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《时空波动论》第一章：宇宙起源

作者：陈少华

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◎人类必须要靠自已的智慧

以人类现在的技术水平，要想进行时间旅行和宇宙漫游，是不可能的。因为人类的飞船速度很低。距离太阳系最近的恒星，是4．3光年之远的半人马座α星。要想飞行到那里，以现在最快火箭的速度，需要数万年的时间。即便是火星，都只是在近年才由无人探测飞船到达过。人类的脚步，仅仅只登陆过地球的卫星——月亮。月亮距地球只有38万公里，一光秒多点的距离。这同动辄数百上千光年的宇宙空间比起来，太小太小。距离探索太空和宇宙，人类还有太长的路要走。这一切表明，人类的科学圣殿，这个以牛顿经典力学、爱因斯坦相对论、量子力学三大理论为支柱而经历了百年辉煌的耀眼宫堂，如今已经王气黯然，裂缝隐现，是到了重建的时候了。否则人类永远也无法进行宇宙星际探索，迈向银河时代。

不明飞行器―――UFO屡屡被目击者观察到。让我长时间地苦苦思索：外星人究竟掌握了什么尖端科技，让他们如此轻松地在宇宙中自由自在地旅行？无法不羡慕。如果能拜外星人为师就好了。可惜的是，外星人真的很神秘，神龙见首不见尾，从来不肯跟人类沟通；也许，他们是不舍得将核心机密泄露？当然，也有可能，是认为人类太落后，就象人类看待猴子一样，觉得两者差距太大无法沟通？

图片：UFO

人类无法从其他智慧文明那里得到宇宙的真正奥秘。

所以，人类必须自力更生，艰苦奋斗，只靠自已的力量与智慧，使科技水平逐渐达到尖端水准，从而能够自主进行时空穿梭和宇宙飞行。这也是宇宙法则决定的。

虽然人类比外星人要落后很多很多年，但，我可以肯定，奇迹即将出现―――人类即将发现和掌握那些被外星人视为不可泄露的宇宙秘密。用不了多久，人类就可以完成外星人走过的宇宙时间探索之路。从而与其他高级智慧文明一起，成为宇宙时空的主人。

人类将可以回到古老的过去，来到遥远的未来。在无边广阔的宇宙中自由遨游。

没有什么难题是不可解决的。只要肯用心探索和实干，我们可以完成任何重任。

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◎最简单的问题，其实蕴含着宇宙深藏的最本质奥秘

这个宇宙充满了无数的奥秘。每当仰望星空，我就满是好奇。那些星星附近，有没有智慧生命的存在？这个宇宙有没有边际？这个宇宙太奇妙，可人类的科学知识还比较落后，对宇宙的认识还停留在初级阶段，许多的不解之迷，困惑着我。我一直都想要解开那些迷团。

时间为什么会一直不停地流动？物质为什么会有质量？物质为什么会有重力？这些问看起来很可笑，很简单，可能很少有人会纠缠于这些问题上浪费时间。可是，这些正是我一直在思索的问题。

其实，很有可能，这些问题是解决宇宙本质奥秘的最核心所在。只有理解了时间、质量、重力的本质奥秘，人类才能理解这个宇宙，才能象强大的外星文明一样无所不能。

经过苦苦思考与艰辛探索，这些问题的答案渐渐在我脑海中展现。

我终于发现，人类原来真的可以象传说中的仙人一样，自由自在地遨游宇宙、穿梭时空、回到过去、来到未来、长生不老。这个宇宙是如此的奇妙，如此让人激动兴奋！

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◎宇宙大爆炸论

现在，先来探索宇宙的起源。

相信每个人都会对宇宙的起源是很好奇与关心，这是人类的本性。著名黑洞研究者霍金，写出了一本讲述宇宙起源的科普书《时间简史》，成为热极一时的畅销书，证实了一点―――对于宇宙，没人能够不关心。

宇宙的起源，现在被所有科学家推崇的是“大爆炸论”。而各种科学观测都证实，大爆炸论是经得起考验的。

自1929年天文学家哈勃发现宇宙红移，得出宇宙在膨胀的结论后，勒梅夫受到启发，提出宇宙起源于一个原始原子。科学家伽莫夫提出“大爆炸论”，认为宇宙起源于一次大爆炸：大约在一百四十亿年前，宇宙是一个无限密度与无限小又无限高温的小点，名叫奇点，在强大压力作用下，轰地一声大爆炸，产生出无数的粒子飞向四方，其中包括电子，夸克、光子、中微子等基本粒子。夸克间相互结合，形成质子、中子，电子与质子、中子结合，形成氢原子和氦原子。这些原子凝聚为一团团星云，在引力作用下坍缩，成为无数的恒星、行星，从而形成现在这个宇宙。

图片：宇宙大爆炸

大爆炸论非常形象地描述了宇宙的产生过程。

但还是有一点缺憾―――它没有回答一个最原始的问题，这个无限密度与无限小又无限高温的小点，名叫奇点的东西是从哪来的呢？难道是凭空而来？或上帝创造的？如果是上帝创造的，那上帝又是哪路神仙创造出的呢？或者，上帝有妈妈吗？

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◎宇宙的真实起源

现在，人类已经可以掌握宇宙起源的秘密。

宇宙最初是没有什么奇点的，什么都没有。无边无沿的天空，一望无际，空无一物，比真空还真空，完全是绝对0度，完全的黑暗孤寂。也没有时间在流逝。这意味着，如果有一个时钟，这个时钟将不会记载哪怕一秒的时间。

但这种情况终于会有所改变。在于微观世界的特殊运行方式。宇宙最初没有时间没有空间没有物质没有能量的状态，等同于一个存在时间极短的微观世界，这里，量子力学的原理将发生作用。

