量子的本質特徵--微觀粒子間能量交換是不連續的

（一）量子是什麼。量子力學是什麼？百度上指出：量子力學是描述微觀物質的一種物理學理論，與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱，許多物理學理論和科學如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科都是以量子力學為基礎。那麼什麼是&34;呢？不同的人有不同的答案。我們認為：&34;的本質反映的是微觀粒子間能量交換是不連續的、微觀粒子具有的動量能量是可量化的。

舉一個生活中最簡單的例子，拿去食堂打飯的人來說，如果某個食堂有1萬個人打飯，僅從生理學的角度來講，因為不同的人有不同的食物攝入需要可以認為這些人需要吃的食物數量應該是連續變化的，假設主食是饅頭，則可能飯量最小的人打1個饅頭、飯量最大的人打10個饅頭，如果1個饅頭重1兩，那麼這1萬個人需要吃的食物應該從1兩到1斤連續分布，但由於食堂不賣半個饅頭，所以這1萬個人買饅頭的數量也只能是1、2、3、4、5、6、7、8、9和10而不可能是其它數量（比如1.2個、3.4個等非整數個）。這裡我們看到：原本1萬個人吃的食物數量應該是連續變化的，但經過&34;這一環節後1萬個人吃的食物數變成了1到10的正整數，把這1萬個人按買饅頭的數量排列，就會形成10個隊列（這一點與光通過窄縫後形成的明暗相間條紋類似）。100萬個人來打飯也是如此，但我們不能據此認定：所有人需要的食物數量都是&34;的，其根本原因在於食堂為了方便只出售整個饅頭而不賣半個饅頭。同樣的道理，一束光經過單縫或者雙縫後發生偏轉並在屏幕上形成明暗相間的條紋也有其根本原因，這個根本原因就是光子與其他粒子間的能量交換是不連續的，光子在屏幕上形成明暗相間的條紋並非是光的波動性造成的。

微觀粒子間能量交換是量子化的。我們在《微觀粒子作用的三大規律》一文中指出，微觀粒子間相互作用存在三大規律，即：動量能量守恆規律、&34;規律和能量交換量子化規律。本文我們主要來闡述和應用微觀粒子間的能量交換是量子化的這一觀點。原子吸收光譜（暗線光譜）表明，原子能夠吸收的光子是不連續的（實際上反映的是電子存在若干個結合力極大的&34;，電子從一個&34;到另一個&34;吸收或者放出的光子質量是一定的），只有特定能量的光子才能夠被吸收。1927年戴維遜和革末發現，用一束電子束轟擊一張用金屬鎳做成的金屬箔，電子會在屏幕上形成衍射條紋（明暗相間的同心圓環），也就是說電子與金屬箔作用後能量改變是不連續的、因而到達屏幕上的位置也是不連續的（充分表明自由電子與原子核束縛電子間的能量交換也是不連續的、是量子化的）。科學家發現X射線通過特定的晶體也會形成類似的衍射條紋，表明X射線與原子核束縛電子間的能量交換也是不連續的。綜合大量的實驗事實，我們認為微觀粒子間的能量交換總是以量子化的形式進行的、是不連續的。比如光子與引力子之間的能量交換就是不連續的，由此造成光子與引力子作用後在屏幕上形成明暗相間的條紋而不是形成一片連續的亮區；同樣的道理，光子與原子間的能量交換也是不連續的，所以在康普頓效應中波長的改變量隨散射角的增大而增加。

（二）引起光子偏轉的兩種方式。由於光子不帶電，所以磁場和電場都不會改變光子的運動軌跡，實驗表明，改變光子原來的運動軌跡的方式主要有兩種：一種是引力作用（光子沒有與宏觀物質直接接觸，如光通過窄縫或者小孔後發生偏轉，光在星系引力作用下發生偏轉），另一種是光子與原子的碰撞作用（光子與宏觀物質直接接觸，如光子與鏡面作用產生的反射現象、光通過稜鏡時的折射現象等）。

