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txj7301金蟲 (正式寫手)
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粒子觀點對傳統(tǒng)波動說的挑戰(zhàn)與思考 已有1人參與
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第一節(jié) 粒子說與波動說爭論的焦點及各自的不足 近代以來，物理學(xué)取得了豐碩的成果：16世紀天文學(xué)家哥白尼的“日心說”取代了“地心說”，17世紀牛頓提出三大運動定律和萬有引力定律，奠定了經(jīng)典力學(xué)理論的基礎(chǔ)。18世紀發(fā)現(xiàn)了點電荷并建立了庫侖定律，19世紀X射線、放射線和電子的發(fā)現(xiàn)，使物理學(xué)的研究由宏觀進入到微觀，也標志著現(xiàn)代物理學(xué)的產(chǎn)生。20世紀初愛因斯坦提出相對論，德布羅意提出了物質(zhì)波假說，之后薛定諤等人提出了量子力學(xué)，“黑洞”“宇宙大爆炸”假說的提出徹底改變了人們的時空觀念。相比于之前物理學(xué)取得的巨大成就，近幾十年來物理學(xué)卻顯得有些沉寂。實際上阻礙當(dāng)今物理學(xué)發(fā)展的并不是實驗設(shè)備和觀測手段的滯后，而是認識方法和思想觀念的束縛，雙縫干涉實驗打開了潘多拉魔盒，延遲選擇實驗引發(fā)了人類對因果律的質(zhì)疑，“蟲洞”“平行宇宙”等一系列奇思妙想使物理學(xué)發(fā)展逐漸偏離了正確的研究方向。原始返終，當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展的主要瓶頸就是對微觀粒子“波動性”的錯誤認識，而正確認識微觀粒子的粒子本質(zhì)就是徹底解決上述矛上述瓶頸唯一正確有效且明智的選擇。人們對微觀粒子的研究最早是從光子開始的，物理學(xué)發(fā)展史上對光本質(zhì)的認識過程可謂是一波三折，關(guān)于光的本質(zhì)問題物理學(xué)家提出了微粒說和波動說兩種主流觀點，我們將循著歷史的軌跡分析對光的認識過程，并對光的本質(zhì)進行深入探討。 微粒說首占上風(fēng)。17世紀初以牛頓為首的科學(xué)家認為光的本質(zhì)是粒子，光是由一顆顆像小彈丸一樣的微粒組成的粒子流，發(fā)光物體接連不斷地向周圍空間發(fā)射高速直線飛行的光粒子流，一旦這些光粒子進入我們的眼睛沖擊視網(wǎng)膜，就引起了視覺。微粒說可以很好地解釋光的直線傳播、反射和折射現(xiàn)象，又能解釋常見的一些光學(xué)現(xiàn)象，加之牛頓在物理學(xué)領(lǐng)域的巨大威信，所以光的微粒說很快獲得了人們的普遍承認和支持。牛頓指出，在光子進入介質(zhì)時將受到介質(zhì)引力作用，因此光在介質(zhì)中的傳播速度大于光在真空中的傳播速度。1850年傅科用實驗證明光在介質(zhì)中的傳播速度小于真空中的傳播速度，對光的微粒說提出了挑戰(zhàn)。這也是光的微粒說難以解釋的第一個問題：為什么光進入介質(zhì)會減速而離開介質(zhì)又會突然增大速度，并且這一過程可以反復(fù)重復(fù)，是什么原因使光的速度反反復(fù)復(fù)發(fā)生變化的呢？ 波動說取得初步勝利�；莞箞猿终J為光是一種機械波，由發(fā)光物體振動引起，依靠一種特殊的叫做“以太”的彈性媒質(zhì)來傳播。1801年，英國著名物理學(xué)家托馬斯·楊進行了著名的楊氏雙縫干涉實驗，并在此基礎(chǔ)上提出了光的波動說。1808年，拉普拉斯用微粒說分析了光的雙折射線現(xiàn)象，批駁了楊氏的波動說。1809年，馬呂斯在試驗中發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)光在折射時是部分偏振的，因為惠更斯曾提出過光是一種縱波，而縱波不可能發(fā)生這樣的偏振，這一發(fā)現(xiàn)成為反對波動說的有利證據(jù)。1811年，布呂斯特在研究光的偏振現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)了光的偏振定律。光的偏振現(xiàn)象和偏振定律的發(fā)現(xiàn)，使當(dāng)時的波動說一度陷入了困境，物理光學(xué)的研究開始朝著向有利于微粒說的方向發(fā)展。1819年，非涅耳和阿拉戈建立了光波的橫向傳播理論。由于惠更斯認為光在水中的速度小于在空氣中的速度，這與牛頓的觀點正好相反。1850年，法國科學(xué)家傅科采用旋轉(zhuǎn)鏡法分別測量了光在空氣和在水中的速度，證實光在介質(zhì)中的傳播速度小于真空中的傳播速度，為光的波動說再下一城。1882年，德國天文學(xué)家夫瑯和費首次用光柵研究了光的衍射現(xiàn)象。之后，施維爾德根據(jù)光的橫波理論對光柵衍射現(xiàn)象進行了成功的解釋。至此，光的波動學(xué)說普遍獲得了承認。光的波動說取得了勝利說明光的微粒說在解釋干涉衍射現(xiàn)象時遇到了難以解釋的問題，所以光的微粒說難以解釋的第二個問題就是：如何正確解釋光在干涉衍射現(xiàn)象中形成的明暗相間的條紋。 微粒說再次勝利反轉(zhuǎn)。1887年，英國物理學(xué)家麥克爾遜與化學(xué)家莫雷用“以太漂流”實驗否定了“以太”的存在，再次暴露了波動學(xué)說的短板。同年，赫茲在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照射到金屬表面上時有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。普朗克在1900年研究物體熱輻射規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，只有假定電磁波的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的、而是一份一份進行的，計算的結(jié)果才能和試驗結(jié)果相符。愛因斯坦隨后提出了光量子假說，認為光和原子、電子等微粒一樣也具有粒子性，光就是以光速C運動著的粒子流，他把這種粒子叫光量子。光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和光量子理論的提出使光的微粒說重新占據(jù)了歷史舞臺。光電效應(yīng)是波動說面臨的第一個難題，波動理論完全無法解釋光電效應(yīng)，同時，波動說無法解釋光在真空中的傳播問題，也找不到“以太”存在的證據(jù)。 雙方握手言歡--光具有波粒二象性。1921年，康普頓散射實驗證明X射線具有粒子性。1927年，杰默爾和喬治·湯姆森在試驗中證明了電子束具有波的性質(zhì)。后來人們也相繼證明了氦原子射線、氫原子和氫分子射線同樣具有波的性質(zhì)。1961年，克勞斯·約恩松用電子做雙縫實驗，發(fā)現(xiàn)電子也會發(fā)生干涉現(xiàn)象。1974年，皮爾·喬治·梅利用單個的電子做雙縫干涉實驗，也觀測到了干涉條紋。為了兼顧光具有粒子性和波動性的事實，人們認為光既具有粒子性又具有波動性，光的本質(zhì)屬性是波粒二象性。至此，人們普遍認同了物質(zhì)波理論，認為一切物質(zhì)都同時具有波動性和粒子性，光子總是以波的形式在空間分布和傳播，它總是同時通過雙縫中的左縫和右縫、甚至是同時通過3縫、4縫、5縫或者多條縫，而我們一旦對其進行觀測，它就會坍縮為一個點并表現(xiàn)為物質(zhì)實體屬性，這也是量子力學(xué)“測不準”原理描述的內(nèi)容：同一時刻粒子的位置與動量不可能被同時確定。 物質(zhì)波理論無法解釋的問題。就在當(dāng)代物理學(xué)把粒子性和波動性通過膠水工藝粘在一起推出所謂的波粒二象性兼容的“物質(zhì)波”理論，看起來很厲害的樣子，然并卵，問題并沒有得到根本解決，相反電子單縫實驗和延遲選擇實驗（量子擦除實驗）直接顛覆了我們對因果律的認識，造成了更多的困擾－－未來發(fā)生的事情甚至可以改變已經(jīng)發(fā)生的事實，這個推論已經(jīng)把波動理論的缺陷及矛盾推向了極致，也表明波動理論已經(jīng)走向了窮途末路，可悲的是人們并沒有發(fā)現(xiàn)問題到底出在哪而是認為物質(zhì)的本質(zhì)就是如此，更有一些嘍啰為之搖旗吶喊認為世界本來是不確定的或者是不可認知的。由此，微粒說肩負起的一個重要任務(wù)就是：正確解釋電子雙縫實驗延遲選擇實驗（量子擦除實驗），推動物理學(xué)研究重新走向正確的研究發(fā)展道路。 綜上所述，光的波動說無法解釋的問題主要有三個：一是光電效應(yīng)問題，二是光在真空中的傳播介質(zhì)問題；三是合理解釋電子雙縫實驗延遲選擇實驗（量子擦除實驗）。光的粒子模型需要解釋的主要問題也有三個：一是光在介質(zhì)中的傳播速度問題，二是光的干涉衍射現(xiàn)象形成的明暗相間的條紋問題，三是正確解釋電子雙縫實驗延遲選擇實驗（量子擦除實驗）。