微观世界分子原子粒子为什么都在不停的振动或运动?

有网友问:都说分子振动,原子振动,粒子振动,为什么振动?本质是什么?

运动是这个世界的根本属性,而振动是运动的一种方式。

最简单的运动形式有四种,即匀变速直线运动、抛体运动、匀速圆周运动和简谐振动。其中,匀速或变速直线运动和抛体运动是不可重复的运动,因此是运动状态是拓扑关系;而圆周运动和简谐振动看起来可以重复更简单,其实不然。

后两种运动只是从宏观上看是周期性的可重复的,但在微观上则更为复杂,是拓扑的不可重复的。

振动是宇宙普遍存在的现象,不管是宏观,还是微观都有振动发生。大的方面来说,地震、海啸、爆炸等都属于振动范围;而微观粒子层面,粒子的热运动、布朗运动都属于振动范围。

在哲学层面,这个世界运动是绝对的,静止是相对的。不管是遥远的天体,还是风吹草动,运动都无时不刻都在进行。只有宏观物体,我们才能够看到相对的静止,比如一栋房子或者一张桌子,我们看到的可能是静止画面,但从微观世界来说,所有的物体内部深层次的分子、原子、亚原子粒子都在不停的运动变化,这种静中有动的运动,主要方式就是振动。

分子振动近似于简谐振动。

我们知道,我们见到的常规物质都是由分子组成的,而组成分子的最小单元就是原子,原子是保持物质具有某种性质的基本单元,不同的原子组合会形成不同的分子,不同的分子就组成了不同的物质。

原子与原子结合依靠的是原子间的化学键,这些化学键就像弹簧,通过震动来化解原子间的伸缩振动,从而保持物质的状态。我们可以把这种振动近似地看成谐振子的简谐振动。

所谓谐振子就是简谐振动的质点,而简谐振动则是物体在与位移成正比的恢复力作用下,在其平衡位置附近按正弦规律作往复的运动。这种运动遵从胡克定律,表达式为:F=-k·x或△F=-k·Δx。

这里F表示一定弹性限度内的恢复力,单位是牛;k为力常数,是物体的前进系数,单位为牛/米;x为形变量,单位为米。

简谐振动的特点有三个,即有一个平衡位置,这个位置就是谐振子;有周期性变化的方向和回复力;频率单一振幅不变。

但分子振动只是近似于简谐振动,其实其中有很多的复杂变化,每一个周期的震动,其化学键只能近似的回到原来的状态;分子受热运动遵从布朗运动原理,温度越高运动越激烈,而且无规则,这些就不属于振动范畴,这些振动运动叠加的结果,就促使物质会发生变化。因此我们世界没有不朽的事物,物质衰变和腐朽就是这种变化的结果。

从更微观层面讲,粒子振动是能源的催动的。

在我们宇宙中,最主要最基本的能量就是电磁辐射。宇宙中充满了各种各样的天体,其中恒星占有宇宙可见质量的99%以上,每一颗恒星都由于中心核聚变源源不断的辐射出能量,这些能量都是以电磁辐射的方式散播到太空中。

因此宇宙中充满了这些电磁辐射能量,以及随着辐射飞到太空的带电粒子,还有许多不带电中微子,它们都不同的运动着,这些运动也包括振动形式。就连138亿年前宇宙大爆炸的余烬,依然以微波背景辐射的方式存在在宇宙每个角落,让宇宙背景保持了2.75K的温度。

温度就是粒子振动的表现。各种粒子,包括原子、质子、中子、电子,在接受到这些能量后,振动运动就加速,接受的能量越多,振动运动速度就越快,表现出来的就是温度和能量的提升。

但这种振动和运动是随机的,没有方向和规则的,不属于简谐振动范畴。宇宙中有温度存在,就要振动和运动。只有在绝对零度,就是0 K,-273.15℃状态下,粒子才会停止运动,这种环境下,时空将不复存在,宇宙消亡。

当然,振动只是微观世界的一种形式,更广泛的意义是运动。

量子力学是解释微观世界亚原子运动的理论,一个世纪以来,量子力学的崛起,从物质的更深层面,企图从本源上解释世界,成为现代物理学最重要的基础,与相对论一起成为现代物理学的两块基石。

量子理论描述亚原子世界最基本特性有4点:一是粒子运动具有波粒二象性,就是既有粒子一个个存在的特性又有概率波的特性,它们同时存在;二是粒子运动具有不可预测性,也就是不确定性原理,测不准定律,观测不可能同时得到粒子的位置和动量;三是量子纠缠,相互纠缠着的粒子有超距保持整体性质的属性;四是粒子遵循泡利不相容原则,具有简并压。

根据量子力学和相对论理论,人们对宏观世界和微观世界的运动规律有了更深刻的认识,从而大大提升了人类文明的程度。我们想想100年前世界的样子,看看现在,再展望未来,世界和人类文明进程已经发生并还要发生巨大变化,这些都是得益于这些理论的启迪和发动。

总之,运动是世界的本质,振动是运动的某种形式。

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