从光的干涉现象谈光的本性

1 / 6 从光的干涉现象谈光的本性 文章摘要：对于光的本性的认识，几个世纪以来始终存在着激烈的争论，光的波粒二象性是两种学说相互妥协的结果。在解释一些现象如干涉和衍射时，人们就用波动说去解释，而对另一些现象如光电效应就用微粒说去说明。这种既是微粒又是波的存在在观念上确实叫人们不容易接受，其原因是到现在为止还没有一种理论能很好地把 波动和微粒统一在一个模式下。本文正是从 这这样一种出发点来探讨 光光的本性。 假设有一 个个光源 S1，在 S1前 放放置一块屏幕，从 S1 发发出的光会将整个屏幕 均均匀的照亮。我们知道 ，屏幕的亮度是与落在 屏屏幕上面的光子数的多 少少有关的。严格地说， 屏屏幕的亮度是以垂直于 屏屏幕的光线与屏幕的交 点点为中心向四周逐渐变 暗暗的。但这种变化决不 是是几率问题。证明如下 ：把 S1 放在一个半径 为为 R1的球的中心，假 设设 S1在单位时间里发 射射出N 个光子，则单位 球球面积上所接受的光子 数数等于光子数 N 除以球 的的总面积 4R12 ， 如如果把球的半径由 R1 变变为 R2，则在单位球 面面积上所接受的光子数 就就变为 N 除以 4R2 2 ，由于R2大于 R1，所以半径为 R1的球 在在 单位球面积上接受的 光光子数大于 R2 球单位 面面积上的光子数。这就 是是为 什么屏幕上的亮度 是是由明到暗逐渐变化的 原原因。当屏幕距光源的 距距离很大且屏幕的面积 又又很小时，就可以近似 的的认为屏幕上的光子是 均2 / 6 均匀分布的。 现在把 另另一个相干光源 S2放 在在靠近 S1的地方，情 况况有了变化。在垂直两 个个光源的平面上出现了 明明暗相间的圆环，而在 平平行两个光源的平面上 ，则出现了明暗相间的 条条纹见图一，这就是人 们们所说的光的干涉条纹 。因为干涉现象是波动 的的最主要特征，所以这 也也就成了光具有波动性 的的最有力证据之一。我 们们知道机械波是振动在 媒媒质中的传播，当有两 列列相干波源存在时，媒 质质中任意一 点的振动是 两两列波各自到达这一点 时时波的叠加。当到达这 一一点的两列波的相位相 同同时，则在这一点上的 振振幅最大，如果两列波 的的相位相差 1800 时 ，则振动的振幅相互抵 消消，这样就形成了有规 则则的 干涉条纹。经典光 学学正是套用机械波的方 法法证明光的干涉条纹的 ，而传播光的媒质以太 已已被证明是根本不存在 的的，这样用机械波的方 法法证明光的干涉条纹也 就就显得比较牵强。量子 力力学在解释干涉条纹时 则则采用的是几率波的方 法法，认为亮的地方是光 子子出现几率多的地方， 暗暗的地方则是光子出现 几几率少的地方。问题是 当当只有一个光源时 ，光 子子是均匀分布在屏幕上 的的，而当存在另一个相 干干光源时，按照量子理 论论光子就会集中出现在 一一些地方而不去另一些 地地方，几率的解释是不 能能使人心悦诚服地接受 的的。爱因斯坦曾用上帝 不不掷骰子来表达他对用 几几率描述单个粒子行为 的的厌恶。这就是目前对 于于光的干涉现象的两种 正正统解释方法。我们对 于于光本性的认识是否还 存存在其3 / 6 它我们没有考虑 到到的因素，是否还存在 其其它的证明方法来统一 光光的波粒二象性即用一 种种理论解释来解释波动 性性和粒子性呢？ 为了 找找到这种新的理论，在 此此我们不得不在现有光 量量子理论基础上进行一 些些必要的修正即单个光 量量子的能量是变化的， 光光子的能量和质量是相 互互转化的，转化的频率 就就是光的频率。频率快 光光子的能量大质量小， 相相反，频率慢则光子的 能能量小质量大，这样光 子子在空间所走的路程就 形形成了一条类波的轨迹 。在论证光的干涉现象 之之前，我们先对光源进 行行定义。单频率点光源 -频率单一且所有 光光子在离开光源时的状 态态都相同。单频率点光 源源具有这样两个特点， 其其一在距光源某一点的 空空间位置上，光子的状 态态不随时间变化。其二 光光子的状态随距点光源 的的距离作周期变化。