探讨光的本性

1、 探讨光的本性梁建中（北京外企服务集团 北京100005）摘要：光的波粒二象性矛盾依然是困扰当今科学界的难题之一，由此引发的几个世纪以来关于光本性的争论至今仍在继续。十七世纪初著名的扬氏干涉实验为证明光具有波动性提供了最有力的实验证据，因为干涉现象是波动的最主要特征。经典光学在证明光的干涉时，借用的是机械波的证明方法，我们知道机械波是振源的振动在媒质中的传播，而光的传播不需要媒质，这与机械波在本质上是完全不同的，所以用机械波的方法证明光的干涉也就显得比较牵强。量子力学在解释干涉时采用的是几率波的方法，认为亮的地方是光子出现几率多的地方，暗的地方是光子出现几率少的地方，爱因斯坦曾用上帝不掷骰子表

2、达他对用几率描述单个光子行为的厌恶。光的本性究竟是什么？如何将光的波动性和粒子性统一在一种理论模式下？本文正是从这样一个出发点通过对光的干涉现象的分析来探讨光的本性。关键词：光子，光矢量，干涉，偏振光，光电效应The True Nature of LightLiang Jian Zhong(Beijing Foreign Enterprise Service Corporation 100005)Abstract: Hotly-debated for centuries, the dilemma regarding the wave-particle duality of light cont

3、inues to puzzle scientists today. Youngs experiment in the 17th century had provided strong evidence for the wave properties of light, as the interference patterns produced are distinguishing characteristics of a wave. Yet classical photonics often resort to mechanical wave when proving light interf

4、erence. We all know that mechanical waves are propagated by the vibration of particles in a medium, whereas the propagation of light involves no medium. Hence it might be questionable to prove light interference using mechanical wave mechanisms due to the vastly different nature between mechanical a

5、nd light waves. Quantum mechanics on the other hand, uses possibility wave to explain interference. The brighter regions are where photons have higher possibility of appearing and the darker regions are where there is lower possibility. Interestingly, Einstein had shown his dismay towards the possib

6、ility theory in his famous “god does not play with dice”. What exactly is the nature of light? How do we unite the wave and particle properties of light under a single model? This article thus serves to discuss the true nature of light by analyzing its interference patterns. Key words: photon, photo

7、nic vector, interference, polarized light, photoelectric effect一 建立光模型光是由一系列离散的光子所组成的光子流，单个光子在其运动方向的垂直平面内有且只有一个固定方向的电场矢量也称为光矢量，构成光子流的众多光子的光矢量按时序在其运动方向的垂直平面内周期变化。根据上面的假设，我们可以把沿光子流运动方向上两个相邻同方向光矢量之间的距离定义为光的波长，相邻同方向光矢量的时间间隔定义为周期其倒数为频率，定义在同一时间到达垂直平面上一点的两个光矢量间的夹角为相位角。二 光的干涉如图一所示，在X轴上放置一点光源S1，在O点放置一垂直X轴的屏幕

8、.从光源S1沿X轴发出的光子流在O点形成一个亮度稳定的光点，光点是由按时序到达O点的每个光子的光矢量作用的结果，到达O点的光矢量的大小相等，方向随时间在垂直X轴的平面内周期变化。 k= -2 k= -1 k=0 k=1 k=2 图一在光源S1和O点之间，放置另一个相干点光源S2（频率相同，光矢量变化相同），缓慢调节S1和S2之间的距离，在O点出现了交替的明暗变化即发生了干涉现象。由同一时间到达O点的分别从S1和S2发出的两光子的光矢量间的夹角随S1和S2之间距离的变化而周期变化。设为到达O点的两光矢量间的夹角，r为O点到S1和S2的光程差，则相位差与光程差的关系为： /2 = r/设同一时间到

9、达O点的两个光矢量分别为E1和E2，应用余弦定律，我们求得O点的矢量合：E合2 = E12+E22+2E1E2cos由于E1 = E2 = EE合=(E12+ E22+2E1E2cos)1/2 = 2 E2 (1+ cos) 1/2= (4E2cos2/2)1/2=2E cos/2当r为波长的某个整数倍l时 （ = 0，1，2，3，）， =2 r/ = 2l/ = 2E合=2E cos/2=2E，此时O点的光效应最强。当r为半波长的 (2+1) l /2倍时 （ = 0，1，2，3，）， =2 r/ = 2(2+1)l/2 = (2+1)E合=2E cos/2= 0，此时O点的光效应最弱。在垂

10、直平面XOZ上任取一点Q，从Q点到S1和S2的光程差QS1-QS2为任意一个常数，在垂直平面XOZ上移动Q点使从Q点到两光源S1和S2的光程差保持不变（光程差决定了从光源S1和S2发出的同时到达Q点的两光矢量间的夹角），根据解析几何知识，Q点的运动轨迹是一条双曲线。在垂直平面XOZ上存在着无数条这样的双曲线，但是要使动点到两光源的光程差满足一定的条件比如说为波长的某个整数倍，那么满足这样条件的动点在垂直平面XOZ上做出的双曲线的数目将是有限的。令P为垂直平面XOZ上的一点，从P点到S1和S2的光程差PS1-PS2为波长的某个整数倍l（ = ± 0，1，2，3，）。在垂直平面内移动P点