量子力学直接引导了电子信息革命，使人们的生活发生了翻天覆地的变化。

德国科学家普朗克1900年提出“量子”观念，为量子力学打下理论基础，再由著名的哥本哈根学派：玻尔、海森堡、泡利发扬光大。其核心原理是“不确定性原理”：无法同时测到一个粒子的位置与速度的准确值；在极短的时间里，粒子的能量无法确定，可能会有一个超大值存在；极短时间里，在微观粒子世界，任何事情都有发生的概率存在。

不确定性原理决定了微观粒子世界有着区别于我们熟悉的宏观世界截然不同的特点。量子隧穿效应证实了这一点。在一束粒子中，每一个粒子的能量都是E。由于能量不够，它们无法跃上某个高度、或穿透某个障碍。但在一瞬间的极短时间内，很可能出现某个粒子，忽然具备了超高能量，轻松跃上这个高度并穿透障碍。

根据隧穿原理，科学家们已经发明了许多非常实用的灵敏度极高的微观粒子探测仪器。美国科学家宾尼希发明的扫描隧道显微镜，能看清纳米尺度的原子分布，是分辨率最高的显微镜。其原理就是利用隧穿原理。极尖细的探针接近被探测物，通常情况下，被探测物表面的电子能量低，不具备冲破空间阻碍让探针产生触动效应。但在某个极短时间，肯定会有某些电子忽然具备很高能量，冲上探针产生观测结果。正是因为这种隧穿效应很普遍，很均匀，所以会让显微镜看清原子级别的物体结构特点。

不确定性原理还表明，在极短一瞬间，微观世界有可能处于质能不守恒状态。有可能从虚无中偶然产生一对虚的正负粒子，又立刻中和泯灭。释放出微弱的光子或射线。这，正是宇宙最初那重要的初始能量来源。这个能量虽然极其微弱，但已可使时间流动。只要有了一点能量触发，时间的流动就是自动的，而且再也不会停止。要想让时间停止，就必须对时空施加特殊能量才行。

在宇宙最初，正是什么能量都没有，所以连时间都不能流逝。时间的流逝是需要有一个推动力的。具体的原因，大家在看了我日后对时间本质的揭示后就会明白。正是不确定性原理的作用，使得微弱的能量从虚无中释放出来，从而推动了时间的流动。这是非常关键的。

真空里的能量起伏，是量子力学里的一个非常特殊的现象。在一个极短的时间里，原本能量是0的空间，会忽然产生一对虚粒子对。并立即中和湮灭为一对光子，释放出微弱的能量。这使系统在极短的时间内处于质能不守恒状态。但这种状态并不会持久。产生的能量相当于粒子从真空银行里借贷出去的贷款，是要归还的。紧接着正负虚粒子对就会中和，使系统的总能量达到0，从而维持能量守恒。

但在时间运行之前，这个能量贷款就无法归还回去。时间的运行是自发的，迅速的，只要有一点点能量，哪怕是借来的虚能量，也立刻被时间利用，使自已流逝起来。

可见，使时间流逝的这点能量，是无法归还给真空能量银行的。真空能量银行要想追讨这份欠款，只能强迫时间停止流动。但这将耗费多得多的能量。不符合最省力实用原理。所以银行只能睁一只眼闭一只眼，不再追讨最初的这一点能量贷款。此后，质能守恒将会得到遵守，真空中的能量起伏无法改变系统的总能量值。

单靠由不确定性偶然产生的能量，宇宙要生成到现在这么多质能，是不可能的。每一点能量，都会被追讨偿还，使系统保持在能量守恒状态中。宇宙只能非常短暂地处于质能不守恒状态。

那，这个如此浩如烟海的宇宙，是怎么来的呢？

时间会解决这个难题。

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◎时间是万物之母

时间逐渐成为宇宙在最初时刻唯一的标志。需要指出的是，那时，时间的流动速度跟现在是完全不同的。真是非常的缓慢。如果能派一个人拿着一个时钟去创世之前的宇宙，把两个时间进行对比，那时的时钟只过一秒钟的时间，我们就已经历了上千年。

这段时间大概持续了十万亿年（我的估算，会有些误差的）。这是个非常漫长的时间概念。而人类测出的宇宙的存在的时间是一百四十亿年。这一百四十亿年其实只是有物质存在的时间。跟毫无一物的宇宙持续时间相比，真是太短了。

时间是有能量的。时间为什么会有能量？现在只提出这个使人难以置信的结论。具体的证明，将在下一章再陆续揭示。

这十万亿年的漫漫时间里，时间积累出了无穷能量。就象是一束光线，在数十万亿年的发射中，发出了无数的光子能量。这些光子能量越积越多，量变产生质变，最后发生了一个惊天动地的事件。

而伟大科学家爱因斯坦已经证明，能量和质量是等价的，在一定条件下，可以相互转换。

这些无穷的能量，渐渐旋转成为大涡轮，越转越快，内部温度也越来越高。又经过几千亿年的时间，这个大涡轮终于凝聚成为一个无限密度与无限小又无限高温的小点，也就是“奇点”。

接下来发生的事情，跟当代大爆炸论所描述的情况基本相符，不同点在于，宇宙大爆炸会产生成对出现的无数正粒子与反粒子。大爆炸论认为，正粒子会比反粒子多点一点点，大约是十亿分之一，当正反粒子相碰同时泯灭后，是这多出的十亿分之一的粒子，形成了现在这个宇宙。

反粒子和正粒子是一样多的，数量上不会有区别。只是在大爆炸发生的那一刻，正反粒子沿着不同的方向抛出，大部分正粒子和少部分的反粒子聚在一边，大部分的反粒子和少部分的正粒子聚在另一边。每一边都在中和泯灭一部分粒子后，由剩下的粒子相互作用，产生出一个宇宙。我们现在所处的宇宙，是由正粒子构成的正宇宙，而我们的邻居宇宙，将是那个由反粒子构成的负宇宙。

