從光的干涉現(xiàn)象談光的本性

從光的干涉現(xiàn)象談光的本性文章摘要：對(duì)于光的本性的認(rèn)識(shí)，幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)始終存在著激烈的爭(zhēng)論，光的波粒二象性是兩種學(xué)說(shuō)相互妥協(xié)的結(jié)果。在解釋一些現(xiàn)象如干涉和衍射時(shí)，人們就用波動(dòng)說(shuō)去解釋，而對(duì)另一些現(xiàn)象如光電效應(yīng)就用微粒說(shuō)去說(shuō)明。這種既是微粒又是波的存在在觀念上確實(shí)叫人們不容易接受，其原因是到現(xiàn)在為止還沒(méi)有一種理論能很好地把波動(dòng)和微粒統(tǒng)一在一個(gè)模式下。本文正是從這樣一種出發(fā)點(diǎn)來(lái)探討光的本性。

假設(shè)有一個(gè)光源S1，在S1前放置一塊屏幕，從S1發(fā)出的光（光子）會(huì)將整個(gè)屏幕均勻的照亮。我們知道，屏幕的亮度是與落在屏幕上面的光子數(shù)的多少有關(guān)的。嚴(yán)格地說(shuō)，屏幕的亮度是以垂直于屏幕的光線與屏幕的交點(diǎn)為中心向四周逐漸變暗的。但這種變化決不是幾率問(wèn)題。證明如下：把S1放在一個(gè)半徑為R1的球的中心，假設(shè)S1在單位時(shí)間里發(fā)射出N個(gè)光子，則單位球面積上所接受的光子數(shù)等于光子數(shù)N除以球的總面積4πR12，如果把球的半徑由R1變?yōu)镽2（R2＞R1），則在單位球面積上所接受的光子數(shù)就變?yōu)镹除以4πR22，由于R2大于R1，所以半徑為R1的球在單位球面積上接受的光子數(shù)大于R2球單位面積上的光子數(shù)。這就是為什么屏幕上的亮度是由明到暗逐漸變化的原因。當(dāng)屏幕距光源的距離很大且屏幕的面積又很小時(shí)，就可以近似的認(rèn)為屏幕上的光子是均勻分布的。

現(xiàn)在把另一個(gè)相干光源S2放在靠近S1的地方，情況有了變化。在垂直兩個(gè)光源的平面上出現(xiàn)了明暗相間的圓環(huán)，而在平行兩個(gè)光源的平面上，則出現(xiàn)了明暗相間的條紋見(jiàn)圖一，這就是人們所說(shuō)的光的干涉條紋。因?yàn)楦缮娆F(xiàn)象是波動(dòng)的最主要特征，所以這也就成了光具有波動(dòng)性的最有力證據(jù)之一。我們知道機(jī)械波是振動(dòng)在媒質(zhì)中的傳播，當(dāng)有兩列相干波源存在時(shí)，媒質(zhì)中任意一點(diǎn)的振動(dòng)是兩列波各自到達(dá)這一點(diǎn)時(shí)波的疊加。當(dāng)?shù)竭_(dá)這一點(diǎn)的兩列波的相位相同時(shí)，則在這一點(diǎn)上的振幅最大，如果兩列波的相位相差1800時(shí)，則振動(dòng)的振幅相互抵消，這樣就形成了有規(guī)則的干涉條紋。經(jīng)典光學(xué)正是套用機(jī)械波的方法證明光的干涉條紋的，而傳播光的媒質(zhì)以太已被證明是根本不存在的，這樣用機(jī)械波的方法證明光的干涉條紋也就顯得比較牽強(qiáng)。量子力學(xué)在解釋干涉條紋時(shí)則采用的是幾率波的方法，認(rèn)為亮的地方是光子出現(xiàn)幾率多的地方，暗的地方則是光子出現(xiàn)幾率少的地方。問(wèn)題是當(dāng)只有一個(gè)光源時(shí)，光子是均勻分布在屏幕上的，而當(dāng)存在另一個(gè)相干光源時(shí)，按照量子理論光子就會(huì)集中出現(xiàn)在一些地方而不去另一些地方，幾率的解釋是不能使人心悅誠(chéng)服地接受的。愛(ài)因斯坦曾用上帝不擲骰子來(lái)表達(dá)他對(duì)用幾率描述單個(gè)粒子行為的厭惡。這就是目前對(duì)于光的干涉現(xiàn)象的兩種正統(tǒng)解釋方法。我們對(duì)于光本性的認(rèn)識(shí)是否還存在其它我們沒(méi)有考慮到的因素，是否還存在其它的證明方法來(lái)統(tǒng)一光的波粒二象性即用一種理論解釋來(lái)解釋波動(dòng)性和粒子性呢？