本章我們將主要圍繞粒子模型需要解釋的三個主要問題進行分析闡述。 第二節(jié)光在介質(zhì)中的傳播速度及其微觀解釋 （一）解釋光在介質(zhì)中的傳播速度的難點問題。1850年，法國科學(xué)家傅科采用旋轉(zhuǎn)鏡法測量了光在空氣和在水中的速度，傅科測得光在空氣中的速度為289000千米每秒。光可以從真空中射向介質(zhì)，同樣可以從介質(zhì)中射向真空，光在真空中的傳播速度為C在介質(zhì)中的傳播速度小于C。解釋光在介質(zhì)中的傳播速度最大難點在于光傳播速度的變化，如一束光在介質(zhì)中以0.8C傳播，此時光從介質(zhì)中進入真空則光速度會突然增大到C，再次進入相同介質(zhì)后速度又會減小到0.8C，傳統(tǒng)微粒模型無法解釋光子速度突然增大或者突然減小的原因，因為沒有任何力的作用使光子突然加速或者突然減速，自然也就無法解釋光子在進入介質(zhì)－真空－介質(zhì)過程中速度反復(fù)變化的現(xiàn)象。 （二）光在介質(zhì)中的傳播速度與真空中的傳播速度相同始終是C�？吹竭@里有人會罵標題黨，我們強烈建議大家花兩分鐘時間看完下面的分析再噴。舉一個簡單的例子，在一條長度為1000公里的公路上公交車和出租車都以相同的每小時60公里的速度行駛，這條公路上每1公里設(shè)有一個車站，按照規(guī)定出租車在每站的停留時間為1分鐘，公交車在每站的停留時間為5分鐘（因為公交車上下車的人比較多需要的時間就長）。則公交車和出租車以相同速度走完這段公路出租車所用時間少于公交車所用時間，也就是說出租車的平均車速大于公交車的平均車速。但實際上，公交車和出租車的速度是相同的都是每小時60公里，只不過公交車在每站停留的時間較長從而使其平均車速較慢，出租車在每站停留的時間較短從而使其平均車速較快。這個簡單例子看不懂的人就洗洗睡吧，不用再往下看了，再看也是浪費時間。 與之類似，光子在真空中和介質(zhì)中的傳播速度始終都是C，只不過光子在真空中傳播時沒有與原子作用，所以其平均速度始終為C；而光子在介質(zhì)中傳播時會不斷與介質(zhì)中的原子發(fā)生碰撞，光子與原子從碰撞到分離是需要一定時間的（就像公交車出租車到每站都要停留一段時間一樣），考慮光子與原子的作用時間后自然就造成光子在介質(zhì)中的平均傳播速度小于C。這里我們提出了光子在介質(zhì)中的平均傳播速度這個概念，平均傳播速度和光子在介質(zhì)中的傳播速度是兩個概念，平均傳播速度永遠小于傳播速度。光子和原子的作用時間指光子與原子從相遇到分離所需要的時間，光子在介質(zhì)中的傳播中會多次遇到介質(zhì)中的原子（就像公路上的車站一樣），光子遇到原子就會短暫停留一小段時間，之后再離開原子繼續(xù)行進，光子在行進的路程上不斷與原子作用(結(jié)合)--分離、傳播極小距離后再與原子作用(結(jié)合)--分離，這一過程不斷重復(fù)，造成光子在介質(zhì)中的平均傳播速度小于光子在真空中的傳播速度。而實際上光子在介質(zhì)中的傳播速度和光子在真空中的傳播速度是一樣的，都是C。光子在介質(zhì)中的平均傳播速度主要取決于光子與原子的作用(結(jié)合)時間長短，光子與原子作用(結(jié)合)時間越長則光子在介質(zhì)中的平均傳播速度越小。實驗表明能量不同的光子在介質(zhì)中的傳播速度是不同的，如紫光在介質(zhì)中的傳播速度小于紅光在介質(zhì)中的傳播速度，波動理論用不同波長的光在同一介質(zhì)中折射率不同來解釋，但是用粒子模型解釋起來更直觀也更加符合實際。 （三）電子內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。如果我們像牛頓那樣簡單把光子看作是一個勻質(zhì)的硬性小球，則無法解釋光子與原子的作用及在介質(zhì)中的傳播問題，所以我們先來學(xué)習(xí)借鑒一下電子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。①電子的本質(zhì)屬性是粒子性，電子具有特定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以吸收光子也可以放出光子并且這一過程可以無限次重復(fù)，所以電子質(zhì)量并非一成不變的而是時刻處于變化之中的。②與原子核“質(zhì)量幻數(shù)”相似，電子也存在若干個不連續(xù)的結(jié)合能極大值――“質(zhì)量幻數(shù)”，每個“質(zhì)量幻數(shù)”對應(yīng)于電子在原子中的一條穩(wěn)定軌道；電子在原子中不同穩(wěn)定軌道上的質(zhì)量是不同的，電子離核越近質(zhì)量越小、離核越遠質(zhì)量越大。③電子離原子核越近質(zhì)量越小、內(nèi)部各部分結(jié)合的越緊密、“饑餓程度”越高因而其結(jié)合光子的能力越強；電子離核越遠質(zhì)量越大、內(nèi)部各部分結(jié)合的就越松散、“饑餓程度”越低、其結(jié)合光子的能力就越弱。④當(dāng)電子與原子核在靜電引力作用下沿著直線相互靠近時，電子會通過“裂變”放出光子獲得反沖從而增大繞核速度，保證其不落入原子核中；電子在遠離原子核時又會迅速吸收光子增加質(zhì)量為下一次“裂變”做好物質(zhì)儲備。⑤原子中處于原子核束縛狀態(tài)的電子只能吸收特定能量的光子，因為只有特定能量的光子和電子結(jié)合后才會處于“質(zhì)量幻數(shù)”--其內(nèi)部結(jié)合力較大足以抵御原子核靜電引力撕扯作用。⑥雖然電子可以吸收光子增大質(zhì)量，但是電子存在“臨界質(zhì)量”，大于“臨界質(zhì)量”的電子都是極不穩(wěn)定的，并將在極短時間內(nèi)裂變放出光子并重新生成能夠穩(wěn)定存在的質(zhì)量較小的電子。 需要特別強調(diào)指出的是：從電子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀點來看，電子的質(zhì)量不能無限增大，現(xiàn)有的實驗無一例外地表明一個事實：不僅電子的質(zhì)量是不能無限增大的，任何一種微觀粒子都存在“臨界質(zhì)量”而不可能無限增大質(zhì)量。我們特別強調(diào)指出這一點的原因是：相對論認為在加速電場中的微觀帶電粒子速度越高質(zhì)量越大，而微觀粒子存在“臨界質(zhì)量”的事實徹底否定了這一觀點，畢竟我們誰也沒有見過拳頭大的電子和足球大的質(zhì)子，甚至也沒有人見過黃豆大的電子和雞蛋大的質(zhì)子，這也為我們揭示相對論的不足埋下伏筆。 如果我們用橫坐標表示電子的質(zhì)量，用縱坐標表示電子內(nèi)部的結(jié)合力，則我們可以大致畫出電子質(zhì)量內(nèi)部結(jié)合力草圖。從圖上可以看出，電子質(zhì)量越小內(nèi)部結(jié)合力越大同時離原子核越近、吸收光子的能力越強，電子質(zhì)量越大內(nèi)部結(jié)合力越小、離原子核越遠、吸收光子的能力越弱，當(dāng)電子吸收了質(zhì)量足夠大的光子后會處于“臨界質(zhì)量”，此時電子不能繼續(xù)吸收光子增大質(zhì)量了，在外界微小擾動作用下電子又會“裂變”放出光子減小質(zhì)量。電子在離原子核較近的“質(zhì)量幻數(shù)”位置可以吸收一個特定能量的光子達到離原子核較遠的另一個“質(zhì)量幻數(shù)”，也可以在離原子核較遠的“質(zhì)量幻數(shù)”位置“裂變”放出一個特定能量的光子從而回到離原子核較近的另一個“質(zhì)量幻數(shù)”位置。電子可以吸收光子也可以“裂變”放出光子來改變自身的運動狀態(tài)，這是深刻認識電子在原子中的運動規(guī)律最重要的一點，由于電子的質(zhì)量占原子質(zhì)量的千分之一以下，所以通常情況下電子質(zhì)量的變化對整個原子質(zhì)量的影響很小，但我們也應(yīng)該能夠觀測出來。事實上在化學(xué)變化中往往伴隨著發(fā)光發(fā)熱現(xiàn)象，物質(zhì)放出了光子肯定損失了質(zhì)量。有噴子指出光子沒有靜質(zhì)量，對這個問題我們將在后面討論。 （四）光子內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。我們認為：①光的本質(zhì)是粒子，自然界中能夠穩(wěn)定存在的光子質(zhì)量是不連續(xù)的，光子的質(zhì)量只能是最小質(zhì)量的整數(shù)倍。②不同質(zhì)量的光子有不同的內(nèi)部結(jié)合力，一般而言光子質(zhì)量越小內(nèi)部結(jié)合力越大，光子質(zhì)量越大內(nèi)部結(jié)合力越小。③光子存在“臨界質(zhì)量”，質(zhì)量大于“臨界質(zhì)量”的光子在自然界中是不穩(wěn)定的，會在極短時間內(nèi)“裂變”生成能夠穩(wěn)定存在的質(zhì)量較小的光子。 如果我們用橫坐標表示光子的質(zhì)量，用縱坐標表示光子內(nèi)部結(jié)合力，則我們同樣可以畫出光子質(zhì)量結(jié)合力草圖。