光本性的研究論文

　　【摘要】對于光的本性的認識，多年來(lái)始終存在著(zhù)激烈的爭論，本文試圖從微粒說(shuō)的角度來(lái)簡(jiǎn)要的探討一下光的本性，希望與廣大同行共勉。

　　【關(guān)鍵詞】光本性微粒

　　許多學(xué)者在解釋一些現象如干涉和衍射時(shí)，人們就用波動(dòng)說(shuō)去解釋?zhuān)�而對另一些現象如光電效應就用微粒說(shuō)去說(shuō)明。這種既是微粒又是波的存在，觀(guān)念上確實(shí)叫人們不容易接受，其原因是到現在為止還沒(méi)有一種理論能很好地把波動(dòng)和微粒統一在一個(gè)模式下。假設有一個(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的多少有關(guān)的。嚴格地說(shuō)，屏幕的亮度是以垂直于屏幕的光線(xiàn)與屏幕的交點(diǎn)為中心向四周逐漸變暗的。但這種變化決不是機率問(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等于光子數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(shí)，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(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，則出現了明暗相間的條紋，這就是人們所說(shuō)的光的干涉條紋。因為干涉現象是波動(dòng)的最主要特征，所以這也就成了光具有波動(dòng)性的最有力證據之一。我們知道機械波是振動(dòng)在媒質(zhì)中的傳播，當有兩列相干波源存在時(shí)，媒質(zhì)中任意一點(diǎn)的振動(dòng)是兩列波各自到達這一點(diǎn)時(shí)波的疊加。當到達這一點(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，這樣就形成了有規則的干涉條紋。經(jīng)典光學(xué)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(zhì)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(xué)在解釋干涉條紋時(shí)則采用的是機率波的方法，認為亮的地方是光子出現機率多的地方，暗的地方則是光子出現機率少的地方。問(wèn)題是當只有一個(gè)光源時(shí)，光子是均勻分布在屏幕上的，而當存在另一個(gè)相干光源時(shí)，按照量子理論光子就會(huì )集中出現在一些地方而不去另一些地方，機率的解釋是不能使人心悅誠服地接受的。愛(ài)因斯坦曾用上帝不擲骰子來(lái)表達他對用機率描述單個(gè)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(méi)有考慮到的因素，是否還存在其它的證明方法來(lái)統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有光量子理論基礎上進(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)量是相互轉化的，轉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(lèi)波的軌跡。在論證光的干涉現象之前，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(kāi)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(cháng)指的`是光子在一個(gè)周期的時(shí)間內在空間運行的距離。

　　我們在x軸上設置兩個(gè)點(diǎn)光源S1和S2，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(cháng)的某個(gè)正數倍ml（m=±1，2，3，…）。從S1和S2出發(fā)的兩列光子，將同相地達到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(xiàn)，使得這曲線(xiàn)上所有過(guò)XO的垂直平面內的點(diǎn)的軌跡都具有這樣的性質(zhì)，即這條曲線(xiàn)上任意一點(diǎn)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(xiàn)是一條雙曲線(xiàn)。如果我們設想這一雙曲線(xiàn)以直線(xiàn)XO為軸旋轉，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(cháng)很短，光子沿曲面的這種周期變化是不容易被觀(guān)測到。

　　同理，我們令T為垂直平面上的另一點(diǎn)，從T點(diǎn)到S1和S2的光程差TS1-TS2為波長(cháng)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的相位差達到T點(diǎn)。再令V為垂直平面上的另一點(diǎn)，從V到S1和S2的光程差也為道長(cháng)l/2×（2m+1）倍。過(guò)T和V做一條曲線(xiàn)使這曲線(xiàn)上任一點(diǎn)到兩定點(diǎn)S1和S2的距離之差為常數，這曲線(xiàn)也是一條雙曲線(xiàn)，以XO為軸旋轉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。

　　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(xiàn)。由它繞XO旋轉而成的將是一個(gè)平面。在這種情況下，這五條曲線(xiàn)繞XO旋轉而產(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)左右對稱(chēng)的無(wú)限延伸的能量空間。屏幕上亮線(xiàn)將出現在屏幕與諸雙曲面相交的那些曲線(xiàn)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(cháng)，則將存在許多曲面，在這些曲面上各光子相互加強。因而在平行于兩光源連線(xiàn)的屏幕上，將形成許多明暗相間的雙曲線(xiàn)（幾乎是直線(xiàn)）干涉條紋。而在垂直于兩光源連線(xiàn)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。為了檢驗以上的設想是否正確，這里我結合光的干涉實(shí)驗和光電效應實(shí)驗設計了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)驗。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，當然采用的單色光源頻率要在臨閾頻率之上，觀(guān)察產(chǎn)生光電子動(dòng)能的大小。如果按照現有光量子理論，光電子的動(dòng)能應該是不變的，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，測得的光電子的動(dòng)能應該是不變的。再從量子理論的觀(guān)點(diǎn)來(lái)分析，明亮的地方光子出現的機率大，暗的地方光子出現的機率小，明暗只是單位面積上光子數不同而已，光子的動(dòng)能并沒(méi)有改變，所以結論也是光電子的動(dòng)能不變。而我的結論則是在從明到暗的干涉條紋上光子數是一樣的，產(chǎn)生的光電子的動(dòng)能是從大到小連續變化的。

　　如果實(shí)驗的結果與我所做的推論一致，我們不妨把這一結論推廣到一切實(shí)物粒子，因為實(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)波函數所要描述的微觀(guān)世界粒子的客觀(guān)實(shí)在圖像。

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