從光的干涉現(xiàn)象談光的本性

文章摘要：對于光的本性的認(rèn)識，幾個世紀(jì)以來始終存在著激烈的爭論，光的波粒二象性是兩種學(xué)說相互妥協(xié)的結(jié)果。在解釋一些現(xiàn)象如干涉和衍射時，人們就用波動說去解釋，而對另一些現(xiàn)象如光電效應(yīng)就用微粒說去說明。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)在為止還沒有一種理論能很好地把波動和微粒統(tǒng)一在一個模式下。本文正是從這樣一種出發(fā)點(diǎn)來探討光的本性。

假設(shè)有一個光源S1，在S1前放置一塊屏幕，從S1發(fā)出的光（光子）會將整個屏幕均勻的照亮。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，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題。證明如下：把S1放在一個半徑為R1的球的中心，假設(shè)S1在單位時間里發(fā)射出N個光子，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，就可以近似的認(rèn)為屏幕上的光子是均勻分布的。

現(xiàn)在把另一個相干光源S2放在靠近S1的地方，情況有了變化。在垂直兩個光源的平面上出現(xiàn)了明暗相間的圓環(huán)，而在平行兩個光源的平面上，則出現(xiàn)了明暗相間的條紋見圖一，這就是人們所說的光的干涉條紋。因?yàn)楦缮娆F(xiàn)象是波動的最主要特征，所以這也就成了光具有波動性的最有力證據(jù)之一。我們知道機(jī)械波是振動在媒質(zhì)中的傳播，當(dāng)有兩列相干波源存在時，媒質(zhì)中任意一點(diǎn)的振動是兩列波各自到達(dá)這一點(diǎn)時波的疊加。當(dāng)?shù)竭_(dá)這一點(diǎn)的兩列波的相位相同時，則在這一點(diǎn)上的振幅最大，如果兩列波的相位相差1800時，則振動的振幅相互抵消，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。問題是當(dāng)只有一個光源時，光子是均勻分布在屏幕上的，而當(dāng)存在另一個相干光源時，按照量子理論光子就會集中出現(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服地接受的。愛因斯坦曾用上帝不擲骰子來表達(dá)他對用幾率描述單個粒子行為的厭惡。這就是目前對于光的干涉現(xiàn)象的兩種正統(tǒng)解釋方法。我們對于光本性的認(rèn)識是否還存在其它我們沒有考慮到的因素，是否還存在其它的證明方法來統(tǒng)一光的波粒二象性即用一種理論解釋來解釋波動性和粒子性呢？

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的狀態(tài)（相位）都相同。單頻率點(diǎn)光源具有這樣兩個特點(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。光的波長指的是光子在一個周期的時間內(nèi)在空間運(yùn)行的距離。

我們在x軸上設(shè)置兩個點(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為波長的某個正數(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P和Q點(diǎn)做一條曲線，使得這曲線上所有過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。如果我們設(shè)想這一雙曲線以直線XO為軸旋轉(zhuǎn)，則它將掃出一個曲面，叫做雙曲面。我們看到，在這曲面上的任意

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