從圖中可以看到：質(zhì)量較小的光子其內(nèi)部結(jié)合力較大；光子可以吸收其它物質(zhì)增大質(zhì)量，比如光子可以吸收若干個引力子增大質(zhì)量；與電子內(nèi)部結(jié)合力類似，質(zhì)量極大的光子由于內(nèi)部結(jié)合力較小在與其它粒子作用時會被其它粒子“掠奪”一部分質(zhì)量，比如在康普頓散射實驗中能量較高的X射線光子被物質(zhì)散射后波長變長（能量變小，實際上是質(zhì)量有損失），這個實驗從一定程度上證明了大質(zhì)量的光子內(nèi)部結(jié)合力較弱，會被其他粒子“掠奪”一部分質(zhì)量。 自然界中穩(wěn)定存在光子的質(zhì)量不連續(xù)的觀點是有實驗事實支持的，上個世紀初物理學(xué)家在研究熱輻射現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)：任何物體只要其溫度在絕對零度以上都會向周圍輻射能量，同時也會從外界吸收能量。普朗克在1900年研究物體熱輻射規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，只有假定電磁波的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的、而是一份一份進行的，計算的結(jié)果才能和試驗結(jié)果相符。愛因斯坦隨后提出了光量子假說，認為光和原子、電子等微粒一樣也具有粒子性，光就是以光速C運動著的粒子流，他把這種粒子叫光量子，每個光量子的能量E=hν。黑體輻射現(xiàn)象和光量子假說無一例外地說明一個事實：光子的能量是一份一份的，自然界中能夠穩(wěn)定存在的光子的能量（質(zhì)量）都是不連續(xù)的，所有光子的能量均為某個最小能量的整數(shù)倍。 （五）光子與原子中的電子的作用規(guī)律。如果我們把原子近似看作一個球體，由于原子核的體積很小只占原子空間的極小一部分（原子核的體積比原子體積小若干個數(shù)量級，可以參考太陽體積與太陽系的體積對比），所以光子穿過原子時與原子核作用的概率極小，也就是說當(dāng)一個光子穿過原子核時光子與原子核相互作用是一個極小概率的事件，一般情況下也可以認為光子不會與原子核作用，所以研究光子與原子的作用主要是考慮光子與原子中的電子的作用。我們知道，原子核外通常有一個或者若干個電子在圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，離原子核越近的電子質(zhì)量越小其運動區(qū)域（以原子核為中心形成的球殼部分）越小、占原子體積的比率也越�。浑x原子核越遠的電子質(zhì)量越大其運動區(qū)域越大、占原子體積的比率也越大。當(dāng)一個光子穿過原子時，由于外層電子的運動區(qū)域較大所以光子與外層電子相遇的概率大于與內(nèi)層電子相遇的概率，而光子與原子內(nèi)層電子相遇作用的概率又大于光子與原子核相遇的概率。所以任一光子在穿越原子時，光子與外層電子的碰撞幾率通常大于光子與內(nèi)層電子的碰撞幾率。 在了解了電子質(zhì)量結(jié)合力曲線以后，很多人認為電子與光子的作用規(guī)律非常簡單：因為電子離原子核越近“饑餓程度”越高、結(jié)合光子的能力也越強，所以必然是離原子核越近的電子吸收光子的幾率越大、離原子核越遠的電子吸收光子的幾率越小。實際上這是初學(xué)者的錯誤觀點，考慮離原子核遠近不同的電子對光子的吸收率不僅要考慮電子內(nèi)部結(jié)合力（“饑餓程度”），還要考慮電子和光子的結(jié)合幾率。 如果我們用橫坐標表示光子的質(zhì)量，用縱坐標表示光子的質(zhì)量，則我們同樣可以畫出不同質(zhì)量電子對不同光子的吸收率曲線草圖(這個比例非常不協(xié)調(diào)，湊合著看)�？梢钥吹剑嘿|(zhì)量較大的電子（外層電子）對能量較小的光子吸收率較大，質(zhì)量較小的電子（內(nèi)層電子）對能量較大的光子吸收率較大。也就是說，原子中的最外層電子對無線電波這些小質(zhì)量的光子吸收幾率較大，而對X射線、γ射線的吸收率較小，一般情況下我們可以認為原子中外層電子不會吸收X射線、γ射線。根本原因在于，原子中的外層電子質(zhì)量本來就比較大、“饑餓程度”低所以結(jié)合光子的能力也小，如果此時電子吸收一個大質(zhì)量光子則有可能質(zhì)量大于“臨界質(zhì)量”，而這樣的電子是極不穩(wěn)定的，由于外層電子時刻受到原子核靜電引力的撕扯作用，而外層電子和大質(zhì)量光子的結(jié)合力是很小的，所以在原子核靜電引力的撕扯作用下外層電子并不會吸收X射線、γ射線這類高能（大質(zhì)量）光子，外層電子總是吸收小質(zhì)量的光子（可能性較大）。在光電效應(yīng)中外層電子吸收一個質(zhì)量較大的光子可以電離（擺脫原子核靜電引力作用形成自由電子），當(dāng)光子的能量（質(zhì)量）繼續(xù)增大時由于外層電子和光子的結(jié)合力變小導(dǎo)致外層電子對能量（質(zhì)量）的光子吸收率減小，當(dāng)電子對光子的吸收率很低時，即使光子能量很大也不會使外層電子電離，所以外層電子幾乎不會吸收X射線、γ射線這類高能（大質(zhì)量）光子。 當(dāng)光子與原子中的內(nèi)層電子作用時，由于內(nèi)層電子離原子核較近質(zhì)量較小、“饑餓程度”較高因而結(jié)合光子的能力較大。那么是不是內(nèi)層電子對光子的吸收率高呢？不是的，一方面內(nèi)層電子的運動區(qū)域小，光子在穿越原子時與內(nèi)層電子作用幾率較小，另一方面由于內(nèi)層電子離原子核較近因而受到原子核靜電引力的撕扯作用也很強，當(dāng)內(nèi)層電子吸收了一個質(zhì)量較小的光子后雖然內(nèi)層電子和光子的結(jié)合力較大，但是如果光子不能使內(nèi)層電子躍遷到離原子核更遠的軌道上，在原子核靜電引力的撕扯作用內(nèi)層電子會很快“裂變”放出光子，如果光子的能量足夠大可以使內(nèi)層電子電離，所以內(nèi)層電子對能量足夠大的光子的吸收率較大。 （六）光電效應(yīng)的微觀解釋。1887年赫茲首先發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)（光電效應(yīng)是指高于特定頻率的光照射在金屬上形成光電流的現(xiàn)象），光電效應(yīng)有如下特點：一是當(dāng)照射光頻率低于截止頻率時沒有電子逸出；二是光電子的初動能與照射光的頻率有關(guān)而與光的強度無關(guān)；三是光電子產(chǎn)生具有瞬時性；四是照射光的強度只影響光電流的強弱。波動理論一是不能解釋為什么照射光存在截止頻率，且不隨光強變化。根據(jù)波動性理論，無論照射光的頻率是多少，只要照射光強足夠大，時間足夠長，電子就能獲得足夠的動能脫離陰極。二是不能解釋為什么電子的產(chǎn)生都是瞬時的。按照波動光學(xué)的觀點，在特定截止電壓下，產(chǎn)生光電效應(yīng)的時間應(yīng)該與光強成反比，但是無論何光的強度如何，只要滿足截止頻率和截止電壓的要求，光電效應(yīng)的產(chǎn)生時間都在10e-14s量級。三是不能解釋為什么存在截止電壓，且只隨頻率變化。按照波動光學(xué)的觀點，脫離陰極的電子的動能應(yīng)該正比于正比于光強和照射時間，因此電子動能上限應(yīng)隨著光強和照射時間而變化，也就是截止電壓會隨著光強變化。 愛因斯坦用光的粒子理論成功解釋了光電效應(yīng)，實際上用光子模型很容易解釋光電效應(yīng)：處于原子核束縛狀態(tài)下的“饑餓”的電子有吸收光子的能力，如果光子的能量足夠大，就有可能和電子結(jié)合后使電子擺脫原子核靜電引力束縛而成為游離態(tài)的自由電子，能量低的光子顯然不能使電子“電離”成為自由電子。由于愛因斯坦的光粒子理論沒有考慮電子內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電子對光子吸收率，造成對光電效應(yīng)的解釋還存在一些缺陷，主要是：一是不能正確解釋電子同時吸收兩個或者兩個以上的低能量光子電離的情況，二是不能正確解釋高于截止頻率高能光子（如高能X射線、γ射線）為什么不能使原子中的外層電子電離成為自由電子的問題，根據(jù)愛因斯坦的假設(shè)只要光子能量足夠大就會使原子中的外層電子電離，但實際上高能光子如γ射線并不能夠使外層電子電離成為自由電子，高能光子如γ射線只能使原子中的內(nèi)層電子電離。由于不是我們討論的重點問題，這里略過。 （七）熱現(xiàn)象的微觀解釋。作為光子和電子的相互作用的一個附加結(jié)論，我們可以順便升級一下分子運動論的理論。一是溫度和化學(xué)反應(yīng)速度的關(guān)系問題。實驗表明：溫度越高化學(xué)反應(yīng)速率越快,溫度越低化學(xué)反應(yīng)速率越慢。分子運動論對此的解釋是：溫度升高,反應(yīng)活化分子數(shù)增多,有效碰撞增加,反應(yīng)速率加快。對氣體而言溫度升高氣體分子之間碰撞的次數(shù)增加，所以化學(xué)反應(yīng)速度加快。