從光的干涉現象談光的本性
Talking about light nature from interference of light
文章摘要：對於光的本性的認識，幾個世紀以來始終存在着激烈的爭論，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，其原因是到現在爲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於屏幕的光線與屏幕的交點爲中心向四周逐漸變暗的。但這種變化決不是機率問題。證明如下：把S1放在一個半徑爲R1的球的中心，假設S1在單位時間裏發射出N個光子，則單位球面積上所接受的光子數等於光子數N除以球的總面積4πR12，如果把球的半徑由R1變爲R2（R2＞R1），則在單位球面積上所接受的光子數就變爲N除以4πR22，由於R2大於R1，所以半徑爲R1的球在單位球面積上接受的光子數大於R2球單位面積上的光子數。這就是爲什麼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，就可以近似的認爲屏幕上的光子是均勻分佈的。
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。因爲干涉現象是波動的最主要特徵，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採用的是機率波的方法，認爲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。問題是當只有一個光源時，光子是均勻分佈在屏幕上的，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，機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機率描述單個粒子行爲的厭惡。這就是目前對於光的干涉現象的兩種正統解釋方法。我們對於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？
爲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週期變化。光的波長指的是光子在一個週期的時間內在空間執行的距離。
我們在x軸上設定兩個點光源S1和S2，如圖一所示。令P爲垂直平面上的一點，從P點到S1和S2的光程差PS1-PS2爲波長的某個正數倍m （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爲垂直平面上的另一點，從Q到S1和S2的光程差也爲m。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的距離之差爲常數，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爲軸旋轉，則它將掃出一個曲面，叫做雙曲面。我們看到，在這曲面上的任意一點，來自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的狀態是一定的，沿曲面上的點的狀態是週期變化的。由於光的波長很短，光子沿曲面的這種週期變化是不容易被觀測到。
同理，我們令T爲垂直平面上的另一點（圖中未畫出），從T點到S1和S2的光程差TS1-TS2爲波長的/2×（2m+1）倍（m=±1，2，3，…）。從S1和S2出發的兩列光子，將以1800的相位差達到T點。再令V爲垂直平面上的另一點（圖中未畫出），從V到S1和S2的光程差也爲道長/2×（2m+1）倍。過T和V做一條曲線使這曲線上任一點到兩定點S1和S2的距離之差爲常數，這曲線也是一條雙曲線，以XO爲軸旋轉同樣將掃出一雙曲面。所不同的是來自S1和S2的光子到達這曲面上的任意一點的相位差始終爲1800，疊加後的最終狀態是一個恆定的值。
圖一是在S1到S2的距離爲3，P點的光程差爲PS1-PS2=2（m=2）這一簡單情況下畫出的。m=1的那條雙曲線是垂直平面內光程差爲的那些點的軌跡。光程差爲零（m=0）的各點的軌跡是過S1S2中點的一條直線。由它繞XO旋轉而成的將是一個平面。圖中還畫出m= -1和m= -2的雙曲線。在這種情況下，這五條曲線繞XO旋轉而產生五個曲面，這五個曲面將S1和S2兩光源所形成的能量場分成了6個左右對稱的無限延伸的能量空間。屏幕上亮線將出現在屏幕與諸雙曲面相交的那些曲線的任何所在位置上。 如果兩點光源間的距離是許多個波長，則將存在許多曲面，在這些曲面上各光子相互加強。因而在平行於兩光源連線的屏幕上，將形成許多明暗相間的雙曲線（幾乎是直線）干涉條紋。而在垂直於兩光源連線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係是光程差相差一個，暗條紋與相鄰明條紋之間相差/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。
爲了檢驗以上的設想是否正確，這裏我結合光的干涉實驗和光電效應實驗設計了一個簡單實驗。第一步用光干涉儀產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，當然採用的單色光源頻率要在臨閾頻率之上，觀察產生光電子動能的大小。如果按照現有光量子理論，光電子的動能應該是不變的，原因是光子的能量只與光的頻率有關而與光的亮度無關，干涉後光的頻率並沒有變化，所以在從明到暗的條紋上，測得的光電子的動能應該是不變的。再從量子理論的觀點來分析，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，光子的動能並沒有改變，所以結論也是光電子的動能不變。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，產生的光電子的動能是從大到小連續變化的。
如果實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物粒子，因爲實物粒子也具有波粒二象性，即一切實物粒子自身的能量與質量之間始終處在不停地相互變化中，這也正是量子力學波函數所要描述的微觀世界粒子的客觀實在圖像。