这个浩如烟海的无边无垠的宇宙，其实是在一无所有中由时间产生的。所以说，时间是宇宙万物之母。

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◎一沙一世界

佛学认为，一粒沙子里就有一个世界。这是有道理的。其实，每一个基本粒子，比如电子、构成质子中子的夸克，如果将其无限放大，会发现其内部是空的，其内部都有一个宇宙。这个宇宙产生的原因跟我们这个宇宙产生的原因是一样的，都是由于不确性原理产生出微弱的能量，使得时间流动，时间在万亿年的漫长岁月里积累无穷的能量，最后形成一个奇点，引发大爆炸形成了宇宙万物。

由于质子与中子并非最基本粒子，而是由3个夸克组成，所以质子与中子的内部宇宙分别存在于3个夸克中，每个夸克都可以在内部形成一个宇宙。电子作为基本粒子，其内部则有一个单独的宇宙。

其实，我们这个看似浩翰的宇宙，很可能就是装在另一个宇宙里一个微不足道的电子中。

我们地球的这个世界才存在了几十亿年，那地球上基本粒子内部是否没有足够长的时间来积累能量？其实不是。因为时空不一样，时间的快慢也不一样。地球的时空过去一年时间，地球上基本粒子内部的时间可能就过去了几十万年。所以还是有足够时间来积累能量形成奇点。

基本粒子内部的宇宙，大部分时间还是安全的。但这些宇宙也有瞬间毁灭的可能。大型强子对撞机里，加速到接近光速的基本粒子相互碰撞，会将基本粒子撞得粉碎。粒子内部的宇宙也就面临着灭顶之灾，彻底毁灭。除此以外，当我们给物质加热到高温时，这些物质处于高温的基本粒子，其内部的宇宙也会处于一个高温状态。很可能身处这个宇宙的生命无法适应，就灭绝了。我们这个宇宙也一样，万一哪天包含着我们宇宙的基本粒子被丢进高温炼钢炉，我们就会感觉到无法忍受的炽热。转眼间生命都被烤焦消失了。当然这种概率还是非常小的。我们这个宇宙既然能够坚持到智慧生命的产生，说明包含着我们这个宇宙的基本粒子处境稳定正常，温度恒定。当然我们还是要祈祷这个粒子千万不要被丢进炼钢炉或大型强子对撞机中去。

由于我们这个宇宙温度极低，只比绝对零度－273摄氏度高了3度，这3度还是宇宙大爆炸经过亿万年散发后残存的余温。可以确定包纳着我们这个宇宙的电子当然绝不会是恒星，温度太高。也不会是有生命的行星，那种行星温度适宜，电子的温度会保持在摄氏20度左右。电子里面的宇宙的温度当然也不会太低。一个有生命的行星，这个行星上的一个电子内部的宇宙通常很难产生出生命。因为有太多不可控的因素，电子的温度会由于人为因素而变得极高，内部的宇宙就会变得炽热，导致好不容易产生的生命就消失了。这个电子应该是处于寒冷孤寂的太空里的一个行星上。这个行星的温度就是－273度。很可能这个行星的附近并没有恒星，所以行星没有得到任何的热辐射，接近绝对零度。我们宇宙里就确实有接近绝对零度的地方。如果太阳系有什么地方适合电子内部宇宙产生智慧生命，那一定不是水星、金星、地球，而是天王星、海王星、冥王星这样的寒冷且无生命的星球。

现在可以解释我们这个宇宙为什么可以产生生命了。

分析我们所在的宇宙，就会发现，真的是太巧夺天工了，使一些物理定律常数不多不少，正好适合生命的产生，适合人类的出现。这些常数哪怕是偏离一点点，人类都是不可能生存的。为什么会这样巧呢？就是因为在无数个宇宙中，刚好有几个宇宙是适合生命发展的。人类，当然只能出现在这极少数的几个宇宙中。

普通人认为生命仿佛是理所应当，科学家则有太多理由为人类庆幸，为生命惊喜。

事实上，质子质量如果稍微重千分之一，同中子相当，原子就不会稳定，物质就不会形成。生命的出现更是妄想。强核力哪怕强万分之一，恒星燃烧速度将大大加快，寿命显著降低，不会有充足的时间留给生命去进化，智慧生命就再也不会产生……

具体到人类的产生，那就更加让科学家觉得不可思议。那么多幸运的、出现概率为几亿分之一的美事，全让地球给摊上了：如果地球离太阳远一些，就不能从太阳上获得足够的光和热，生命就无法产生。如果不是有大量的水和海洋，生命同样无法生成。如果不是有巨大的木星存在于地球轨道外侧，地球被小行星碰撞的概率将猛增几万倍，生命也将消失。如果不是刚好有月球这颗大卫星的存在调整地球轴线，地球将无法稳定地绕太阳公转，气候无法持久恒定，生命同样无法持久进化从而形成智慧生命。而一颗行星拥有如此巨大的卫星，在宇宙中极少被发现过，概率真的极其之小；最不可思议的是，水凝结成冰后，冰会浮在水面上。这使得生命的产生成为可能。海洋不会因为结冰而全部冻结。事实上，物质固体比液体密度高是一个普遍的情况，只有水除外，水的固态比液态轻。一旦冰比水重，那一旦进入冬天，表面结冰后沉入海冰，表面继续结冰，最后整个海洋都会冰冻，所有生命都不可能生存下去。可想而知，冰比水轻是多么的关键。而能作到这一点的宇宙，想来非常罕见。其它宇宙，多半因为冰比水重而无法产生任何生命……

有人认为水分子由两个氢原子与一个氧原子构成，由于原子结构固定，想必任何一个宇宙中的冰都会比水轻。但还真不能这么肯定。因为每个宇宙通过大爆炸产生的基本粒子如质子、中子、电子等的质量体积属性很可能每个宇宙都是独特的，不会相同。有的宇宙质子比中子重，有的宇宙质子带负电，电子却带正电。有的宇宙水分子由两个氢原子两个氧原子构成，只因氢与氧的价电子刚好互补。