但對于混合的固體粉末而言，就有些牽強了：因為固體分子并不像氣體分子那樣可以隨意碰撞。用原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀點來解釋就非常容易理解了：原子是由原子中的原子核和核外電子組成，化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)是電子從一個原子中轉(zhuǎn)移到另一個原子中，當(dāng)然這是一個弱肉強食的過程，在這個過程中電子會“裂變”向外放出光子。溫度越高最外層電子離原子核的距離越遠因而也越容易失去，溫度越低最外層電子離原子核的距離越近因而也越不容易失去。實際上化學(xué)反應(yīng)中的發(fā)光發(fā)熱現(xiàn)象實質(zhì)是電子“裂變”放出光子的過程。二是做功與熱現(xiàn)象。分子運動論籠統(tǒng)地認為摩擦生熱與敲打均是能量轉(zhuǎn)化,相互摩擦的物體表面分子相互碰撞的過程，由機械能轉(zhuǎn)化為熱能。從原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的角度來講很容易解釋摩擦生熱的根本原因：相互摩擦的物體表面分子相互碰撞，必然對分子（原子）產(chǎn)生壓力，而原子中的外層電子受到指向原子核的壓力（徑向壓力）時必然會靠近原子核，電子靠近原子核時其受到的靜電引力必然增大，而原子核靜電引力的增大必然導(dǎo)致其對電子的撕扯作用增大，當(dāng)電子內(nèi)部結(jié)合力不足以抵御原子核靜電引力撕扯作用時它將“裂變”放出光子并獲得反沖從而保證其不落入原子核中。沒有原子系統(tǒng)“裂變”放出光子這個前提做功是無法改變物質(zhì)內(nèi)能的。三是液體的折射率隨著溫度升高而降低。我們都知道，通常情況下液體的折射率隨著溫度升高而降低，用分子運動論的觀點無法從根本上解釋這個問題。用原子結(jié)構(gòu)的觀點就很容易解釋這個問題，原子中不同軌道上的電子對不同光子的結(jié)合力是不同的，電子離核越近結(jié)合光子的能力越強、離核越遠結(jié)合光子的能力越弱，通常情況下溫度越高電子離原子核就越遠，因而和可見光光子結(jié)合力就越弱，宏觀上就表現(xiàn)出液體的折射率隨著溫度升高而降低。 分子運動論無法解釋為什么紅外線的熱效應(yīng)強于可見光、可見光的熱效應(yīng)強于紫外線，當(dāng)代物理理論對此也沒有合理解釋。從電子對不同質(zhì)量光子的吸收率圖上可以看出，只有能量較小的光子才能夠被外層電子吸收，外層電子吸收了紅外線光子后可能躍遷到離核更遠的穩(wěn)定軌道上（徑向遠離），也可能迫使外層電子回到離原子核更近的軌道上（徑向靠近），如果外層電子受到徑向壓力作用回到了離核更近的軌道上，由于離核更近所以原子核靜電引力撕扯作用將增大，此時外層電子會迅速“裂變”放出能量較大的光子（大于其吸收的紅外線光子的能量），由于輸出能量大于輸入能量所以物體的溫度就會升高。為什么可見光的熱效應(yīng)弱于紅外線的熱效應(yīng)呢？這是因為當(dāng)光子能量繼續(xù)增大時，外層電子對光子的吸收率下降，所以外層電子回到離原子核更近的軌道上的幾率也下降，其“裂變”放出光子的幾率也較小。有人指出：可見光的能量更大被次外層的電子吸收的幾率增大，次外層的電子吸收可見光回到離原子核更近的軌道上也會迅速“裂變”放出能量較大的光子，由此可見光的熱效應(yīng)也應(yīng)該很明顯而不會弱于紅外線的熱效應(yīng)。理論上這樣分析沒有錯，但是卻忽略了光子與原子中不同電子的作用幾率。前面我們指出：原子核在原子中占有的空間體積最小，因而光子與原子核的作用幾率是最低的，內(nèi)層電子運動區(qū)域小于外層電子的運動區(qū)域，所以可見光光子與內(nèi)層電子的作用幾率小于紅外線光子與外層電子的作用幾率，所以紅外線的熱效應(yīng)更加明顯。綜合來講，外層電子“裂變”放出光子是物質(zhì)溫度升高的主要原因，也就是說外層電子對物質(zhì)熱現(xiàn)象的貢獻最大。 （八）能量不同光子在介質(zhì)中傳播速度不同的微觀解釋。對于處于原子核靜電引力束縛狀態(tài)下的電子而言，它是處于“饑餓狀態(tài)”的，此時電子結(jié)合光子的能力較強，光子與電子結(jié)合后，在徑向上電子既可能受到遠離原子核的擾動作用也可能受到靠近原子核的擾動作用，光子的能量越大對電子的擾動作用越明顯，光子和原子的相互作用時間也越長。舉一個不恰當(dāng)例子，若設(shè)電子在離原子核500個長度單位的軌道上繞原子核運動，與能量是80個能量單位的光子相遇，如果光子對電子的擾動作用是指向原子核的，則電子就會在這個作用下開始靠近原子核最終電子運動到離核460個長度單位的軌道上（電子向著原子核運動了40個長度單位），此時由于原子核靜電引力撕裂作用大于電子內(nèi)部的凝聚力，電子就會“裂變”重新放出光子80個能量單位的光子并獲得反沖重新回到離核較遠的穩(wěn)定軌道上，從而并避免了被原子核靜電引力拉入原子核。若同樣的電子與能量是150個能量單位的光子相遇，并且光子對電子的擾動作用同樣是指向原子核的，則電子就會在這個作用下開始靠近原子核最終電子運動到離原子核410個長度單位的軌道上電子向著原子核運動了90個長度單位），電子運動到這里時由于迅速增大的原子核靜電引力撕扯作用大于電子內(nèi)部結(jié)合力，電子就會在這里“裂變”重新放出光子。這里我們看到，80個能量單位的光子使電子向著原子核運動了40個長度單位后就與電子分離，而150個能量單位的光子使電子運動了90個長度單位才與電子分離，顯然能量越大的光子和電子從碰撞－－結(jié)合－－分離經(jīng)過的時間就越長，也就是說能量越大的光子和介質(zhì)中原子的作用時間越長，于是在宏觀中就表現(xiàn)為能量越大的光子在介質(zhì)中的平均傳播速度越小。 作為解釋光子在不同介質(zhì)中傳播速度的副產(chǎn)品，也能用電子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和光子相互作用的規(guī)律成功解釋原子明線光譜和暗線光譜的形成，由于不是本章討論重點，這里略去。 第三節(jié) 明暗相間干涉條紋形成的微觀解釋 （一）楊氏雙縫干涉實驗。1801年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊把一支蠟燭（光源）放在一張開了一條窄縫的紙前面，紙后面再開兩道平行的窄縫，從窄縫中射出的光穿過兩條窄縫投射到屏幕上，就會形成一系列明暗交替的條紋，托馬斯·楊稱之為干涉條紋。光的雙縫干涉條紋是一組平行等間距的明暗相間的直條紋。中央為零級明紋，各條紋左右對稱、明暗相間、均勻排列，中間部分各條紋的亮度是基本相同的；如果用白光作實驗,則除了中央亮紋仍是白色的外,其余各級條紋形成從中央向外由紫到紅排列的彩色條紋；對于同一條雙縫，入射光波長越長屏幕上形成的條紋就越寬。 波動理論認為：光的干涉現(xiàn)象是兩列或多列相干光源在空間相遇時相互疊加，在某些區(qū)域始終加強，在另一些區(qū)域則始終削弱，從而形成穩(wěn)定的強弱分布的現(xiàn)象。只有兩列光波的頻率相同、相位差恒定、振動方向一致的相干光源才能產(chǎn)生干涉。由兩個普通獨立光源發(fā)出的光，因為不可能具有相同的頻率，更不可能存在固定的相差，所以不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。這個解釋猛的一看沒什么問題，可是仔細一看還不如猛的一看：因為根本就無法解釋單個光子或者單個電子產(chǎn)生的干涉條紋，以致于推導(dǎo)出未來發(fā)生的事可以改變已經(jīng)發(fā)生的事這種荒謬的結(jié)論。 粒子觀點解釋干涉衍射現(xiàn)象明暗相間的條紋最基本的觀點就是：“亮條紋”是粒子能夠到達的地方，“暗條紡”則是粒子無法到達的地方，也就是說“暗條紡”并不是什么條紋。那么為什么微觀粒子在連續(xù)的作用力下會表現(xiàn)出不連續(xù)的現(xiàn)象呢？我們認為：內(nèi)因是決定事物發(fā)展變化的根本原因，外因是事物發(fā)展變化的重要條件。對于光子而言，正是由于能夠穩(wěn)定存在的光子質(zhì)量的不連續(xù)導(dǎo)致光子只能到達不連續(xù)的地方。為了更好地闡述我們的觀點，先來看一個原子核衍射假想實驗的例子。 （二）原子核衍射假想實驗。假設(shè)某種元素有一種質(zhì)量數(shù)為200的原子核，并且這種元素還存在著質(zhì)量數(shù)分別為205、210、215和220的同位素，除了這5種穩(wěn)定同位素以外，該元素不存在其它同位素（或者說該元素即使存在其他質(zhì)量數(shù)的同位素，但由于這些同位素極不穩(wěn)定，在形成的瞬間就會衰變成以上5種能夠穩(wěn)定存在的同位素，所以也可以認為其他同位素是不存在的）。質(zhì)量數(shù)為200的原子核只要能夠吸收數(shù)量足夠多的中子，就會立即形成能夠穩(wěn)定存在的質(zhì)量數(shù)為205、210、215和220的其它4種同位素。