引力作用引起光子偏轉的規律我們已經認識得比較清楚：引力場中質量大的光子偏轉量較小而質量小的光子偏轉量較大。比如通過同樣的單縫後，紅光的偏轉角度總是大於紫光的偏轉角度。造成這種現象的根本原因在於：自然界中穩定存在的光子質量並不是連續變化的，而是以某一最小值的整數倍變化的，假設最小的光子質量單位為1，紅光光子的質量是10000個質量單位而紫光光子的質量是60000個質量單位，那麼在引力作用下紅光光子質量最小的變化為質量增加1個單位成為質量為10001的光子，而同樣在引力作用下紫光光子質量最小的變化也為質量增加1個單位成為質量為60001的光子，很顯然光子質量越大偏轉角度越小、光子質量越小偏轉角度越大。

光子與宏觀物質的碰撞引起的偏轉則正好與光子在引力場中的偏轉規律相反：質量較大的光子與原子碰撞後引起的偏轉量較大而質量較小的光子與原子碰撞後引起的偏轉量較小。如太陽光（白光）通過稜鏡折射後，紫光的偏折角度較大而紅光的偏折角度較小。這是因為從光子內部結構來看，光子質量越大內部結合越鬆散因而也越容易被其它粒子&34;一部分質量從而改變原來的運動軌跡，光子質量越小則內部結合越緊密因而越不容易被其它粒子&34;一部分質量。比如在康普頓散射中，我們選用X射線觀察康普頓效應，而不用可見光或紫外光，因為可見光或紫外光的康普頓效應並不明顯。從微觀角度來講，對於在原子束縛作用下並且處於&34;狀態的電子而言，它有吸收光子增大質量並遠離原子核的能力，對於可見光、紫外光和X射線而言，可見光質量最小因而內部結合力最大越不容易被&34;一部分質量（但是可見光可以被電子整個吸收），紫外光質量較大內部結合力也較小也較不容易被&34;一部分質量，而X射線質量最大內部結合力最小因而最容易被&34;一部分質量，所以X射線的康普頓效應最明顯。

上個世紀初科學家通過觀測證實：從遙遠星系發出的光經過太陽表面時會在引力作用下發生彎曲（引力透鏡現象），說明光子確實會受到引力作用，引力作用也的確可以使光線偏離原來的運動軌跡。我們認為光通過窄縫時會受到縫的引力作用而發生彎曲從而形成明暗相間的條紋。很多人不認可這種觀點，認為這是我們沒有根據的胡亂推測，他們提出的反駁理由主要有兩條：一是如果光通過窄縫時會受到縫的引力作用而發生彎曲，那麼不同材質的單縫由於密度不同從而造成光子的偏轉角度不同，如用鐵片和紙片兩種材質製成的同樣寬度的窄縫，由於鐵的密度大引力也大，所以用鐵片製成的窄縫比用紙片製成的窄縫衍射現象明顯，但事實上窄縫衍射現象只與窄縫的寬度有關而與窄縫的材質無關。

二是如果認為衍射現象是由窄縫引力引起的，那麼無法解釋用相機底片製成的衍射光柵產生的光柵衍射現象。我們在材質均勻的相機底片上用光刻出衍射光柵圖案（即讓底片部分透明部分不透明），光經過衍射光柵後會形成光柵衍射條紋，因為相機底片的材質是均勻的，可以認為光子在通過相機底片時受到的引力合力為零，由此可以推測光子通過相機底片後運動軌跡不發生變化，如果相機底片有100條透明部分屏幕上就會形成100條亮紋、如果相機底片有1000條透明部分屏幕上就會形成1000條亮紋，但事實並非如此：如果相機底片有一條窄縫屏幕上將形成衍射條紋，如果相機底片有兩條窄縫屏幕上將形成幹涉條紋，如果相機底片有多條窄縫屏幕上將形成光柵衍射條紋。基於以上兩條反駁理由，很多人不認可光的粒子性觀點，下面我們來逐一分析。

（三）窄縫材質對衍射條紋的影響。

如上圖所示，我們分別用鐵片和紙片製成寬度為0.04mm的單縫，用一束雷射分別通過這兩種材質的單縫，會形成怎樣的衍射圖案呢？為了把這個問題看得更清楚一些，我們畫出如下草圖，當兩塊鐵片相互靠近時，鐵片形成的窄縫為ABFE灰色區域，紙片形成的窄縫也為ABFE灰色區域，窄縫區域為真空，該區域的引力是由上下兩塊相互靠近的鐵片形成的，一般情況下可以簡單認為鐵片離得越近（縫越窄）窄縫區域的引力越大。