所以，不可不珍惜生命。生命，出现得真不容易！能进化到现在的智慧阶段，开始去认识宇宙的奥秘，更是一个奇迹！

我们之所以存在，生命之所以存在于这个宇宙，之所以有这么多巧多天工的巧合，是因为我们这个宇宙绝对不是孤立的。在我们这个空间，确实只有我们这一个宇宙。但我们这个宇宙其实只是另外一个宇宙里的一个微不足道的基本粒子。在时间能量的累积下，会在不同的基本粒子内部陆续形成奇点。每一个奇点都会通过大爆炸产生正反两个宇宙。这些宇宙中，只有极少数宇宙可以产生生命。因为生命的出现需要的条件太复杂太苛刻。而大爆炸那么一下，不确定性太多。而无疑我们这个宇宙恰恰是那极少数适合于产生生命的宇宙之一。

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◎波函数坍缩的《时空波动论》解释

法国物理学家德布罗意在1924年提出一个假说，指出波粒二象性不只是光子才有，一切微观粒子，包括电子和质子、中子，都有波粒二象性。他把光子的动量与波长的关系式p=h/λ推广到一切微观粒子上，指出：具有质量m 和速度v 的运动粒子也具有波动性，这种波的波长等于普朗克恒量h 跟粒子动量mv 的比，即λ= h/（mv）。这个关系式后来就叫做德布罗意公式。

三年后，通过两个独立的电子衍射实验，德布罗意的方程被证实可以用来描述电子的量子行为。在阿伯丁大学，乔治•汤姆孙将电子束照射穿过薄金属片，并且观察到预测的干涉样式。在贝尔实验室，克林顿•戴维森和雷斯特•革末做实验将低速电子入射于镍晶体，取得电子的衍射图样，这结果符合理论预测。

电子波这种物质波是怎么回事呢？

不要把电子波等物质波等同于需要介质才能传递的机械波。其实，这种波是概率波。由于海森堡测不准原理在微观尺度起作用，电子的具体位置与速度都是无法同时确定的。电子某一时间位于何处，也是有一个概念分布的。这就会形成一种波动现象，单个电子在通过双缝时，会以不同的概率通过双缝，理论上会形成自我干涉。但一旦要观察这个干涉现象时，波函数会坍缩，电子只会在屏幕上形成一个点。但如果多个电子通过双缝，会在屏幕上形成干涉现象。电子在某一时刻的位置无法被确定，那么在某一时刻电子就会以不同概率通过双缝。电子出现在图案上的位置有不同的概率，出现概率最大的地方，会出现亮纹；出现概率最小的地方，会出现暗纹。实验确实表明，电子束确实会在通过双缝后产生干涉现象。如果一个电子一个电子地发射，同样会出现通过统计后发现这种干涉现象。是因为这种概率是普遍存在的。就好象抛硬币，单次抛是无法确定哪一面朝上。但如果抛的次数多了，每一面出现的概率都是50%。电子在运动时的状态，可以用薛定鄂波动方程来表示。这个方程的意义就是表明电子出现在不同方位的概率大小。

物质波的波粒二象性根源在于测不准原理。不要将电子波与水波、声波、光波等经典波搞混。在经典波中，波确实是上下起伏地前进的，显得很有规律。比如水波，可以清楚看到水分子在上下起伏振动。光波中的光子则一会而波峰，一会儿波谷，振荡着向前飞行。经典波的波峰是指波形偏离波前进路线最大且位于路线上面的位置，如水波到到波峰时的情况。波谷则是波形偏离波前进路线最大且位于路线下面的位置。

电子波并非如此。电子可没有那么规矩。电子波的波峰并非指它偏离飞行路线的距离达到最大，而是指电子在这个位置出现的概率最大。这个位置往往是偏离飞行路线为0，也就是电子作为一个飞行物体原本就应该处在的飞行路线。波谷则是电子绝对不会出现的位置，出现概率为0.这种位置往往偏离飞行路线很大。即使以电子这么不安份想到处乱窜的小不点调皮鬼，也是不会去涉足的。

事实上电子飞行时看起来确实是一团乱麻，完全找不到什么规律。它唯一还守的规矩是，它会更多地出现在飞行路线上，更少地出现在偏离路线很远的地方。

物理学家是擅长总结规律的。他们就是从电子的这一飞行规则里，总结出电子是一种波，并推导出了波动方程。并不是指电子是按照波的形态在上下震荡飞行，而是指电子在空间中的概率分布有紧有散，很有规律，象波一样上下起伏。

奥地利物理学家薛定鄂1926年提出波动方程，经典宏观物理运动的描述定律是牛顿力学三大定律，而在微观尺度，科学家发现基本粒子的运动完全不符合牛顿力学，必须用一套全新的定律来描述电子中子等基本粒子的运动模式。薛定鄂在德布罗意波公式的基础上，根据粒子能量守恒原理，推导出波动方程，对波动方程的求解，可以得出波函数。经过验证，发现电子的运动与波函数完全符合。波函数反映的是电子在某时刻在空间分布的一个概率的变化。粒子在飞行过程中，无论它的位置如何，总势能V与总动能相加后得到的总能量E保持守恒。初学量子力学时，会对薛定谔方程感到十分为难，无法理解。对于波函数竟然是e的指数，更加难以理解。觉得这一切好深奥，想要搞清楚真的不容易。量子力学也因此一直是在大学物理中的一个难点。但其实，一切并没有那么复杂。那个显得很高大上的e的指数，比如EXP(-i(pr-Et)/h)，只是从三角函数cos里通过欧拉公式变换过来的形式，目的只是为了方便运算而已。电子的概率分布波，也只是最普通的三角函数，画成图形，也只是一段正态分布。

