從光的干涉現象談光的本性

文章摘要：對于光的本性的認識，幾個世紀以來始終存在著激烈的爭論，光的波粒二象性是兩種學說相互妥協的結果。在解釋一些現象如干涉和衍射時，人們就用波動說去解釋，而對另一些現象如光電效應就用微粒說去說明。這種既是微粒又是波的存在在觀念上確實叫人們不容易接受，其原因是到現在為止還沒有一種理論能很好地把波動和微粒統一在一個模式下。本文正是從這樣一種出發點來探討光的本性。

假設有一個光源S1，在S1前放置一塊屏幕，從S1發出的光（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的多少有關的。嚴格地說，屏幕的亮度是以垂直于屏幕的光線與屏幕的交點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S1在單位時間里發射出N個光子，則單位球面積上所接受的光子數等于光子數N除以球的總面積4πR12，如果把球的半徑由R1變為R2（R2＞R1），則在單位球面積上所接受的光子數就變為N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大于R2球單位面積上的光子數。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，就可以近似的認為屏幕上的光子是均勻分布的。

現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了明暗相間的圓環，而在平行兩個光源的平面上，則出現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。因為干涉現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之一。我們知道機械波是振動在媒質中的傳播，當有兩列相干波源存在時，媒質中任意一點的振動是兩列波各自到達這一點時波的疊加。當到達這一點的兩列波的相位相同時，則在這一點上的振幅最大，如果兩列波的相位相差1800時，則振動的振幅相互抵消，這樣就形成了有規則的干涉條紋。經典光學正是套用機械波的方法證明光的干涉條紋的，而傳播光的媒質以太已被證明是根本不存在的，這樣用機械波的方法證明光的干涉條紋也就顯得比較牽強。量子力學在解釋干涉條紋時則采用的是幾率波的方法，認為亮的地方是光子出現幾率多的地方，暗的地方則是光子出現幾率少的地方。問題是當只有一個光源時，光子是均勻分布在屏幕上的，而當存在另一個相干光源時，按照量子理論光子就會集中出現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象的兩種正統解釋方法。我們對于光本性的認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有光量子理論基礎上進行一些必要的修正即單個光量子的能量是變化的，光子的能量和質量是相互轉化的，轉化的頻率就是光的頻率。頻率快光子的能量大質量小，相反，頻率慢則光子的能量小質量大，這樣光子在空間所走的路程就形成了一條類波的軌跡。在論證光的干涉現象之前，我們先對光源進行定義。單頻率點光源---頻率單一且所有光子在離開光源時的狀態（相位）都相同。單頻率點光源具有這樣兩個特點，其一在距光源某一點的空間位置上，光子的狀態不隨時間變化。其二光子的狀態隨距點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在空間運行的距離。

我們在x軸上設置兩個點光源S1和S2，如圖一所示。令P為垂直平面上的一點，從P點到S1和S2的光程差PS1-PS2為波長的某個正數倍ml （m=±1，2，3，…）。從S1和S2出發的兩列光子，將同相地達到P點，狀態相同。再令Q為垂直平面上的另一點，從Q到S1和S2的光程差也為ml。過P和Q點做一條曲線，使得這曲線上所有過XO的垂直平面內的點的軌跡都具有這樣的性質，即這條曲線上任意一點到S1和S2的距離之差為常數，根據解析幾何我們知道，這曲線是一條雙曲線。如果我們設想這一雙曲線以直線XO為軸旋轉，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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