11、使从P点到两点光源的光程差l 保持不变，则P点移动的轨迹是一条双曲线，曲线上任意一点来自光源S1和S2的两个光矢量的方向相同，合成后的光矢量为两个光矢量的代数和，矢量合的大小不变，方向按时序周期变化。令这一双曲线以直线XO为轴旋转，它将扫出一个曲面，叫做双曲面，曲面上任意一点合成光矢量的大小为两个光矢量的代数和。同理，令T为垂直平面上的另一点（图中未画出），从T点到S1和S2的光程差TS1-TS2为半波长l /2的 (2+1)倍（ = ± 0，1，2，3，），移动T点并使之到S1和S2的光程差保持不变，则T点在垂直平面上的轨迹也是一条双曲线，令其以XO为轴旋转同样得到一双曲面，曲面上

12、的任意一点来自两点光源S1和S2光矢量的方向始终相差1800，两光矢量相互抵消。 图一是在点光源S1到S2的距离为3l，P点到两点光源S1和S2的光程差为2l（ =2）这一简单情况下画出的， = 1的那条双曲线是垂直平面内光程差为l的那些点的轨迹，光程差为零（ = 0）的各点的轨迹是过S1S2中点的一条直线，由它绕XO旋转而成的将是一个平面，图中还画出 = -1和 = -2的双曲线。如果两相干点光源间的距离是许多个波长，则将存在许多这样的双曲面。从图一可以看出，屏幕上的亮线将出现在屏幕与诸双曲面相交的那些曲线所在位置上，在平行于两光源连线的屏幕上，将形成许多明暗相间的双曲线形干涉条纹，而在垂直

13、于两光源连线的屏幕上将形成许多明暗相间的圆形干涉条纹。三 偏振光的干涉偏振光是由一系列离散的光子所组成的光子流，这些光子的光矢量只在其运动方向的垂直平面内的某一固定方向上变化，光矢量的大小不变，方向按时序交替变化。 图二如图二所示,从偏振光源S发出的光经分光镜F1后分成了偏振方向相同的两路相干光，一路经面镜M1分光镜F2到达屏幕。另一路经光程调节器T面镜M2分光镜F2到达屏幕。缓慢调节光程调节器上的微动旋钮，可以观测到在亮度均匀的屏幕上以O点为圆心的非常细的明暗相间的同心圆的吞吐变化。前面我们已经证明了，明线是由光程差为波长的某个整数倍l （ = ± 0，1，2，3，）的点所构成，或

14、者说是由方向相同的两个光矢量在同一时间到达的点所构成的，在这些点上合成的光矢量是两个光矢量的代数和。暗线是由光程差为半波长l /2的 (2+1)倍（ = ± 0，1，2，3，）的点构成的，或者说是由方向相反的两个光矢量在同一时间到达的点所构成的，在这些点上两个同时抵达的光矢量相消，合成后的光矢量为零。屏幕上除了这些非常细的同心圆外的所有其他区域上的点，其光程差即不是波长的整数倍l（ = ± 0，1，2，3，）也不是半波长l /2的 (2+1)倍（ = ± 0，1，2，3，），虽然来自两个相干偏振光源的光子可以到达这些区域上的每一点，但是到达这些点上的光子不是在同一

15、个时间点上，显然在这些区域上并没有发生干涉。四 干涉光的光电效应用波长足够短的光照射金属，金属电子获得能量从金属表面逸出，这种现象称为光电效应。如图二所示，把屏幕P拿掉并在O点放置一光电管，测量并记录在饱和状态下光电流随微动旋钮变化的情况。实验的结果是：在饱和状态下保持光电管两端的电压不变，从示波器上可以看到光程差每变化一个波长（相位差2），光电流由大-小-大变化一次见图三。电流变化说明电路中的电子数发生了变化，从上面的讨论我们知道，调节微动旋钮只能改变从光电管阴极到两个相干光源的光程差即改变到达光电管阴极上的光矢量间的夹角，并不会改变到达光电管阴极上的光子数，所以电路中电流脉动变化的根本原因是由同时到达光电管阴极上的光矢量间的夹角变化所导致的。如果改用相干偏振光源重做上面所做的光电效应实验的话，在示波器上将会观测到光电流是在一个恒定电流值的上下随微动旋钮的移动而以脉冲波的方式变化见图四。 图三 干涉光的光电流随相位差的变化 图四 偏振光的光电流随相位差的变化五 结论从以上的分析我们可以得出结论：光是由一系列离散的光子所组成的光子流，单个光子在其运动方向的垂直平面内有且只有一个固定