 电子绝对不是按直线前进的粒子，而是以直线为中心，也会以不同的概率出现在直线周围的波动，每个位置会有一个特定的概率，但越靠近直线中心，电子出现的次数越密集。后来形象称这种位置分布为电子云。这个方程其实就是描述波动的方程。与普通波动方程比如声波水波不同的，普通波动方程在确定的某个时间，波的位置有一个确定的位置；而薛定鄂波动方程描绘的不是普通波动，而是量子空间的基本粒子波动，在确定的某个时间T，粒子并没有确定的位置，而是在一些位置存在一些不同的概率分布可能。这个概率分布可以通过电子双缝实验来观察。单个电子通过双缝后到达观察屏时的位置，呈现出一种概率分布状态。有的位置电子经常出现，有的位置电子只是偶尔出现。这个概率并非无规可循，而是严格遵守着一种规则。薛定鄂找到了这个规则，写出了波动方程。电子波函数都从原来的三角函数cos转化为EXP函数，即自然数e的指数函数，这样可以方便运算。而标准的正态分布函数就是这种函数。说明电子波的函数都是正态分布的——中心有一个山顶般的最大值，从两侧渐渐减少至接近于0.

一个子弹打出去，我们可以很确定它在某一时刻会处于的位置。因为子弹是以粒子形式传播的。而一个电子打出去，我们在某一时刻却无法确定它所处的位置。电子不会有确定的位置，而是在一个圆形区域内都会有存在的概率。

我们可以很确定，一个速度为1公里每秒的子弹，在一秒钟后会位于距原点1公里处（假设这是在无重力的太空），坐标点为（1km，0）。

而一个速度为1公里每秒的电子，在一秒钟后其位置是一个电子云团。这个云团以坐标点（1km，0）为中心，是一个球形，在这个球形内部，电子都有出现的概率。

此时要描述电子的飞行轨迹，需要使用波函数。电子的这种电子云团形式的飞行方式，还是很有规律的。无疑，越靠近球中心，电子出现概率越大。离中心越远，电子出现概率越小。这种分布的图像画出来，就是一个波浪形态。在波顶几率振幅最大，电子出现的机率最大。大多数情况下，这个波顶会出现在偏离中心最小的地方。注意，不要将电子偏离中心的飞行振幅与几率波振幅搞混。电子波函数研究的是几率波，偏离中心的振幅越大，几率波振幅则会越小。在知道电子的动能、势能之后，就能根据薛定鄂方程求解出波函数。想要知道时间t这一刻电子的位置，就将t代入波函数，画出函数图形。这个图形清楚表明偏离中心的每一点的几率振幅。几率振幅越大，表明电子在时间t出现在这个位置的概率就越大。

可以用一个波函数来描述它此刻所处的位置。通过这个波函数可以知道在空间中的任一点，电子位于此处的概率。大部分位置这个概率是0.只有在某些位置，具有发现电子的最大可能性。

子弹击出去，在某一时刻，发现子弹位于某位置的概率要么是100%，要么是0.子弹也会有一个波函数，但这个波函数代表的不确定性太微弱，完全可以忽略不计。电子击出去，在某一时刻，在空间的某位置，发现电子的可能性则是由波函数决定。要想知道这个波函数是多少，就需要解薛定鄂方程求出这个函数。求出函数后，要想知道时刻t时，电子在某坐标位置出现的概率，只要将T与坐标值代入这个函数，就可以求得概率。

对于质量远远大于电子的普通物体而言，由于测不准原理失效，其波动现象基本不会出现。不过严格意义上来讲，也还是会具有一定的波动，只是波长相比物体的尺寸而言太小，可以忽略不计。一个子弹，如果在太空中向前发射，毫无疑问，由于没有重力的作用，子弹会以直线飞行。但量子力学告诉我们，并不是如此。子弹只是看起来象一条直线，实际上，子弹在飞行时并非严格的直线，而是以一个很小的范围偏离出飞行路线。但这个偏离值是可以利用德布罗意物质波方程计算出来的。

这也是电子轨迹看起来象是一团云的原因。Ψ2就是电子分布位置的概率。这说明在一个时刻T，粒子位于什么地方，是无法确定的，只能给出一个概率上的分布。但这个概率分布并非杂乱无章，而是很有规律，只要在电子前方立起一块屏幕，观看电子打击到屏上的位置，就可以看出这个规律。可以用单电子来进行多次实验，也可以用一束电子群来进行实验。两种方式得到的结果是一样的。

如果在电子与屏幕之间竖起一块遮挡板，上面开一单孔，电子将穿过单孔后再飞行到屏幕上，屏幕上就显示出一种类似于正态分布的图样，接近中央的部份电子出现的密度最高，这个部分亮度最高。从中间向两边密度逐渐减小，直至完全看不到电子的痕迹。这令我们想起什么？想起山峰现山谷之间的起伏。山峰最高，就象中间电子出现次数最密集的那部分空间；山谷最低，就象电子出现的次数越来越少，直至完全不出现。这正是波动所描绘的现象。波动就是振动粒子在能量最高的波顶与能量最低的波谷之间的过程。比如水波的波动，水分子一会儿被抛上波顶，一会儿被甩向最低谷。在电子运动时，电子在屏幕上出现的次数，在屏幕中间部分亮度达到最高峰，然后向两测逐渐下降到最低谷0。

在任一时刻T，子弹的分布就是一个确定的点。电子的分布却是一个球体。在这个球体里都有出现的概率。但明显圆心出现概率最大，最明亮。离圆心越远，出现概率越低，就越暗。这种从出现概率高到出现概率低，从明亮到黑暗，与从波顶到波谷类似。所谓电子的波动，其实就是指这种情况。薛定鄂方程与波函数，就是用数学手段描述这种波动。