那么質(zhì)量數(shù)為200的原子核吸收了6個、7個、8個、9個中子后會怎么樣呢？很顯然，只會形成質(zhì)量數(shù)為205的穩(wěn)定原子核并放出1個、2個、3個、4個中子。同樣，質(zhì)量數(shù)為200的原子核吸收了11個、12個、13個、14個中子后會立即形成質(zhì)量數(shù)為210的新原子核并放出1個、2個、3個、4個中子�？梢姡|(zhì)量數(shù)為200的原子核只能吸收特定數(shù)量的中子，在同一時刻并不是任意數(shù)量的中子都能夠被原子核吸收。 現(xiàn)在開始實驗。在一個完全密閉真空環(huán)境中，用一個粒子源持續(xù)不斷地向外發(fā)射質(zhì)量數(shù)為200的原子核，并在離粒子源不遠處用足夠厚的鉛塊設(shè)置一條寬度為a窄縫（設(shè)置鉛塊的目的是為了讓原子核只能通過窄縫打在屏幕上），在這條窄縫后分別通以密度足夠大、自上而下和自下而上源源不斷運動的中子流，在距離窄縫一定距離處放置一個接收屏，只要有原子核打在接收屏上就會形成一個亮點，原子核沒有到達的地方則不會有亮點；大量原子核連續(xù)到達的地方會形成亮條紋，原子核沒有到達的地方則是暗區(qū)。 實驗中如果我們打開向上發(fā)射的中子發(fā)射源，則原子核在這些中子的作用下可能向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)；如果我們打開向下發(fā)射的中子發(fā)射源，則原子核在這些中子的作用下可能向下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不考慮重力作用則中央亮紋兩側(cè)的亮紋是對稱分布的。一般情況下，質(zhì)量數(shù)為200的原子核通過窄縫以后，大部分原子核可能沒有吸收中子，這一點很好理解，因為質(zhì)量數(shù)為200的原子核同時與5個以上中子作用并形成新的穩(wěn)定原子核的幾率是很小的，而當(dāng)該原子核與1個、2個、3個、4個中子作用時又不會吸收這些中子，所以大部分原子核都沒有機會吸收足夠多的中子形成新的、能夠穩(wěn)定存在的原子核。當(dāng)原子核與1個、2個、3個、4個中子作用時，由于原子核質(zhì)量遠遠大于中子質(zhì)量，可以認為原子核與中子間發(fā)生的是彈性碰撞，原子核僅吸收中子極小的沖量作用并發(fā)生較小的偏轉(zhuǎn)，這樣大部分原子核通過寬度為a的窄縫后會在顯示屏上形成寬度略大于a的中央亮條紋。同時也有少數(shù)原子核可能會吸收5個、10個、15個和20個中子而形成質(zhì)量數(shù)為205、210、215和220的4種同位素，此時由于原子核全部吸收了中子的沖量，其運動軌跡就會發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)，很顯然：吸收5個中子的原子核偏轉(zhuǎn)角度＜吸收10個中子的原子核偏轉(zhuǎn)角度＜吸收15個中子的原子核偏轉(zhuǎn)角度＜吸收20個中子的原子核偏轉(zhuǎn)角度。這樣在中央亮紋以上，最多可以依次形成寬度為a的4條亮條紋。 如果我們打開向下發(fā)射的中子發(fā)射源，同樣在中央亮條紋以下，最多可以形成寬度為a的4條亮條紋。很顯然，如果不考慮原子核的質(zhì)量，則質(zhì)量數(shù)為205、210、215和220的幾種同位素在屏幕上的偏移量之比等于它們吸收的中子數(shù)之比，為5∶10∶15∶20，即：1∶2∶3∶4，也就是說這些亮條紋幾乎是等間距的。這里我們看到：質(zhì)量數(shù)為200的原子核通過窄縫后，在中子的作用下并不會在屏幕上形成連續(xù)的亮區(qū)，而是會在屏幕上形成等間距的亮條紋。由于沒有吸收中子的原子核占絕大多數(shù)，所以中央亮紋的亮度最大；同時由于原子核吸收5個中子的幾率>原子核吸收10個中子的幾率>原子核吸收15個中子的幾率>原子核吸收20個中子的幾率，所以有中央亮紋的亮度＞第一條亮紋的亮度>第二條亮紋的亮度>第三條亮紋的亮度＞第四條亮紋的亮度。同時，中子流的密度越大則中央亮紋兩側(cè)的條紋就會越明亮也越容易觀測到；中子流的密度越小則中央亮紋兩側(cè)的條紋越暗也越不容易觀測到，這一點與光的衍射現(xiàn)象是相似的。 改變實驗條件，如果質(zhì)量數(shù)為200的原子核只有質(zhì)量數(shù)為205、210、215的三種同位素，則原子核通過窄縫后只能在中央亮紋兩側(cè)各形成3條亮紋，如上圖。 如果質(zhì)量數(shù)為200的原子核只有質(zhì)量數(shù)為205、210的其它兩種同位素，則原子核通過窄縫后只能在中央亮條紋兩側(cè)各形成2條亮紋，如上圖。 如質(zhì)量數(shù)為200的原子核只有質(zhì)量數(shù)為205的同位素，則原子核通過窄縫最多只能在中央亮條紋兩側(cè)各形成1條亮紋，如上圖。 如果該元素只有質(zhì)量數(shù)為200的原子核而不存在其它質(zhì)量數(shù)的同位素，則屏幕上只能形成中央亮紋而不會出現(xiàn)其它亮紋（當(dāng)我們持續(xù)增大中子流密度，屏幕上只會出現(xiàn)一片連續(xù)的亮區(qū)但依然不可能出現(xiàn)明暗相間的條紋），如上圖。 這個實驗中需要特別強調(diào)指出的是：在原子核吸收中子的假想實驗中，到達屏幕上不同位置的原子核質(zhì)量是不同的，到達同一條紋位置的原子核質(zhì)量相同、到達不同條紋位置的原子核質(zhì)量不同。所有到達中央亮紋處的原子核質(zhì)量都是200，到達第一條亮紋處的原子核質(zhì)量都是205，到達第二條亮紋處的原子核質(zhì)量都是210，到達第三條亮紋處的原子核質(zhì)量都是215，而到達第四條亮紋處的原子核質(zhì)量都是220。每一個原子核的最終落點都有其物質(zhì)基礎(chǔ)而不是幾率決定的，或者說不是偶然的而是必然的。我們把原子核經(jīng)過窄縫后與中子流作用并到達屏幕上不同的位置的現(xiàn)象稱作“中子調(diào)制”，原子核經(jīng)過“中子調(diào)制”后保留了不同的“調(diào)制信息”（吸收中子數(shù)量不同、造成原子核質(zhì)量不同、運動狀態(tài)改變不同），從而在屏幕上形成不同的亮紋。 與原子核衍射假想實驗類似，光子的干涉衍射現(xiàn)象是由引力引起的，到達屏幕上不同位置的光子的質(zhì)量是不同的，宏觀上表現(xiàn)在光子在引力作用下的不連續(xù)特征，光子的干涉現(xiàn)象也與之類似。 （三）光的衍射現(xiàn)象的形成原因。中央亮紋的形成。如圖，當(dāng)一束激光經(jīng)過寬度為a的窄縫時必然會受到縫的引力作用，為方便起見我們把窄縫引力影響區(qū)域簡化為1265矩形區(qū)域。一般情況下，窄縫引力影響區(qū)域可以平均分成合力向上區(qū)域和合力向下區(qū)域，窄縫中3421區(qū)域內(nèi)引力合力向上、越靠近窄縫上底部引力越大；3465區(qū)域引力合力向下、越靠近窄縫下底部引力越大；窄縫中心線（34線）處的引力合力為零。大量光子經(jīng)過窄縫后，大部分光子可能都沒有機會吸收足夠多的引力子而發(fā)生較大角度偏轉(zhuǎn)，這些光子雖然沒有吸收足夠多的引力子但仍然會受到多個引力子極小的沖量作用，在這個沖量作用下，經(jīng)過3421區(qū)域（引力合力向上）的光子會以一個微小的角度向上偏轉(zhuǎn)，形成投射到屏幕上的efhg亮區(qū)（形成中央亮紋的上半部分）；經(jīng)過3465區(qū)域的光子會以一個微小的角度向下偏轉(zhuǎn)，形成投射到屏幕上的ghji亮區(qū)（形成中央亮紋的下半部分），這樣所有經(jīng)過窄縫引力影響區(qū)域而沒有吸收足夠數(shù)量引力子的光子最終投射在顯示屏上形成中央亮紋（efji亮區(qū)）。可見，屏幕上中央亮紋是經(jīng)過窄縫后沒有吸收引力子的光子的集合。由于經(jīng)過窄縫后沒有吸收引力子的光子往往占絕大多數(shù)，這些光子經(jīng)過窄縫后會投射到屏幕上形成中央亮紋，所以中央亮紋的亮度是最大的。 其它亮紋的形成。因為中央亮紋兩側(cè)的亮紋是對稱分布的，所以我們只需要集中精力討論任意一半就可以了，這里我們討論中央亮紋以下各亮紋的形成。很顯然，中央亮紋以下第一亮紋是由經(jīng)過3465區(qū)域吸收了“最小吸收基數(shù)”個引力子的光子偏轉(zhuǎn)投射在屏幕上形成的。假設(shè)經(jīng)過窄縫的光子質(zhì)量為100，而引力子的質(zhì)量為0.001，由于質(zhì)量為100的光子只有同時吸收至少1000個引力子才可能形成新的、能夠穩(wěn)定存在的質(zhì)量為101的新光子，并且由于新光子完全吸收了1000個引力子向下的沖量因而向下偏轉(zhuǎn)的角度較大，這個新光子會投射在屏幕上中央亮紋以下第一條亮紋區(qū)域內(nèi)。若干個經(jīng)過3465區(qū)域并且吸收了1000個引力子光子偏轉(zhuǎn)投射在屏幕上就形成第一條亮紋。 