在鐵片形成的窄縫ABFE灰色區域中，不論形成窄縫的材質密度多大，窄縫中線（CD線）引力的合力始終為零，ABDC區域引力合力向上、CDFE區域引力合力向下。由於光子通過窄縫時會受到上下兩塊鐵片引力合力作用，如果合力不為零則光子就有可能發生偏轉。當製成窄縫的材質不同時，經過簡單的計算可以知道：材質密度越大，引力合力的差異也越明顯，從而造成：用鐵片製成的同樣寬度的窄縫比用紙片製成的同樣寬度的窄縫形成的衍射條紋亮度更容易向兩邊分散，更容易形成更多級的亮紋。如下圖所示，窄縫縫寬越小條紋就越向兩邊分散，窄縫縫寬越大條紋就越向中央集中，當窄縫縫寬足夠大時光就沿著直線傳播不發生衍射現象。

這裡需要強調指出的是，用不同材質的材料製成相同縫寬形成的衍射條紋是不同的，材質密度越大形成的衍射條紋越容易向兩邊分散，在縫寬相同的情況下，材質密度越大每條亮紋的寬度也越大。理論上來講，製成單縫的材料材質密度越大，引力合力的差異也越明顯，從而更容易形成衍射條紋，換句話說密度大的材料製成的單縫形成的衍射條紋更寬一些。總之，根據我們的推理：單縫衍射條紋不僅僅與縫的寬度有關還與製成縫的材質有關，這是與當代波動理論完全不同的，希望有志之士能夠批評指正。

(四)光柵衍射圖案的形成。日常生活中我們有很多簡便的辦法做光的單縫衍射實驗，拿10塊錢買一支雷射筆，找一塊玻璃用點燃的蠟燭薰黑，然後用刀片在薰黑的玻璃上劃出一條縫，用雷射筆照這條縫就會形成衍射條紋。在這個實驗中我們似乎看不到引力作用對光子偏轉的影響，因為相對於玻璃來說，用點燃的蠟燭薰黑玻璃僅僅是在玻璃上覆蓋了一層很薄很薄的碳塗層，相對於玻璃的厚度來說這層薄薄的碳塗層產生的引力幾乎可以忽略不計，可以認為玻璃是均質的，當光子通過玻璃時受到的引力合力幾乎為零，由此看來光通過薰黑的玻璃上的一條縫後僅能在屏幕上產生一條亮紋，顯然這與實驗結果相悖。

如上圖所示，我們用點燃的蠟燭薰黑玻璃相當於在玻璃表面塗了一層很薄很薄的碳原子，當光線穿過玻璃上的窄縫時，如果認為光線的彎曲是引力作用造成的，由於玻璃的厚度遠遠大於碳原子塗層的厚度，可以認為幾層碳原子塗層對光子的引力作用可以忽略不計，由此推理這樣一束雷射照穿過玻璃上的窄縫時只能在屏幕上一條亮紋，但為什麼實際上光在屏幕上形成了明暗相間的條紋呢？事實上這個問題很好回答，雖然玻璃大體上是均質的，但是在光子穿過玻璃的某一瞬間光子受到的引力作用不可能始終是零，如果在某一瞬間光子受到的引力合力有可能指向上方並且光子只吸收了&34;1倍的個引力子則光子在屏幕上形成中央亮紋以上的第一條亮紋，如果某一瞬間光子受到的引力合力有可能指向下方並且光子只吸收了&34;1倍的個引力子則光子在屏幕上形成中央亮紋以下的第一條亮紋。同樣的道理，如果在某一瞬間光子受到的合力指向上方並且光子吸收了&34;2倍的個引力子則光子在屏幕上形成中央亮紋以上的第二條亮紋，屏幕上其他亮紋也是這樣形成的。總之，中央亮紋以上(或者以下)的第一條亮紋是光子與引力子&34;交換能量形成的，由於引力子對光子作用的不連續性造成光子在屏幕上形成了不連續的亮紋，屏幕上&34;部分是沒有光子到達的區域。也就是說，光子在引力作用下運動狀態並不是連續改變的，而是以某一最小值的整數倍變化的。

同樣的道理，光子在與鏡面碰撞並反射時，光子到達屏幕上的位置也是不連續的，光子運動狀態的改變也是以某一最小值的整數倍變化的。而我們能夠觀察到光子在屏幕上形成不連續亮紋的充分條件：一是最好用單色光，二是鏡面足夠窄，這就是為什麼幹涉衍射現象中都要求縫足夠窄的根本原因。