如果在遮挡板上开两个单孔，那电子将在穿过双孔后飞行到屏幕上，屏幕会显示出什么图样呢？此时屏幕会显示出更加类似于波动的图案，电子的亮度光条明暗相间，明亮光条会紧跟着黑暗长条，然后是明亮光条，再接着黑暗长条。而在屏幕中间部分，电子的亮度达到最高，显示这里到达的电子个数是最多的。向着两侧，明亮光条的亮度会逐渐减弱。

图片：电子双缝干涉实验示意图

这让我们想到光通过双缝的干涉实验。产生的正是这种明暗相间的条纹带。这说明，电子在通过双缝后，会产生干涉现象。使电子出现在屏幕的次数被改变。原本电子可能出现在屏幕某处，但由于来自另一个孔的电子也出现在这里，两个电子正好一个是能量的峰值，一个处于能量的负峰值，而被抵消。使电子不在那里出现。

根据这些实验显示的特征，电子的运动过程应该是这样的：

电子很不安分，原本应该直线向前飞行的它，却经常偏离飞行路线，这是其天性如此。所有质量小的粒子，都是这样的天性，不肯老老实实按照规定路线飞行。但是它偏离路线是有一定规则的，会展现出波动性。它在路线上出现频率最高，这里概率最密集，相当于波到了波峰。它在偏离路线比较远的位置出现频率很低，这里概率波相当于到了0.这就是它完成了一个波峰到0的过程，接着就0到波谷，波谷时它又回到路线上，这里概率波得到最大值，但其能量方向跟波峰完全相反。也就是说，虽然电子在波峰时与波谷时都飞行在同一条路线轨迹上，处于概率波振幅最大、出现频率最多的路线上，但能量的方向是相反的。电子的波动周期假如是0.01秒，那它在0.01秒内就会在中心路线上出现两次，分别是波峰与波谷时。下一个0.01秒，电子又会开始下一个波形的波动过程。详见下面图片：电子波波形。

图片：电子波波形

一个电子波的完整从波峰到波谷的过程是这样的：最常出现的中心路线（波峰）－〉不经常出现的偏远位置－〉出现概率为0的极偏远位置－〉不经常出现的偏远位置－〉出现概率为最大中心路线位置（波谷），但能量振动方向与波峰时相反－〉不经常出现的偏远位置－〉出现概率为0的极偏远位置－〉不经常出现的偏远位置－〉最常出现的中心路线（波峰）……

薛定鄂波动方程，正是正确描述了电子的这种运动状况。这里的波动不是指电子本身以波的方式在前进，而是电子出现的概率，在屏幕上出现的次数，会以波动的方式，密疏分明地出现。

当单个电子通过双缝时，根据波函数，电子会以不同的概率通过双缝，所以会出现干涉现象。但当把一个屏幕放在双缝前方时，电子并不会显示干涉图样，而是会显示出一个点。这个点代表的是一个确定的位置，并不是波函数所描绘的结果。波函数预言的是单个电子会以不同的概率通过双缝，并在屏幕上形成干涉图样。为什么最后却只显示出一个点呢？哥本哈根学派是量子力学的主要奠基与推动者，包括玻尔、海森堡、泡利、玻恩、狄拉克等著名科学家。他们给出的解释是，只要人为进行了观察，波函数就会立即坍缩，不再起作用，电子就只表现出粒子的特性，在观察者的眼里就是一个点。

如果在双缝各安装一个观测器，看电子是从哪个缝穿过去的。那电子也不会表现出波动的特性，只会象粒子一样，选择一个缝穿过。这也是一种波函数坍缩。

爱因斯坦非常反对这种说法，哥本哈根解释把意识放进自然规律中，使意识可以决定物质。薛定鄂也反对这种意识导致波函数坍缩的看法，他提出“薛定鄂的猫”理想实验，来进行反驳。试想一只猫和一个毒气瓶被放在一个黑箱子里。一种放射性物质，一个小时内有50%的可能性进行衰变，放射出射线，这种射线将会冲击一个装置，使一瓶毒气倒出。这只猫就被放在这个毒气瓶旁。按照哥本哈根解释，在一个小时内，放射性衰变发生的可能为50%，那这只猫存活的可能也就是50%，这是一种波函数。这只猫将处于不死不活的状态。只有打开箱子看一眼，波函数突然坍缩，这只猫才能从这种不死不活的状态里解脱出来，活着或死去。而根据常识，这只猫在箱子里，要么活着，要么死去，死么可能会不死不活呢？这种状态当然是不存在的，所以哥本哈根解释是错误的。

哥本哈根派的反驳是，确实是这样的，人的意识充当着一个重要角色。在观察之前，这只猫就是不死不活，观察之后，猫才能确定是生还是死。

这种反驳并不能让反对者信服。爱因斯坦的追问是：难道你不去看月亮，月亮就不存在吗？上帝不掷色子。玻尔的回应是：你不去看月亮，月亮的状态是不确定的。你看了一眼，月亮才能确定它的位置。上帝怎么做是上帝的事，不要告诉上帝应该怎么做。

