夠在半徑為R+Δr的軌道上停留一段時(shí)間，這段時(shí)間就是原子的平均壽命。假設(shè)有一群電子處于同一激發(fā)態(tài)，由于每個(gè)電子受到的擾動(dòng)情況不一樣，有的電子受到的擾動(dòng)大有的電子受到的擾動(dòng)小，而只有電子受到足夠大的擾動(dòng)并運(yùn)動(dòng)到離核足夠近的地方才會(huì)裂變放出光子，所以電子裂變回到基態(tài)的時(shí)間也不一樣。處于同一激發(fā)態(tài)的原子的平均壽命和兩個(gè)因素有關(guān)：一是電子的結(jié)合能，二是電子受到的擾動(dòng)。電子內(nèi)部的結(jié)合能與原子核“幻數(shù)”相似，只有特定質(zhì)量的電子的結(jié)合能才是很大的，所以電子的軌道也是特定的、不連續(xù)的，其它質(zhì)量的電子由于結(jié)合能很小，裂變時(shí)間極短，所以它們不可能穩(wěn)定停留在原子中，也形成不了穩(wěn)定軌道甚至根本就沒(méi)有軌道。我們?cè)賮?lái)考慮指向原子核的擾動(dòng)。設(shè)電子在吸收一個(gè)或幾個(gè)光子以后質(zhì)量增加為M+Δm，與原子核相距R-Δr，此時(shí)原子核對(duì)電子的靜電力增強(qiáng)，電子立即裂變放出質(zhì)量為Δm的光子，由前面的證明我們知道，此時(shí)電子的速度增大，離心力大于靜電力，電子最終將停留在半徑為R的穩(wěn)定軌道上。也許有人會(huì)懷疑，這樣看來(lái)電子可能存在的穩(wěn)定軌道豈不是唯一的了？實(shí)際上由于電子在原子核外有幾個(gè)不同的穩(wěn)定質(zhì)量，所以它也有幾條穩(wěn)定軌道，一定的質(zhì)量總是與某一條特定軌道相對(duì)應(yīng)。從這里我們可以看出，電子在原子核中的穩(wěn)定軌道往往對(duì)應(yīng)于電子結(jié)合能極大的質(zhì)量，結(jié)合能小的質(zhì)量由于在原子中不穩(wěn)定因而不會(huì)形成穩(wěn)定軌道。

5.電子結(jié)構(gòu)與不同躍遷軌道

對(duì)于處于同一激發(fā)態(tài)的一群電子而言，設(shè)電子的質(zhì)量為M+Δm，它們可能會(huì)有不同的躍遷軌道，放出的光子的能量(質(zhì)量)也不同，但總是躍遷到離核近的電子放出的光子的能量(質(zhì)量)大。電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的過(guò)程并不是先放出光子再回到基態(tài)，而是先回到比基態(tài)更近的地方放出光子然后才回到基態(tài)。當(dāng)電子回到離核R-Δr處時(shí)，在靜電力作用下電子裂變放出質(zhì)量為Δm的光子，此時(shí)離心力大于靜電力，電子將回到半徑為R的穩(wěn)定軌道上。那么電子為什么會(huì)有多條躍遷軌道呢？這說(shuō)明處于同一激發(fā)態(tài)的電子內(nèi)部結(jié)構(gòu)(結(jié)合力)不同，有的結(jié)合力大，有的結(jié)合力小，結(jié)合力小的光子在離核較遠(yuǎn)的地方裂變，放出的光子能量也較?。唤Y(jié)合力大的光子在離核較近的地方裂變，放出的光子能量也較大，電子的躍遷方式是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。同一質(zhì)量的電子可能有多種裂變方式，再次向我們說(shuō)明電子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在考慮原子光譜時(shí)一定要考慮電子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。處于激發(fā)態(tài)的電子在向基態(tài)躍遷時(shí)會(huì)發(fā)出光子；把原子的內(nèi)層電子打掉以后外層電子會(huì)放出光子并向離核更近的軌道躍遷。這些現(xiàn)象啟示我們：電子離核越近質(zhì)量越小，電子離核越遠(yuǎn)質(zhì)量越大。從這里也可以看出，電子質(zhì)量越小其內(nèi)部結(jié)合力越大。因?yàn)殡x核越近電子受到的靜電力越大，而電子能夠穩(wěn)定存在說(shuō)明其內(nèi)部結(jié)合力越大。在同一個(gè)原子中，內(nèi)層電子的質(zhì)量小于外層電子的質(zhì)量；同一個(gè)電子離核越近質(zhì)量越小。

人們發(fā)射的人造衛(wèi)星可以設(shè)定軌道，其軌道變化可以是連續(xù)的，但對(duì)原子核中的電子來(lái)說(shuō)，其軌道