同樣，質(zhì)量為100的光子還可能吸收“最小吸收基數(shù)”整數(shù)倍的引力子，也就是同時吸收2000個、3000個……n＊1000個引力子。光子吸收了2000個引力子則會投射在屏幕上形成第二條亮紋、吸收了3000個引力子則會形成第三條亮紋……屏幕上的第n條亮紋也是這樣形成的。一般有：中央亮紋處的光子質(zhì)量＜第一亮紋處的光子質(zhì)量＜第二亮紋處的光子質(zhì)量……＜第n亮紋處的光子質(zhì)量。同一亮紋處的光子質(zhì)量相同、不同亮紋處的光子質(zhì)量不同，光子在屏幕上的不同位置是由光子質(zhì)量決定的而不是幾率決定的。 由于經(jīng)過窄縫3465引力影響區(qū)域的光子受到的引力合力是向下的，光子經(jīng)過該區(qū)域時只有光子同時吸收了1000個引力子時它才可能形成新的質(zhì)量為101的新光子，而由于新光子完全吸收了1000個引力子對其向下的沖量，所以它的運動軌跡就要向下發(fā)生較大的偏移，并投射到屏幕上形成第一條亮紋。因為在3465引力影響區(qū)域內(nèi)從上到下引力合力逐漸增大，理論上講越靠近區(qū)域底部光子就越有可能吸收更多的引力子，所以經(jīng)過窄縫底部區(qū)域的光子吸收的引力子數(shù)目可能是1000個，也可能是2000個、3000個……甚至是N×1000個，這樣它們分別投射在屏幕上就形成第二條、第三條……甚至是第N條亮紋。 （四）干涉條紋形成的原因。從光源發(fā)出的光經(jīng)過單縫后投射到雙縫上最終會在屏幕上形成明暗相間的干涉條紋，直接用激光束照射雙縫也會在屏幕上形成明暗相間的干涉條紋。設(shè)兩條縫間距為d，雙縫到屏幕的距離為D，屏幕中心位置為O，則在O點處會出現(xiàn)中央明條紋。 為了更清楚地研究雙縫對光的影響，我們把雙縫放大，圖中左側(cè)從上到下構(gòu)成雙縫的分別是物質(zhì)實體A、上縫（1265區(qū)域）、雙縫中間物質(zhì)實體O、下縫（abfe區(qū)域）和物質(zhì)實體B，簡單來說就是3個物質(zhì)實體夾著兩條窄縫并形成兩個可透光的引力場。一般情況下我們認為物質(zhì)實體A、雙縫中間物質(zhì)實體O和物質(zhì)實體B都是不透光的，光子不能通過物質(zhì)實體A、中間物質(zhì)實體O和物質(zhì)實體B，光子只能通過雙縫中的上縫1265區(qū)域和下縫abfe區(qū)域投射在屏幕上。 如圖，對于上縫所在1265區(qū)域來說，如果沒有下縫物質(zhì)實體B的影響，則上縫1265區(qū)域可平均分成合力向上的部分（1243區(qū)域）和合力向下的部分（3465區(qū)域），這兩個區(qū)域大小一致，中間34線處引力合力為零。有了物質(zhì)實體B的影響情況就不同了，物質(zhì)實體B的存在相當(dāng)于增大了中間物質(zhì)實體O的引力場，并且物質(zhì)實體B越靠近上縫對中間物質(zhì)實體O引力的加成作用越大。既然中間物質(zhì)實體O的引力增大，那么上縫1265區(qū)域中引力合力向下的部分必然增大（也就是3465區(qū)域相應(yīng)增大），引力合力為零的34中線必然就要相應(yīng)地向上移動，引力合力向上的區(qū)域（1243區(qū)域）必然減小。顯然，物質(zhì)實體B越靠近上縫，上縫引力合力為零的34中線就向上移動的越多，導(dǎo)致上縫引力合力向下的3465區(qū)域就越大、引力合力向上部分1243區(qū)域就越小。兩縫距離越近這個影響就越大，兩縫距離越遠這個影響就越小。如果兩縫相距足夠遠，那么每一條縫都可以看作單縫，此時激光束照射在這兩條縫上將產(chǎn)生衍射條紋。 對于下縫abfe區(qū)域同樣如此，由于上縫處物質(zhì)實體A的影響，下縫區(qū)域引力合力向上的部分（abdc區(qū)域）增大、引力合力向下的部分（cdfe區(qū)域）減小，并且兩縫距離越近影響就越大。雙縫距離越近則下縫區(qū)域引力合力向上的部分就越大，投射在屏幕上的條紋寬度也相應(yīng)增大; 雙縫距離越遠則下縫區(qū)域引力合力向上的部分就越小，投射在屏幕上的條紋寬度也相應(yīng)減小。所以雙縫間距減小時干涉條紋間距變大、雙縫間距增大時干涉條紋間距變小。 如圖，對于上縫來說其引力可分為向上部分（1243區(qū)域）和向下部分（3465區(qū)域），其中引力向下部分（3465區(qū)域）對中央亮紋、中央亮紋以下的第一條亮紋和中央亮紋以下的第二條亮紋的形成做出了貢獻（也有可能對中央亮紋以下的第三條、第四條或者更多亮紋做出貢獻）；引力向上部分（1243區(qū)域）僅對中央亮紋以上的第三條亮紋的形成做出了貢獻（也有可能對中央亮紋以上的第四條、第五條或者更多亮紋做出貢獻）。同樣，對于下縫來說其引力也可分為向上部分（abdc區(qū)域）和向下部分（cdfe區(qū)域），其中引力向上部分（abdc區(qū)域）對中央亮紋、中央亮紋以上的第一條亮紋和中央亮紋以上的第二條亮紋的形成做出了貢獻；引力向下部分（cdfe區(qū)域）僅對中央亮紋以下的第三條亮紋的形成做出了貢獻。 雙縫干涉條紋還有一個特點需要我們注意，因為構(gòu)成雙縫的物質(zhì)實體對縫的引力場有疊加作用，造成上下縫的引力場向上和向下的部分不同，總是靠近中間物質(zhì)物體O的引力區(qū)域變大。對于上縫來說，就是引力合力向下的3465區(qū)域大于引力合力向上的1243區(qū)域；對于下縫來說，就是引力合力向上的abdc區(qū)域大于引力合力向上的cdfe區(qū)域。既然引力疊加作用造成了每條縫的合力向上部分和合力向下部分并不是平均的，由此造成的干涉條紋寬度也是不同的。對于上縫來說，經(jīng)過3465區(qū)域的光形成的亮紋寬度要大于經(jīng)過1243區(qū)域的光形成的亮紋寬度；對于下縫來說，經(jīng)過abdc區(qū)域的光形成的亮紋寬度要大于經(jīng)過cdfe區(qū)域的光形成的亮紋寬度。由于各條紋在中央亮紋兩側(cè)是對稱分布的，上縫處產(chǎn)生一條亮紋下縫處同樣會產(chǎn)生一條亮紋，上下縫的亮紋條數(shù)之和為偶數(shù)，再加上中央亮紋，所以一共有奇數(shù)條亮紋寬度是比較寬的，而離開中央亮紋一定距離的第n條亮紋寬度會迅速減小。簡單來說就是雙縫干涉條紋中，總有奇數(shù)條條紋寬度較寬，而在較寬條紋以外離中央亮條紋較遠處的亮紋寬度會迅速減小。 揭開電子雙縫干涉和光子“延遲選擇實驗”之謎 有人把電子雙縫干涉實驗稱為十大經(jīng)典物理實驗之首，認為這個實驗顛覆了人們對世界原本的認識，讓人匪夷所思、毛骨悚然。眾多有志之士試圖解決這個問題并為之不懈努力，也有一些人對此一知半解卻喜歡發(fā)表見解，一些視頻、揭秘文章讀來讓人啼笑皆非，最常見的錯誤就是把電子通過雙縫后遇到觀測會使電子呈現(xiàn)兩條亮紋（表現(xiàn)出“粒子性”）強加到光子上，認為光子通過雙縫后一旦觀測也會出現(xiàn)兩條亮紋表現(xiàn)出“粒子性”。實際上電子雙縫實驗表明：電子經(jīng)過雙縫后受到雙縫的“調(diào)制信息”非常容易丟失，外界極其微小的擾動都能夠使電子丟失“調(diào)制信息”而呈現(xiàn)“粒子性”條紋，比如實驗設(shè)備觀測的影響；但是光子經(jīng)過雙縫后受到雙縫的“調(diào)制信息”卻不容易丟失，比如我們可以在水中做光子雙縫干涉實驗，光子經(jīng)過雙縫后受到介質(zhì)水的影響依然能夠形成明暗相間的條紋，只有強力擦除才能使光子丟失“調(diào)制信息”（量子擦除實驗）。電子雙縫干涉實驗和延遲選擇實驗深刻揭示了傳統(tǒng)波動理論的重大缺陷，也預(yù)示著當(dāng)代量子力學(xué)將迎來新的重大發(fā)展。 為了全面揭秘電子雙縫干涉之謎和光子延遲選擇實驗，本章節(jié)我們將重點討論四個問題：一是光子（電子）同時到底通過了幾條縫？二是光到底是不是波？三是單光子可以形成明暗相間的“干涉條紋”。四是光的反射能夠形成明暗相間的“干涉條紋”。 （一）電子雙縫干涉實驗。上個世紀科學(xué)家普遍認為電子作為一種實物粒子，通過雙縫后將在屏幕上打出兩條亮紋，就像子彈通過雙縫后將在屏幕上形成兩條彈著點一樣（如下圖所示）。1961年，蒂賓根大學(xué)的克勞斯·約恩松用電子束做了雙縫干涉實驗，發(fā)現(xiàn)電子通過雙縫后在屏幕上形成了明暗相間的條紋（“干涉條紋”）。 1974年，克勞斯·約恩松將電子一粒一粒的發(fā)射出來并讓它通過雙縫，當(dāng)?shù)谝粋�電子到達屏幕以后過一段時間再發(fā)射第二個電子（目的是為了確保第一個電子不會對第二個電子產(chǎn)生影響），經(jīng)過足夠長的時間之后屏幕上依然出現(xiàn)了干涉條紋（若干條等寬的亮紋）。 波動理論認為電子雙縫干涉條紋的產(chǎn)生是電子間相互干涉的結(jié)果（即通過左縫的電子與同時通過右縫的電子間產(chǎn)生了干涉），如果是成對的電子同時通過雙縫還好理解，但問題是電子發(fā)射源每次只發(fā)射一個電子屏幕上依然產(chǎn)生了干涉條紋。那么單一電子在跟誰干涉呢？它到底通過哪條縫呢？這是波動理論所不能解釋的。