其实，波函数坍缩是可以有更好解释的。那就是“时空波动论”的公设基础：最省力实用原理。

无论是在原子核内的电子，还是从电子枪里发射出的高速电子，它们并不以严格的直线在飞行。在人未观察之前，象一团波一样不确性其位置的运动，只需要遵守波函数对其出现方位概率的限制——在飞行路线中央出现次数最多，偏离路线越远出现次数就越小。这就象一个教练在学员的打耙考试时不要求每弹都直中耙心的10环，只要打在耙心一定范围以内，拿到8环就算合格。如果要求弹弹都10环，除非是天生的神枪手，那学员就是再怎么苦练也无法做到。这是为了省力与实用。我们都有经验，如果工作生活中被规定得死死的，几点出现在哪，几点出现在哪，一秒钟不能迟到，不能偏出位置，那我们会觉得很累，很没意思。太死板太没趣。电子也是这样。电子在运动时，也喜欢自由自在，喜欢随意漫游，不愿被规定必须以直线来飞行，只要它大致飞行的路线是一条直线，出现在飞行路线中央的次数最多，就算是合格了。电子最喜欢这种自由的运动方式。无拘无束，多么省心省力，还能在一个大的范围里四处观光，远远好过只被限制在一条笔直的行动路线上。我们可以发现，电子这种行为，与银河系的恒星倒是有些相似。电子出现在路线中心的次数最多，越是显得密集，电子云的厚度越大。越偏离中心，出现的次数越少，显得电子云越来越稀薄。银河系的恒星分布，越靠近银河中心，越是密集。厚度也越大。越是远离银河中心，到银河边缘地带，恒星分布就越来越稀薄，厚度越来越小。当然，银河系是3维的，电子束在任一时刻的分布只能是二维的。我们可以把银河系恒星分布转化成2维的图像，那用怎样的图像来描绘银河系这处恒星的分布呢？无疑就是一个圆圈，中心最亮，亮点最密集，随着半径的增加，而逐渐变暗变稀薄。这正是电子束在任一时刻其横截面会表现出来的分布模式。

详见下面图片：电子的飞行轨迹。

图片：电子的飞行轨迹。

所以，电子的飞行轨迹其实并不神秘，只要想一想银河系的形状特点就知道电子在飞行中的分布情况了。只要把一块屏幕摆在电子束飞行的前方，电子束就会显示出中心最亮，向着边缘逐渐变暗的图像。在这里，最小的微观粒子与最大的宏观星系表现出惊人的相似性。其中必定是有原因的。

那么，电子通过双缝为什么会产生干涉现象呢？

那是因为，一个电子表现出是能够同时穿过两个缝。

这同我们日常经验完全不符。电子要么穿过孔1，要么穿过孔2，怎么可以同时穿过两个孔呢？难道电子会分身术不成？

可在微观的量子力学里，电子就是这么奇特。它具有同时穿过两个孔的能力。

因为电子是以波动的方式在飞行的。想像一下水波，面对前方的两个孔时，水波会同时穿过两个孔，从而形成干涉效应。

电子就象水波一样，形成了波动，同时穿过两个缝。电子的这个波动，就是概率波。它以50%的概率穿过缝1，以50%的概率穿过缝2 。至于一个电子到底是穿过了缝1还是缝2，这种提问本身就不正确。电子确实是同时穿过了两条缝，这是波的天性，绝不会厚此缝而轻彼缝。既然电子作为波有这个能力，它就会同时穿过两条缝。

爱因斯坦反对这一观点，认为电子必定有一个确定的路径。1964年爱尔兰科学家约翰.贝尔通过实验证明，测量之前，电子确实是没有确定位置的。

电子束在飞行中通过双缝后分成两股电子束，每一束电子束都依照疏密概率来飞行，看起来象是微型银河系的一个截面，这条电子云明显是中心密集两侧稀疏。

但飞行的特点并不止于此。

因为电子波按照其周期时刻在波动着。从波峰到波谷，再从波谷到波峰。完成一个波形。虽然波峰与波谷振幅一样，达到最大。表明此时电子正处于概率密度最大的区域，也就是中心路线上。但波峰时的电子运动能量方向与波谷时电子运动能量方向恰好相反。

电子束里的电子从一个源发出，再从两条缝射向屏时，本质上两束电子流是完全相同的，是一个电子各以一半的概率通过双缝后产生的电子流，故是同相的，所以其波形会叠加在一起，产生干涉现象。

同直线飞行的电子不同，双缝干涉实验中的双缝可以看作两个电子发射源，发射源发出的一束电子，并非仅以一条直线向前飞行，而是如同光源一样，以半球面波的形式向前扩散。因为显然这两个电子发射源是没有发射方向的。球面波在传播时，以球心为中心，向外辐射，每一条球面半径都可以看作是一条电子流直线飞行路线。这条线上的电子波的波形在波峰与波谷之间来回往复，但电子并非如水波一样在上下振荡，而是其出现的位置在中心与两侧之间振荡。表现得是一条中心密集两侧稀疏的电子云。

两条缝作为两个电子源A与B各发出一个半球面波，各有无数条从源心辐射出去的电子线。详见下面图片：电子双缝干涉原理所示。

图片：电子双缝干涉原理

电子线共同进行波动，形成共同的波形线。A与B各发出的无数条电子数形成的这些波形将会象水波一样交汇，进而如水波一样发生干涉。

具体来说，波峰与波峰相遇时，振幅增加2倍。波谷与波谷相遇时，振幅增加2倍。这些位置概率密度最大，电子到达这些位置的频率最多，所以最明亮，形成亮条纹。图中以红色线条表示。这些位置的特点是，到达两个电子源的距离之差是半波长的偶数倍，或波长的整数倍。比如距离之差是1个波长或2个波长。

一个电子源形成的波峰与另一个电子源形成的波谷相遇时，由于两者能量方向相反，故相互抵消，电子将不会到达这些位置。这些位置会形成暗条纹。图中用紫色圆点表示。这些位置的特点是，到达两个电子源的距离之差是半波长的奇数倍，或波长的非整数倍。比如距离之差是0.5个波长，1.5个波长等。有人会说，两个概率都是正的，迭加后怎么会变成0呢？应该是概率直接相加吧。话虽如此，但如果一个是因为能量向上使概率为正，另一个却是因为能量向下使概率为正，那两者迭加后的概率并非两个概率之和。因为能量都抵消为0了，没能量的电子，怎么能显示出来呢？

电子虽然按照这种方式在飞行，具有概率性与不确定性，但一旦科学家要观察它的位置，它就会只显示出一个点，而非很多的点组成的概率电子云。这是为什么呢？

一旦人想要观察这个电子时，并拿出了观测工具，人的意识会发出脑电波光子流，观测工具也会发射或反射出光子流，这些光子流就会撞击到电子上。电子就能感觉到波动受到了阻碍，必须要换一种老老实实本本份份的运动方式，来适合人类的观察了。于是波函数就迅速坍缩，电子不再进行概率波动，那人观察起来多累呀，以一个粒子的方式来运动，人的测量就方便多了。

