对于光的本性的认识

假设有一个光源S1，一个屏幕被放置在S1前面，从S1发射的光(光子)将均匀地照亮整个屏幕。我们知道屏幕的亮度与落在屏幕上的光子数量有关。严格地说，在垂直于屏幕的光线和屏幕相交的地方，屏幕的亮度逐渐变暗。但这种变化绝不是偶然的。证明如下:S1位于半径为R1的球的中心。假设S1在单位时间内发射n个光子，单位球面积内接收的光子数等于光子数n除以球的总面积4πR12。如果球的半径从R1变为R2 (R2 > R1)，单位球面积接收到的光子数将变为n除以4πR22。由于R2比R1大，半径为R1的单位球区域接收的光子数比R2的单位球区域接收的光子数多。这就是为什么屏幕上的亮度从亮到暗逐渐变化。当屏幕和光源之间的距离大而屏幕的面积小时，屏幕上的光子可以近似地认为是均匀分布的。现在把另一个相干光源S2 *放在S1附近，情况已经变了。在垂直于两个光源的平面上，出现亮和暗的圆圈，而在平行于两个光源的平面上，出现亮和暗的条纹。见图1，这就是人们所说的光的干涉条纹。因为干涉现象是波动最重要的特征，所以它已经成为光波动最有力的证据之一。我们知道机械波是振动在介质中的传播。当有两个相干波源时，介质中任何一点的振动都是两个波分别到达该点时的叠加。当到达该点的两个波的相位相同时，该点的振幅最大。如果两个波的相位相差1800°，振动的振幅就会互相抵消，从而形成规则的干涉条纹。经典光学用机械波方法来证明光的干涉条纹，而传输光的介质以太被证明是不存在的，这使得用机械波方法来证明光的干涉条纹显得牵强。量子力学在解释干涉条纹时使用概率波方法。它认为亮的地方是光子出现概率高的地方，而暗的地方是光子出现概率低的地方。问题是，当只有一个光源时，光子会均匀地分布在屏幕上，而当有另一个相干光源时，根据量子理论，光子会集中在一些地方而不是去其他地方，概率的解释不能被有把握地接受。爱因斯坦利用上帝不掷骰子来表达他不喜欢用概率来描述单个粒子的行为。这是对光干涉的两种正统解释。在我们对光的本质的理解中，有没有其他我们没有考虑的因素，有没有其他的证明方法来统一光的波粒二象性，也就是用理论解释来解释波粒二象性？为了找到这个新理论，我们必须在现有光量子理论的基础上做一些必要的修正，即改变单个光量子的能量，光子的能量和质量相互转换，转换的频率就是光的频率。频率快的光子能量大，质量小。相反，低频率的光子能量小，质量大。因此，光子在空间中行进的距离形成了一个波状轨迹。在演示光的干涉现象之前，我们首先定义光源。单频点光源——单频点光源和所有光子以相同的状态(相位)离开光源。单频点光源有两个特点，一是光源在空间某一点的光子状态不随时间变化。两个光子的状态随着离点光源的距离而周期性变化。光的波长指的是光子在一段时间内在空间中行进的距离。我们在x轴上设置了两个点光源S1和S2，如图1所示。假设p是垂直面上的一个点，从p到S1和S2的光程差PS1-PS2是波长(m = 1，2，3，...)。从S1和S2开始的两列光子将同相到达p点，并且具有相同的状态。设q是垂直面上的另一个点，从q到S1和S2的光程差是m1。做一条通过点P和Q的曲线，这样垂直平面上通过这条曲线上XO的所有点的轨迹都具有这样的性质，即这条曲线上的任何点与距离S1和S2之间的差是常数。根据解析几何，我们知道这条曲线是双曲线。如果我们假设这条双曲线以直线XO为轴旋转，它将扫出一个曲面，称为双曲面。我们可以看到，在曲面上的任何一点上，来自S1和S2的光子总是同相的(相位差保持不变)，曲面上每个点上光子的状态是恒定的，沿着曲面上的点的状态周期性地变化。因为光的波长很短，光子沿曲面的周期性变化不容易观察到。类似地，假设t是垂直平面上的另一点(图中未示出)，并且从t到S1和S2的光程差TS1-TS2是波长(m =+-1，2，3，...)。从S1和S2开始的两列光子将以1800的相位差到达T点。设v为垂直面上的另一点(图中未示出)，从v到S1和S2的光程差也是长长度的1/2×2 m1倍。画一条穿过T和V的曲线，这样曲线上任何一点到两个固定点S1和S2的距离之差就是常数。这条曲线也是一条双曲线。围绕XO旋转也会扫出一个双曲面。不同之处在于，来自S1和S2的光子到达曲面上任何一点的相位差总是1800，叠加后的最终状态是一个恒定值。图1是在S1和S2之间的距离为3l并且p点处的光程差为PS1-PS2=2l(m=2)的简单条件下绘制的。m=1的双曲线是那些在垂直面上光程差为l的点的轨迹。光程差为零(m=0)的每个点的轨迹是通过S1S2中点的直线。它围绕XO旋转形成的平面将是一个平面。该图还显示了m=-1和m=-2的双曲线。在这种情况下，这五条曲线围绕XO旋转以产生五个曲面，这将由S1和S2光源形成的能量场分成六个左右对称的无限延伸的能量空间。屏幕上的亮线将出现在那些曲线上屏幕与双曲线相交的任何地方。如果两个光源之间的距离是多个波长，那么将会有许多曲面，光子在这些曲面上相互增强。因此，在平行于连接两个光源的线的屏幕上，将形成许多明暗交替的双曲(几乎直的)干涉条纹。在垂直于连接两个光源的线的屏幕上，将形成许多明暗交替的圆形干涉条纹。两个相邻亮条纹之间的关系是光程差相差1 L，而暗条纹和相邻亮条纹之间的差是1/2。干涉条纹从亮到暗到亮的相位变化是从同相到相差1800°到同相。为了检验上述假设是否正确，这里我设计了一个简单的实验，结合光干涉实验和光电效应实验。在第一步中，光和暗干涉条纹由光学干涉仪产生。在第二步中，光电池从亮到暗依次放置在不同的位置。当然，单色光源频率应该高于阈值频率，以观察产生的光电子动能的大小。根据现有的光量子理论，光电子的动能应该是恒定的，因为光子的能量只与光的频率有关，而与光的亮度无关，而且光的频率在受到干扰后不会改变，所以在从亮到暗的条纹上测量的光电子动能应该是恒定的。从量子论的观点来看，光子出现在明亮地方的概率很大，而光子出现在黑暗地方的概率很小。光和阴影只是单位面积上的光子数不同，光子的动能没有变化，所以结论是光电子的动能保持不变。然而，我的结论是，从亮到暗，干涉条纹中的光子数是相同的，产生的光电子的动能从大到小不断变化。如果实验的结果与我的推论一致，我们不妨将这个结论推广到所有的物理粒子，因为物理粒子也具有波粒二象性，即所有物理粒子的能量和质量都在不断地相互变化，这也是量子力学波函数所描述的微观世界中粒子的客观真实图像。