弄清楚電子到底從哪條縫通過方法很簡單，我們搬一個小板凳坐在上縫或者下縫處吃著西瓜盯著看，當(dāng)然這是不可能做到的，但科學(xué)家的思路和吃瓜群眾是一樣的。 為了搞清楚單個電子到底是從哪條縫經(jīng)過的、電子有沒有同時通過雙縫，科學(xué)家還是蠻拼的，他們在雙縫后加了一個觀測儀器（用實驗儀器代替了吃瓜群眾），實驗成功地觀測到電子通過了左縫、右縫、左縫、右縫……，并且實驗中發(fā)現(xiàn)同一時刻電子只通過一條縫。但更神奇的事情發(fā)生了：不加裝探測裝置觀測的時候，電子表現(xiàn)出波的特性（在屏幕上形成明暗相間的干涉條紋），而一旦加裝探測裝置電子就表現(xiàn)出粒子性（在屏幕上形成兩條亮紋）。為了排除光子對實驗的影響，科學(xué)們又做出了一種既不影響電子、又能觀測到電子的裝置，這種觀測儀器不發(fā)光、只接收光，但得到結(jié)果還是一樣：不觀測電子就表現(xiàn)出波動性、一旦觀測電子就表現(xiàn)出粒子性。在經(jīng)歷多次實驗以后，科學(xué)家們普遍認同了這一觀點：一旦我們觀測電子就表現(xiàn)為粒子性，如果我們不觀測電子就表現(xiàn)出波動性，于是有人提出人類的意識會影響最終的實驗結(jié)果。 當(dāng)代物理學(xué)對電子雙縫實驗的主流解釋為哥本哈根詮釋：光子（電子）總是以波的形式在空間分布和傳播，當(dāng)外界對光子（電子）進行了成功探測時就會使光子（電子）波函數(shù)坍縮成一個點。這種觀點認為在電（光子）的雙縫實驗中，電（光子）總是以波的形式同時通過雙縫中的上縫和下縫，如果光波在上縫處被探測到，那么同時以波的形式通過下縫的光波就會消失，因為光的波函數(shù)會在上縫處坍縮成一個點；同樣，如果光波在下縫處被探測到，那么同時以波的形式通過上縫的光波就會消失。 既然電子的運動狀態(tài)會因為吃瓜群眾的參與（實驗儀器的觀測）而發(fā)生改變，那么電子是怎樣知道我們是否進行了觀測？難道它是智慧生物？電子雙縫干涉實驗結(jié)果驚得我們手里的瓜掉在地上摔得稀碎，我們的智商似乎被小小的電子按在地上摩擦，必須得把這個問題弄明白了。 （二）光子延遲選擇實驗（量子擦除實驗）。既然電子好像能夠未卜先知，從剛一離開發(fā)射器的時候就事先知道前面有探測它行進路徑的儀器，所以就從波形態(tài)轉(zhuǎn)變成粒子形態(tài)，如果我們經(jīng)過巧妙設(shè)計將觀測儀器放到雙縫后面的位置，然后等電子離開雙縫一段時間之后，再決定是否打開儀器來記錄電子的路徑。這樣電子之前是以粒子狀態(tài)通過一條縫、還是以波的形態(tài)通過雙縫，完全取決之后我們?nèi)绾芜x擇--打開或關(guān)閉記錄儀器。按照這個思路，約翰·惠勒于1979年提出了著名的“延遲選擇實驗”。 “延遲選擇實驗”的基本思路是用涂著半鍍銀的反射鏡來代替雙縫，使一個光子有一半可能通過反射鏡、一半可能被反射，波動理論認為這是一個量子隨機過程，跟光子選擇雙縫還是單縫本質(zhì)上是一樣的。把反射鏡和光子入射途徑擺成45度角，那么它一半可能直飛，另一半可能被反射成90度角。我們可以通過另外的全反射鏡，把這兩條分開的岔路再交匯到一起。在終點觀察光子飛來的方向，這樣我們就可以確定它究竟是沿著哪一條道路飛來的。我們也可以在終點處再插入一塊呈45度角的半鍍銀反射鏡，這又會造成光子的自我干涉（注意這里判斷光子發(fā)生自我干涉的依據(jù)是屏幕上形成了明暗相間的干涉條紋）。如果我們仔細安排位相，我們完全可以使得在一個方向上的光子呈反相而相互抵消（即光子到達不了這一方向），而在一個確定的方向輸出（光子能夠到達確定的方向）。這樣的話我們每次都得到一個確定的結(jié)果(就像每次都得到一個特定的干涉條紋一樣)，根據(jù)量子派的說法，此時光子必定同時沿著兩條路徑而來!總而言之，如果我們不在終點處插入半反射鏡，光子就沿著某一條道路而來，反之它就同時經(jīng)過兩條道路。關(guān)鍵問題是，是否在終點處插入半透鏡，可以等到光子實際通過了第一塊反射鏡并且已經(jīng)快要到達終點時才決定：我們在終點處插入半透鏡就會形成干涉條紋由此推論光子應(yīng)該沿著兩條道路前進；反之如果我們在終點處不插入半透鏡就會在X探測器或者Y探測器中觀測到光子，由此推論光子應(yīng)該只沿著一條道路前進。換句話說，我們可以在事情發(fā)生后再來決定它應(yīng)該怎樣發(fā)生! 雖然聽上去令人難以接受，但這卻是哥本哈根派的一個正統(tǒng)推論!在惠勒的構(gòu)想提出5年后，馬里蘭大學(xué)的卡洛爾·阿雷和其同事真的做了一個延遲實驗，其結(jié)果證明，如果選擇在終點處插入半透鏡還是不放半透鏡會得到兩個截然相反的結(jié)果--如果不在終點處插入半反射鏡，光子就沿著某一條道路而來；如果在終點處插入半反射鏡，光子就會同時經(jīng)過兩條道路而來。后來不斷有人對該實驗進行了改進并不斷重復(fù)都得到了相同的結(jié)果。 這里我們要特別強調(diào)指出一個問題：電子雙縫干涉實驗驗證不了電子從哪個縫經(jīng)過的問題，于是科學(xué)家就設(shè)計出了光子“延遲選擇實驗”來解決這個問題，但是“延遲選擇實驗”使用的并不是電子而是光子！不是電子！不是電子！因為實驗用到的粒子是光子，所以通過這個實驗認為電子同時通過雙縫的結(jié)論并不可��！雖然作為吃瓜群眾的我們并不會做這個實驗，但我們挑毛病的本領(lǐng)卻是一流的，這就像雞和鴨都是家禽－－鴨會游泳而雞會刨地，據(jù)此我們不能認為雞同時會游泳和刨地一樣，我們不能用光子實驗來驗證電子的性質(zhì)，這個實驗設(shè)計本身就有問題，并且是一個很幼稚的常識性錯誤。物理學(xué)家認為電子和光子都微觀粒子都有波粒二象性，所以電子通過雙縫的行為和光子通過雙縫的行為是相同的，實際上這是對微觀粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)不了解造成的：光子不帶電而電子帶一個單位負電荷，光子可以在水中傳播很遠而電子即使在空氣中也傳播不遠等等。很多吃瓜群眾由此認為光子和電子通過雙縫的行為是一致的：電子通過雙縫后會在觀測作用下表現(xiàn)出粒子性，所以光子一經(jīng)觀測也會表現(xiàn)出粒子性。 光子與電子雙縫干涉現(xiàn)象的區(qū)別。光子和電子通過雙縫后都可以形成干涉條紋，這是兩者的相同點。從微觀角度來講，光子、電子和原子都能夠吸收特定數(shù)目的引力子，也會吸收引力子的沖量作用，從而改變原來的運動軌跡到達屏幕上不同的位置。簡單來說就是微觀粒子在連續(xù)作用的引力下顯示出不連續(xù)的運動狀態(tài)（可參考《引力作用有極小值》一文）。 兩者的不同點在于：光子和引力子的結(jié)合較為緊密而電子和引力子的結(jié)合較為松散。表現(xiàn)在：光子經(jīng)過雙縫后再次經(jīng)過凸透鏡匯聚后仍然可以在屏幕上形成干涉條紋，也就是說光子在經(jīng)過雙縫后再次與外界物質(zhì)作用時不會“裂變”放出引力子，凸透鏡不會抹掉光子經(jīng)過雙縫時引力作用的調(diào)制信息。在空氣中光通過雙縫后會形成明暗相間的干涉條紋，如果我們在水中做相同的實驗也能夠得到干涉條紋，只不過條紋的間距變小了，也就是說光子經(jīng)過雙縫后的引力調(diào)制信息較不容易丟失。但電子經(jīng)過雙縫后的調(diào)制信息極易丟失，甚至在外界輕微擾動作用下就會立即丟失原來的信息。比如我們用電子做雙縫干涉實驗，在真空中電子通過雙縫后會形成明暗相間的條紋干涉，當(dāng)我們在雙縫加一個儀器以觀測電子到底通過哪條縫時，電子會立即“裂變”放出引力子并表現(xiàn)出粒子性特征，當(dāng)我們把觀測對電子的努力減小時也會讓電子“裂變”放出引力子，總之電子受到極其微小的擾動作用就會丟失雙縫加在其上的調(diào)制信息。 （三）貨車拉瓜實例。為了解釋電子雙縫干涉實驗和光子延遲選擇實驗、用通俗易懂地闡述清楚我們的觀點，我們來看一個傷害性不大但侮辱性極強的簡單例子。拿吃瓜群眾吃瓜的例子來講，既然要吃瓜肯定需要車拉。假設(shè)有一輛載重5噸的小貨車，行駛在一條筆直的、非常平坦的公路上，小貨車裝滿了5噸西瓜、此時已經(jīng)滿載再也裝不下西瓜了（可以認為西瓜在這輛小貨車車廂里堆成了圓錐形，再也放不下西瓜了，再放就會滾下來）。小貨車經(jīng)過一個路口時遇到車主的一個朋友，有幾個蘋果要順路捎帶回家，雖然此時貨車再也裝不下西瓜了但再裝幾個蘋果是沒有問題的，車主就把蘋果放在了西瓜上。小貨車通過檢查站時，如果沒有人檢查拿走蘋果貨車司機就會拐彎去朋友家；如果有人發(fā)現(xiàn)把蘋果拿走則貨車司機就會一直向前行駛（因為不用再拐彎去朋友家）。我們可以把裝滿西瓜的小貨車看作自由電子，把貨車經(jīng)過的路口看作雙縫，小貨車經(jīng)過路口會多幾個蘋果，就像自由電子經(jīng)過雙縫變?yōu)椤俺R界狀態(tài)”一樣。電子通過雙縫時觀測成功就表現(xiàn)出粒子性而沒有觀測就表現(xiàn)出波動性，同樣地，貨車拉瓜例子中有人檢查貨車就直線行駛、沒有人檢查貨車司機就會拐彎，似乎人的意識會影響貨車的行駛路線。 為了排除人的意識影響，我們用機器代替人來檢測是否有車輛通過。