光 的的波长 指的是光子在一 个个周期 的时间内在空间 运运行的距离。 我们在 x 轴上设置两个点光源 SS1 和 S2，如图一所 示示。令 P 为垂直平面上 的的一点，从 P 点到 S1 和和 S2 的光程差PS1- PS2 为波长的某个 正正数倍 ml 。从 S1 和和 S2 出发的两列光子 ，将同相地达到 P点， 状状态相同。再令 Q为垂 直直平面上的另一点，从 Q 到 S1和 S2的光程 差差也为 ml。过 P 和 Q 点点做一条曲线，使得这 曲曲线上所有过 XO 的垂 直直平面内的点的轨迹都 具具有这样的性质，即这 条条曲线上任意一点到 S1 和 S2的距离之差为 常常数，根据解析几何我 们们知道，这曲线是一条 双双4 / 6 曲线。如果我们设想 这这一双曲线以直线 XO 为为轴旋转，则它将扫出 一一个曲面，叫做双曲面 。我 们看到，在这曲面 上上的任意一点，来自 S1 和 S2的光子始终都 是是同相位的，光子在曲 面面上的每一点的状态是 一一定的，沿曲面上的点 的的状态是周期变化的。 由由于光的波长很短，光 子子沿曲面的这种周期变 化化是不容易被观测到。 同理，我们令 T 为垂 直直平面上的另一点，从 T 点到 S1和 S2的光 程程差 TS1-TS2 为 波波长的 l/2 倍。从 SS1和 S2出发的两列 光光子，将以 1800 的 相相位差达到 T 点。再令 V 为垂直平面上的另一 点点，从 V 到 S1 和 S2 的的光程差也为道长 l/22倍。过 T 和 V 做一 条条曲线使这曲线上任一 点点到两定点 S1 和S2 的的距离之差为常数，这 曲曲线也是一条双曲线， 以以 XO 为轴旋转同样将 扫扫出一双曲面。所不同 的的是来自 S1和 S2的 光光子到达这曲面上的任 意意一点的相位差始终为 1 800，叠加后的最 终终状态是一个恒定的值 。 图一是在 S1 到 S2 的距离为 3l， P 点 的的光程差为PS1-PSS2=2l这一简单情 况况下画出的。 m=1 的 那那条双曲线是垂直平面 内内光程差为 l 的那些点 的的轨迹。光程差为零的 各各点的轨迹是过 S1S2 中点的一条 直线。由 它它绕 XO旋转而成的将 是是一个平面。图中还画 出出 m= -1 和 m= - 2 的双曲线。在这种 情情况下，这五条曲线绕 XXO 旋转而产生五个曲 面面，这五个曲面5 / 6 将 S1 和和 S2两光源所形成的 能能量场分成了 6个左右 对对称的无限延伸的能量 空空间。屏幕上亮线将出 现现在屏幕与诸双曲面相 交交的那些曲线的任何所 在在位置上。 如果两点 光光源间的距离是许多个 波波长，则将存在 许多曲 面面，在这些曲面上各光 子子相互加强。因而在平 行行于两光源连线的屏幕 上上，将形成许多明暗相 间间的双曲线干涉条纹。 而而在垂直于两光源连线 的的屏幕上将形成许多 明 暗暗相间的圆形干涉条纹 。两条相邻的明条纹之 间间的关系是光程差相差 一一个 l，暗条纹与相邻 明明条纹之间相差 l/2。干涉条纹从明到暗再 到到明之间的相位变化是 从从同相到相差 1800 相相位再到同相。 为了 检检验以上的设想是否正 确确，这里我结合光的干 涉涉实验和光电效应实验 设设计了一个简单实验。 第第一步用光干涉仪产生 明明暗相间的干涉条纹。 第第二步将光电管依次放 在在从明到暗条纹的不同 位位置上，当然采用的单 色色光源频率要在临阈频 率率之上，观察产生光电 子子动能的大小。如果按 照照现有光量子理论，光 电电子的动能应该是不变 的的 ，原因是光子的能量 只只与光的频率有关而与 光光的亮度无关，干涉后 光光的频率并没有变化， 所所以在从明到暗的条纹 上上，测得的光电子的动 能能应该是不变的。再从 量量子理论的观点来分析 ，明亮的地方光子出现 的的几率大，暗的地方光 子子出现的几率小，明暗 只只是单位面积上光子数 不不同而已，光子的动能 并并没有改变，所以结论 也也是光电子的动能不变 。而我的结论则是在从 明明到暗的干涉条