微觀世界分子原子粒子為什麼都在振動或運動?

2021-01-11 時空通訊

有網友問:都說分子振動,原子振動,粒子振動,為什麼振動?本質是什麼?

運動是這個世界的根本屬性,而振動是運動的一種方式。

最簡單的運動形式有四種,即勻變速直線運動、拋體運動、勻速圓周運動和簡諧振動。其中,勻速或變速直線運動和拋體運動是不可重複的運動,因此是運動狀態是拓撲關係;而圓周運動和簡諧振動看起來可以重複更簡單,其實不然。

後兩種運動只是從宏觀上看是周期性的可重複的,但在微觀上則更為複雜,是拓撲的不可重複的。

振動是宇宙普遍存在的現象,不管是宏觀,還是微觀都有振動發生。大的方面來說,地震、海嘯、爆炸等都屬于振動範圍;而微觀粒子層面,粒子的熱運動、布朗運動都屬于振動範圍。

在哲學層面,這個世界運動是絕對的,靜止是相對的。不管是遙遠的天體,還是風吹草動,運動都無時不刻都在進行。只有宏觀物體,我們才能夠看到相對的靜止,比如一棟房子或者一張桌子,我們看到的可能是靜止畫面,但從微觀世界來說,所有的物體內部深層次的分子、原子、亞原子粒子都在不停的運動變化,這種靜中有動的運動,主要方式就是振動。

分子振動近似於簡諧振動。

我們知道,我們見到的常規物質都是由分子組成的,而組成分子的最小單元就是原子,原子是保持物質具有某種性質的基本單元,不同的原子組合會形成不同的分子,不同的分子就組成了不同的物質。

原子與原子結合依靠的是原子間的化學鍵,這些化學鍵就像彈簧,通過震動來化解原子間的伸縮振動,從而保持物質的狀態。我們可以把這種振動近似地看成諧振子的簡諧振動。

所謂諧振子就是簡諧振動的質點,而簡諧振動則是物體在與位移成正比的恢復力作用下,在其平衡位置附近按正弦規律作往復的運動。這種運動遵從胡克定律,表達式為:F=-k·x或△F=-k·Δx。

這裡F表示一定彈性限度內的恢復力,單位是牛;k為力常數,是物體的前進係數,單位為牛/米;x為形變量,單位為米。

簡諧振動的特點有三個,即有一個平衡位置,這個位置就是諧振子;有周期性變化的方向和回復力;頻率單一振幅不變。

但分子振動只是近似於簡諧振動,其實其中有很多的複雜變化,每一個周期的震動,其化學鍵只能近似的回到原來的狀態;分子受熱運動遵從布朗運動原理,溫度越高運動越激烈,而且無規則,這些就不屬于振動範疇,這些振動運動疊加的結果,就促使物質會發生變化。因此我們世界沒有不朽的事物,物質衰變和腐朽就是這種變化的結果。

從更微觀層面講,粒子振動是能源的催動的。

在我們宇宙中,最主要最基本的能量就是電磁輻射。宇宙中充滿了各種各樣的天體,其中恆星佔有宇宙可見質量的99%以上,每一顆恆星都由於中心核聚變源源不斷的輻射出能量,這些能量都是以電磁輻射的方式散播到太空中。

因此宇宙中充滿了這些電磁輻射能量,以及隨著輻射飛到太空的帶電粒子,還有許多不帶電中微子,它們都不同的運動著,這些運動也包括振動形式。就連138億年前宇宙大爆炸的餘燼,依然以微波背景輻射的方式存在在宇宙每個角落,讓宇宙背景保持了2.75K的溫度。

溫度就是粒子振動的表現。各種粒子,包括原子、質子、中子、電子,在接受到這些能量後,振動運動就加速,接受的能量越多,振動運動速度就越快,表現出來的就是溫度和能量的提升。

但這種振動和運動是隨機的,沒有方向和規則的,不屬於簡諧振動範疇。宇宙中有溫度存在,就要振動和運動。只有在絕對零度,就是0 K,-273.15℃狀態下,粒子才會停止運動,這種環境下,時空將不復存在,宇宙消亡。

當然,振動只是微觀世界的一種形式,更廣泛的意義是運動。

量子力學是解釋微觀世界亞原子運動的理論,一個世紀以來,量子力學的崛起,從物質的更深層面,企圖從本源上解釋世界,成為現代物理學最重要的基礎,與相對論一起成為現代物理學的兩塊基石。

量子理論描述亞原子世界最基本特性有4點:一是粒子運動具有波粒二象性,就是既有粒子一個個存在的特性又有概率波的特性,它們同時存在;二是粒子運動具有不可預測性,也就是不確定性原理,測不準定律,觀測不可能同時得到粒子的位置和動量;三是量子糾纏,相互糾纏著的粒子有超距保持整體性質的屬性;四是粒子遵循泡利不相容原則,具有簡併壓。

根據量子力學和相對論理論,人們對宏觀世界和微觀世界的運動規律有了更深刻的認識,從而大大提升了人類文明的程度。我們想想100年前世界的樣子,看看現在,再展望未來,世界和人類文明進程已經發生並還要發生巨大變化,這些都是得益於這些理論的啟迪和發動。

總之,運動是世界的本質,振動是運動的某種形式。

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