為了找到這種新的理論，在此我們不得不在現(xiàn)有光量子理論基礎(chǔ)上進(jìn)行一些必要的修正即單個(gè)光量子的能量是變化的，光子的能量和質(zhì)量是相互轉(zhuǎn)化的，轉(zhuǎn)化的頻率就是光的頻率。頻率快光子的能量大質(zhì)量小，相反，頻率慢則光子的能量小質(zhì)量大，這樣光子在空間所走的路程就形成了一條類波的軌跡。在論證光的干涉現(xiàn)象之前，我們先對(duì)光源進(jìn)行定義。單頻率點(diǎn)光源---頻率單一且所有光子在離開光源時(shí)的狀態(tài)（相位）都相同。單頻率點(diǎn)光源具有這樣兩個(gè)特點(diǎn)，其一在距光源某一點(diǎn)的空間位置上，光子的狀態(tài)不隨時(shí)間變化。其二光子的狀態(tài)隨距點(diǎn)光源的距離作周期變化。光的波長(zhǎng)指的是光子在一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)在空間運(yùn)行的距離。
我們?cè)趚軸上設(shè)置兩個(gè)點(diǎn)光源S1和S2，如圖一所示。令P為垂直平面上的一點(diǎn)，從P點(diǎn)到S1和S2的光程差PS1-PS2為波長(zhǎng)的某個(gè)正數(shù)倍ml （m=±1，2，3，…）。從S1和S2出發(fā)的兩列光子，將同相地達(dá)到P點(diǎn)，狀態(tài)相同。再令Q為垂直平面上的另一點(diǎn)，從Q到S1和S2的光程差也為ml。過(guò)P和Q點(diǎn)做一條曲線，使得這曲線上所有過(guò)XO的垂直平面內(nèi)的點(diǎn)的軌跡都具有這樣的性質(zhì)，即這條曲線上任意一點(diǎn)到S1和S2的距離之差為常數(shù)，根據(jù)解析幾何我們知道，這曲線是一條雙曲線。如果我們?cè)O(shè)想這一雙曲線以直線XO為軸旋轉(zhuǎn)，則它將掃出一個(gè)曲面，叫做雙曲面。我們看到，在這曲面上的任意一點(diǎn)，來(lái)自S1和S2的光子始終都是同相位的（相位差保持不變），光子在曲面上的每一點(diǎn)的狀態(tài)是一定的，沿曲面上的點(diǎn)的狀態(tài)是周期變化的。由于光的波長(zhǎng)很短，光子沿曲面的這種周期變化是不容易被觀測(cè)到。

同理，我們令T為垂直平面上的另一點(diǎn)（圖中未畫出），從T點(diǎn)到S1和S2的光程差TS1-TS2為波長(zhǎng)的l/2×（2m+1）倍（m=±1，2，3，…）。從S1和S2出發(fā)的兩列光子，將以1800的相位差達(dá)到T點(diǎn)。再令V為垂直平面上的另一點(diǎn)（圖中未畫出），從V到S1和S2的光程差也為道長(zhǎng)l/2×（2m+1）倍。過(guò)T和V做一條曲線使這曲線上任一點(diǎn)到兩定點(diǎn)S1和S2的距離之差為常數(shù)，這曲線也是一條雙曲線，以XO為軸旋轉(zhuǎn)同樣將掃出一雙曲面。所不同的是來(lái)自S1和S2的光子到達(dá)這曲面上的任意一點(diǎn)的相位差始終為1800，疊加后的最終狀態(tài)是一個(gè)恒定的值。
圖一是在S1到S2的距離為3l，P點(diǎn)的光程差為PS1-PS2=2l（m=2）這一簡(jiǎn)單情況下畫出的。m=1的那條雙曲線是垂直平面內(nèi)光程差為l的那些點(diǎn)的軌跡。光程差為零（m=0）的各點(diǎn)的軌跡是過(guò)S1S2中點(diǎn)的一條直線。由它繞XO旋轉(zhuǎn)而成的將是一個(gè)平面。圖中還畫出m= -1和m= -2的雙曲線。在這種情況下，這五條曲線繞XO旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生五個(gè)曲面，這五個(gè)曲面將S1和S2兩光源所形成的能量場(chǎng)分成了6個(gè)左右對(duì)稱的無(wú)限延伸的能量空間。屏幕上亮線將出現(xiàn)在屏幕與諸雙曲面相交的那些曲線的任何所在位置上。 如果兩點(diǎn)光源間的距離是許多個(gè)波長(zhǎng)，則將存在許多曲面，在這些曲面上各光子相互加強(qiáng)。因而在平行于兩光源連線的屏幕上，將形成許多明暗相間的雙曲線（幾乎是直線）干涉條紋。而在垂直于兩光源連線的屏幕上將形成許多明暗相間的圓形干涉條紋。兩條相鄰的明條紋之間的關(guān)系是光程差相差一個(gè)l，暗條紋與相鄰明條紋之間相差l/2。干涉條紋從明到暗再到明之間的相位變化是從同相到相差1800相位再到同相。

為了檢驗(yàn)以上的設(shè)想是否正確，這里我結(jié)合光的干涉實(shí)驗(yàn)和光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)。第一步用光干涉儀產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋。第二步將光電管依次放在從明到暗條紋的不同位置上，當(dāng)然采用的單色光源頻率要在臨閾頻率之上，觀察產(chǎn)生光電子動(dòng)能的大小。如果按照現(xiàn)有光量子理論，光電子的動(dòng)能應(yīng)該是不變的，原因是光子的能量只與光的頻率有關(guān)而與光的亮度無(wú)關(guān)，干涉后光的頻率并沒(méi)有變化，所以在從明到暗的條紋上，測(cè)得的光電子的動(dòng)能應(yīng)該是不變的。再?gòu)牧孔永碚摰挠^點(diǎn)來(lái)分析，明亮的地方光子出現(xiàn)的幾率大，暗的地方光子出現(xiàn)的幾率小，明暗只是單位面積上光子數(shù)不同而已，光子的動(dòng)能并沒(méi)有改變，所以結(jié)論也是光電子的動(dòng)能不變。而我的結(jié)論則是在從明到暗的干涉條紋上光子數(shù)是一樣的，產(chǎn)生的光電子的動(dòng)能是從大到小連續(xù)變化的。
如果實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與我所做的推論一致，我們不妨把這一結(jié)論推廣到一切實(shí)物粒子，因?yàn)閷?shí)物粒子也具有波粒二象性，即一切實(shí)物粒子自身的能量與質(zhì)量之間始終處在不停地相互變化中，這也正是量子力學(xué)波函數(shù)所要描述的微觀世界粒子的客觀實(shí)在圖像。

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