宇宙中不可忽视的德布罗意波现象的研究

张效民

（湖南邮电职业技术学院，湖南长沙410015）

宇宙中不可忽视的德布罗意波现象的研究

张效民

（湖南邮电职业技术学院，湖南长沙410015）

我们所观察的宇宙由于物质质量大，往往只注意物质的粒子性，但其实质也是波动的，特别是早期宇宙的波动性对现在的影响是不可忽视的。根据热力学第二定律“能量在不受干扰的空间，能量只能从较为规则的形式变为较为杂乱无序的形式”和爱因斯坦相对论“质能关系”原理赋予宇宙非均匀性、各向异性。

德布罗意波；波动；非均匀性；各向异性

1 物质的波粒二象性

我们所观察的宇宙由于物质质量大，往往只注意物质的粒子性，但其实质也是波动的，特别早期宇宙的波动性对现在的影响是不可忽视的，那么什么是物质的波动性？这就要从德布罗意发现物质波粒二象性说起。

1924年，法国巴黎大学的德布罗意考虑到普朗克能量子和爱因斯坦光子理论的成功，在博士学位论文中大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子、中子等。他曾经写道：“整个世纪以来，在无静止质量物质如光子，与波动方面的研究相比，忽视了粒子方面的研究，而在实物粒子的研究上，是否发生了相反的错误呢？是不是人们把粒子方面的图像想得太多，而忽视了波的现象？”于是，他提出了“实物粒子也是具有波动性”，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，而且粒子的能量ε和动量P跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间，也像光子跟光波一样，遵从如下关系：

这种与实物粒子相联系的波后来称为“德布罗意波（de Broglie wave）”，也叫做物质波（matter wave）,如图1所示。

图1 电子穿过铝箔后的衍射图

其实任何物质不论是有静止质量的粒子，还是没有静止质量的光、电磁波一类，它们所产生的波都是概率波(probability wave)，如图2所示。

图2 电子干涉条纹对概率波的验证图

宏观物质的德布罗意波为什么很难测量其波长呢？这最主要是宏观物体运动时动量很大，根据，它们的德布罗意波的波长就非常小，例如：一个质量为0.02kg，速度为300m/s的子弹，它的德布罗意波长只有1.1×10-34m，比宏观物体的尺度小得多，几乎无法观察到宏观物体的波动性，但无法观察并不等于不存在。

粒子的波动性还赋予了物质的另一个特性：物质的非均匀性、各向异性。从图1、2中可以看出正是物质的波动性使物质在运动中以非均匀的形式存在。

2 物质波动性赋予宇宙非均匀性、各向异性

传统的宇宙大爆炸、暴胀理论描述一个事实：今天如此广阔的宇宙是一个点扩展而来，137亿年前整个宇宙比一个原子的最小部分还要小，难以置信的小。瞬间，万物突然扩张、暴胀，我们处在宇宙大爆炸的余波之中，我们看到的、听到的、闻到的、品尝到的、接触到的都是宇宙大爆炸的余波。但早期的宇宙是没有太阳、地球、星系的,只是一锅不断膨胀的原始粒子汤。如图3所示。

图3 宇宙演化图

传统的宇宙理论告诉我们：宇宙是均匀的、各性同性的。但德布罗意现象告诉我们一个既定的事实：物质的分布不可能是均匀的。在宇宙早期很小的时期本身就是不均匀分布，虽然这种不均匀分布很微小，随着宇宙膨胀的进行这种早期不均匀现象现在依然是可观察到的，就好像射击的子弹在运动中细微的偏差，在击中目标时也会出现很大的偏差。

由于现实物质动量大，德布罗意波很难发现及测量。宇宙中不均匀性现象应该在宇观范围内会有所体现，特别是在早期宇宙中无重力的环境下。

3 证据指向

目前为科学界所普遍承认的宇宙起源就认为宇宙是诞生于距今约137亿年前的一次大爆炸的“余辉”，均匀地分布于整个宇宙空间，“大爆炸”之后的宇宙温度极高，随着宇宙膨胀冷却，在30多万年之后，宇宙微波背景点辐射由此而产生。对应的温度约为2.7K。如图4所示。

图4 宇宙微波背景辐射图

如果宇宙是均匀的，微波背景辐射也应该是均匀的，但微波背景辐射有一个微小的偶极各向异性：在赤径11.3±0.1h，赤玮4±20的地方温度略高，在相反的方向温度略低，此前人们认为这是由于银河系运动带来的多普勒效应所引起的。但关键是其效应不可能在如此大范围产生影响，只能有一种解释，宇宙早期由于德布罗意效应的不均匀性引起的。另外科学家们发现了宇宙微波背景辐射（CMB），一个巨大的冷斑（cold spot），其中完全是“空”的，没有任何正常的物质或暗物质，也没有辐射信号，为什么宇宙中会存在如此的“空”呢？如图5所示。

图5 宇宙微波背景辐射的冷斑图

其原因也只能是由于德布罗意效应在早期宇宙原始粒子汤中就确定了其不均匀性。早期宇宙由于粒子动量大，不均匀性虽然极其微弱，但好像射出细微偏差的无重力影响的子弹，随着宇宙膨胀其非均匀性会显露出来。有人认为宇宙膨胀类似褶皱的气球，暴胀、膨胀会抹平宇宙的非均匀性、波动性。我们知道宇宙暴胀、膨胀从一开始就是整体性的，没有中心的空间膨胀，膨胀各向同性，没有任何理由相信宇宙的膨胀会抹平其非均匀性、波动性。

从大爆炸到目前的时间来看，宇宙演化时间还不算太长，不均匀性还是可以观测的。随着时间的推移，宇宙会变得越来越均匀。

预测：按传统理论，同一宇观半径宇宙膨胀率应基本相等，如果取样值的膨胀率不相等或偏差值超一定值也可证实宇宙的不均匀性。

4 结束语

由于观察范围或者说观察时间所致，我们现在所观察到的从大爆炸而来的宇宙很可能是宇宙中极其微小的一部分，其非均匀性、波动性、各向异性没有充分呈现出来。当然，根据热力学第二定律“在不受干扰的空间，能量只能从较为规则的形式变为较为杂乱无序的形式”，或者换句话说“能量从不均匀转换均匀”的原理和爱因斯坦相对论“质能关系”即宇宙中的物质就是能量的原理，宇宙应该开始是有序状态：规则、波动、不均匀，是从低熵到高熵的变化，但宇宙最终趋向为无序状态：杂乱、粉碎、无序，趋向均匀。也就是热力学第二定律可倒推出的：宇宙从不均匀趋向均匀。

[1]刘利.哥白尼革命研究[D].长春：吉林大学,2007.

[2]刘当波.新辐射机制在高能天体物理学中的理论和应用研究[D].上海：上海交通大学,2006.

[3]A.爱因斯坦.狭义与广义相对论浅说[M].上海：上海科学技术出版社,1964.

[4]史蒂芬·霍金.时间简史[M].长沙：湖南科学技术出版社, 1994.

[5]史蒂芬·霍金，罗杰·彭罗斯.时空本性[M].长沙：湖南科学技术出版社,1996.

[6]吴国盛.时间的观念[M].北京：中国社会科学出版社，1996. [7]陶小虎.量子力学与物质波[J].智富时代，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

张效民（1970-），男，湖南常德人，湖南邮电职业技术学院讲师，硕士，研究方向：计算机应用技术、电子技术、天文等。