普通人的脑电波对于宏观物体是没有什么控制力的，但是对于电子这类基本粒子，对电子会有明显的提示作用。但仅仅想要观测，电子还是不会自动以粒子方式来运动。还必须要有观测的行为，接收被电子反弹回来的光子，光子的撞击将严重干扰电子的运动。这时电子就明白自已正在被观测。这些行为会提示电子什么时候遵造实用原理以粒子方式出现。一旦脑电波的提示消失，光子的干扰也没有了，电子就会回复到最省力波动的状态来运动。

爱因斯坦同量子力学作了几十年斗争，原因很大程度上在于对哥本哈根学派的这个波函数坍缩原因的解释不满意，认为不符合决定性原理，太随机性，太主观唯心化。而玻尔也始终提不出能完全说服爱因斯坦的解释。如果爱因斯坦知道了最省力实用原理，理解了电子的运动其实就是遵守着这个原理，在不同时刻显示出不同的运动方式，不知道他会不会觉得满意而接受量子力学？

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◎光的“波粒二象性”根源

光线是波动还是粒子束，这个争论持续了几百年。

十七世纪英国物理学家胡克提出了“光是以太的一种纵向波”， 惠更斯提出了波动学说比较完整的理论。新的波动学说牢固的建立起来了。

而牛顿却用微粒说阐述了光的颜色理论，驳斥了波动说。由于牛顿在科学上的巨人地位，微粒说占据统治地位。整个十八世纪，几乎无人敢向微粒说挑战。

终于托马斯•杨开始对牛顿的光学理论产生了怀疑，他提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。微粒说开始转向劣势。1819年，菲涅耳成功的完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验，继杨氏干涉实验之后再次证明了光的波动说。

但人们在为光波寻找载体时所遇到的困难，却预示了波动说所面临的危机。以太被设想为光波传递的载体。但以太终于被迈克尔逊莫雷实验证明为不存在。1887年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性再一次被证明！

二十世纪初，普朗克和爱因斯坦提出了光的量子学说。在新的事实与理论面前，光的波动说与微粒说之争以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。但对于波粒二象性的根源，科学界仍然没有找到解释的理由。波动说与微粒说，仍然在不同的证据现象面前面临着难休的争论与对抗。

为何光会具有“波粒二象性”呢？这一点并不好理解。这也是光的波粒之争持续几百年的根本原因。粒子都是象子弹一样直线向前飞行，何以又能象海浪波动一样上下振动起伏来前进呢？这完全是两种截然不同的运动模式，确实很难联系到一起。

后来科学家发现，不仅仅是光子，其实电子，质子等基本粒子都有波动性。这种波动性更是延伸到普通物体。只是由于其波动性太低，可以忽略不计，而不会在日常生活中表现出来。当然，物质波的波动性与光波水波完全不同。物质波只是概率波，指出现在空间的概率密度在上下波动，并非指物体的位置真的在上下波动着。比如，电子的波形虽然是如水波一样的上下波动，但电子的波动却是中心密集两侧稀疏的图象，实际上是很杂乱无章无法预测的，绝非真的很有规率的上下有节奏在振荡。

“最省力实用原理”就是光子具有波动性的真正原因。光子也是不喜欢受约束的东西，飞行时喜欢大一些的自由度。所以，光子具有波动性，就是自然而然的了。

在理解了电子波后，就能对光子的运动有一个真正深入的认识。光源发出光子后，首先会象子弹被击发出膛一样，光子做直线的飞行运动。但光子跟电子一样，是不会老老实实走一条直线的。电子在一个球形区都有出现的概率。球形中心则出现概率最大。这使得电子飞行得有如一团电子云。

光子的波动性比电子更强。不再只是概率密度上的波动性，而是本身的运动就具有波动性，在有规律地上下起伏振荡着向前飞行。

光子与基本粒子在飞行时，为什么选择波动的形式呢？

波，上下起伏，一会高潮，一会低谷。这种运动方式，其实最有节奏感，也最省力。

我醉心于音乐的美妙。曾对节奏拍子进行研究，我很好奇，为什么音乐都能自然而然的形成拍子，一会儿轻，一会儿重，非常有规律。音乐里最常见的节奏是4拍。轻，重，次轻，重。也有3拍，轻，轻，重。2拍子的最有节奏感，轻重交替，在军歌、进行曲里应用普遍。

总结音乐节奏的规律，发现，轻、重，这是一个基本的规律。轻点与重点交替而发生。从来不会有轻点连续出现，或重点连续出现。这倒底是什么原因呢？

经过深入思索，我终于明白了这个道理：最省力实用原理在生活中的体现，就是轻、重交替。那样最省力，最实用。

举个例子，一个人拼命学习，从来不肯休息，不会放松。那他的身体可能就差了，学习效率也不会太高，最后的成绩也不会是最好。真正的善于学习的人，都是学习与休息两不耽误。劳逸结合，磨刀不误砍柴功，学习与休息交替进行，人就最轻松，学习成绩才会最理想。

一个人的脉博，同样是轻重交替的，心跳声砰，砰之间，必然会有一个间隔。如果一个人的心跳一直是砰砰砰不停，没有间隔，那这个人离生病也就不远了。

这样的例子太多了。所以，最省力实用原理决定了，起伏与波动是宇宙的本质特点。所以，无论是光子，还是基本粒子，在飞行时，都不会老老实实按中心那一条直线去飞，而是以那条直线为中心，进行波动。距中心的距离时大时小，高峰低谷上下起伏。

波动是物质世界的一个普遍现象，后文还会详细展开，以波动为手段揭开宇宙神秘的面纱，真相会越来越精彩。

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