用一臺機器源源不斷地從公路一側(cè)向著另一側(cè)拋出一個個高速運動的皮球，如果沒有車輛經(jīng)過則皮球?qū)⒌竭_公路的另一側(cè)，如果有車輛通過則皮球?qū)⒎磸椈貋淼竭_計數(shù)器，合理調(diào)節(jié)發(fā)射皮球的時間間隔就能夠保證每一輛車通過時都會有皮球被反彈回來到達計數(shù)器。雖然皮球的質(zhì)量相對于貨車來講幾乎可以忽略不計，但是皮球的碰撞對貨車的影響卻不能夠忽略。由于蘋果直接放在圓西瓜上本身就很不穩(wěn)定，當(dāng)皮球與貨車碰撞后，貨車受到震動蘋果會立即滾落下來；而當(dāng)皮球沒有與貨車碰撞時貨車頂部的蘋果就不會滾落下來，由此也產(chǎn)生了同樣的結(jié)果：當(dāng)我們用機器檢測時貨車運動運動軌跡就是直線，當(dāng)我們沒有用機器檢測時貨車運動將拐彎去朋友家。既然皮球的碰撞對貨車有影響，那我們就做一個不直接接觸小貨車的檢測。用一輛高速行駛的大貨車從小貨車旁邊經(jīng)過，當(dāng)大貨車高速經(jīng)過小貨車時，由于高速行駛大貨車氣流的影響小貨車將會發(fā)生擺動，這時小貨車頂上的蘋果同樣會掉下來，而大貨車不從小貨車旁邊經(jīng)過時蘋果就不會掉下來。這和我們間接觀測電子發(fā)出的光子依然會影響電子的運動軌跡是同樣的道理。電子能夠吸收特定數(shù)量的引力子并處于“超臨界狀態(tài)”，“超臨界狀態(tài)”的電子受到外界微小擾動會立即“裂變”并改變原來的運動狀態(tài)。 （四）明暗相間的“干涉條紋”并不是光子間的干涉作用形成的。我們認為，光子通過雙縫后在屏幕上形成的明暗相間的“干涉條紋”并不是光子間的干涉作用形成的，因為我們在實驗中并沒有直接觀測到兩個光子之間發(fā)生了相互干涉。其理由如下： 光源一次發(fā)出幾個光子？如果認為光是粒子（具有波粒二象性），波動理論認為至少兩個或者兩個以上的光子才能發(fā)生相互干涉，據(jù)當(dāng)代物理學(xué)原子光譜的知識我們知道，原子發(fā)光時一次只能發(fā)出一個光子。有人認為，光源一次并不是只發(fā)出一個光子而是發(fā)出多個光子，姑且認為這種說法是正確的。我們讓光源發(fā)出的光運動一段距離后再決定縫的數(shù)量，如果認為光源一次只發(fā)出一個光子，那么我們就讓這一個光子通過雙縫，按照常理一個光子或者通過左縫或者通過右縫，所以不可能發(fā)生相互干涉，但經(jīng)過足夠長時間后屏幕上依然能夠形成明暗相間的“干涉條紋”；如果認為光源一次可以發(fā)出兩個光子，那么我們就讓這兩個光子通過單縫或者3縫，按照常理這些光子也不可能發(fā)生干涉，但實際經(jīng)過足夠長時間后屏幕上依然能夠形成明暗相間的“干涉條紋”……，這里我們發(fā)現(xiàn)無論怎樣改變縫的條數(shù)，屏幕上總能夠得到明暗相間的“干涉條紋”，為了解釋這個問題，科學(xué)家們作出了這樣的解釋：光子總是以波的形式在空間中傳播，遇到雙縫的時候它就會分成兩個部分，遇到3縫的時候會自動分成3個部分，遇到4縫的時候又會自動分成4個部分……，不管你們信不信，我反正不信，下面我們來揭示這個假設(shè)的不合理之處。 光波一次能夠通過幾條縫？如果認為光是波動（具有波粒二象性），根據(jù)波動理論，光源一次發(fā)出一個光子時實際上是發(fā)出了一個波動，那么，這個波動的寬度是多少？波動一次能夠通過幾條縫？我們知道，光在真空中傳播時是有一定的速度的，在光前進的道路上放置一條單縫則光波通過單縫后會在屏幕上形成衍射條紋，在光前進的道路上放置兩條雙縫則光波通過雙縫后會在屏幕上形成干涉條紋，放置三條雙縫則光波通過三縫后會在屏幕上形成光柵衍射條紋，這里我們看到，光波通過單縫時光波以整體形式通過單縫、通過雙縫時分成兩部分通過雙縫、通過三縫時又會分成三部分通過三縫……通過n縫時又會分成n部分通過n縫，光波是怎樣知道前面是單縫、雙縫、三縫還是多縫的，它又是怎樣根據(jù)縫的數(shù)量把自己分成一個或者多個部分的？如果認為光源發(fā)出的光波是一個整體，在光波前進時我們迅速把前面的單縫換成雙縫，則此光波會迅速分成兩個部分；若我們把單縫換成三縫，則此光波會迅速分成三個部分……。如果認為光源發(fā)出的光波是兩個部分，則我們就用三縫來招待它，屏幕上同樣會形成明暗相間條紋，表明光波從兩個部分變成了三個部分。據(jù)此推理，則光波具有智慧，它會根據(jù)前面出現(xiàn)的單縫、雙縫還是多縫迅速把自己變成一部分、兩部分或者多個部分，顯然這種解釋是不可取的，只能更為深刻地揭示了波動理論的失敗和不可取。 一個感光片揭示的波動假說的矛盾。哥本哈根詮釋認為：光子（電子）總是以波的形式在空間分布和傳播，當(dāng)外界對光子（電子）進行了成功探測時就會使光子（電子）波函數(shù)坍縮成一個點。這種觀點認為在光的雙縫實驗中，光總是以波的形式同時通過雙縫中的上縫和下縫，如果光波在上縫處被探測到，那么同時以波的形式通過下縫的光波就會消失，因為光波函數(shù)在上縫處坍縮成一個點；如果光波在下縫處被探測到，那么同時以波的形式通過上縫的光波就會消失。 實驗器材很簡單，找一個雙縫用一個透明感光介質(zhì)把雙縫中的下縫填滿并保證下縫感光介質(zhì)每次都能使通過的光子感光，用這個改造后的雙縫做實驗。當(dāng)一個光子通過雙縫時由于這個光子總是以波的形式通過同時通過上縫和下縫，光波在通過下縫時必然被介質(zhì)感光，那么同時通過上縫和下縫的光波由于被介質(zhì)感光（相當(dāng)于被我們成功觀測到），就會立即在下縫處坍縮成一個點變成粒子形態(tài)，同時從上縫通過的光波就會立即消失，既然從上縫經(jīng)過的光波會因為坍縮消失則光波無論如何也不會從上縫處通過。此時屏幕上會形成什么樣的條紋呢？根據(jù)波動理論的推理，如果感光介質(zhì)是透明的則屏幕上會出現(xiàn)一條亮紋，這是由于觀測導(dǎo)致光子坍縮顯示粒子性特征從而打在屏幕上形成一條亮紋；如果感光介質(zhì)不透明則屏幕上什么條紋也沒有（下縫不透明不能夠讓光通過，而下縫處的感光介質(zhì)能夠讓通過此處的光波感光坍縮由些造成上縫波函數(shù)消失，所以上縫處也不會有光通過）。有吃瓜群眾指出，如果雙縫的下縫不透明，那么這樣的雙縫至少還有一條可以讓光子自由通過的上縫，光子即使通過一條上縫至少也會在屏幕上形成衍射條紋，怎么會什么也得不到呢？很明顯這是有悖于常理的。 我們都知道，在雙縫實驗中用一個透明薄云母片或玻璃片蓋住下縫，屏幕上形成的依然是干涉條紋只不過整個干涉條紋會向下移動；接下來我們把下縫用薄云母片或玻璃片填滿，屏幕上形成的依然是干涉條紋只不過整個干涉條紋向下移動；隨后，我們在填滿下縫的薄玻璃片涂一層感光介質(zhì)，接下來就是見證奇跡的時刻了。如果下縫的感光介質(zhì)不透明，根據(jù)波動理論，一個光子在以波的形式同時通過雙縫時會在下縫處坍縮成一個點變成粒子形態(tài)，由于光波不能從上縫經(jīng)過而下縫又不透明（也不能從下縫經(jīng)過），所以屏幕上什么也得不到。實際上，即使雙縫的下縫不透明、但至少還有一條可以讓光子自由通過的上縫，光子即使通過一條上縫至少也會在屏幕上形成衍射條紋，怎么會什么也得不到呢？這和實驗結(jié)果完全不符。同樣地，如果下縫的感光介質(zhì)透明，根據(jù)波動理論，光波同樣不能從上縫經(jīng)過，這樣光波在下縫處坍縮成一個點后會在屏幕上形成一條亮紋，但實際上光波經(jīng)過用感光介質(zhì)填滿一條縫的雙縫后仍然會在屏幕上形成雙縫干涉條紋，只不過整個條紋向下移動，同時整個干涉條紋的亮度有所減弱。 退一萬步來講，我們在感光介質(zhì)挖兩條縫并形成了事實上的雙縫，雙縫占有的空間是小于感光介質(zhì)占有的空間的，光波與感光介質(zhì)作用的幾率遠遠大于光波穿過雙縫的幾率，那么光波是如何識別并且準確穿過雙縫的呢？第一種觀點，認為光波不會與感光介質(zhì)作用，顯然這是不可能的，即使我們承認光波不與感光介質(zhì)作用，那么它又怎樣在屏幕上形成單獨的亮點呢？如果光波不與感光介質(zhì)作用，那么它同樣也不會與屏幕作用，所以屏幕上應(yīng)該什么也得不到。第二種觀點，認為穿過雙縫的光波都是漏網(wǎng)之魚，或者說光波的方向性極強，實際上這也變相承認了光的粒子性。我們知道，雙縫的距離是可以調(diào)節(jié)的，無論我們怎樣調(diào)節(jié)雙縫的距離，光波都能夠識別并且準確穿過雙縫，除了用光波具有智慧以外我們想不出還有什么解釋。 這里我們看到，無論感光介質(zhì)透明還是不透明，波動理論都無法得到正確的結(jié)論，這個假想實驗也深刻揭示了波動理論的重大缺陷。要從根本上解決這個問題，只有徹底拋棄波動理論，重新認識光的粒子模型。我們認為光子一次通過一條縫時也能夠在屏幕上形成明暗相間的“干涉條紋”。實際上這個實驗很早之前就有人做過，不過并沒有引起足夠的重視。 （五）光子通過單縫形成明暗相間干涉條紋的實例（雙棱鏡實驗）。 在菲涅耳雙棱鏡實驗中，當(dāng)遮住雙棱鏡的一半時形成的亮條紋形狀不變、亮度減小。比如遮住雙棱鏡的上半部分時，由于通過的光減小了一半，導(dǎo)致觀測到的亮紋亮度變暗，但是因為通過雙棱鏡下半部分光仍然存在，所以條紋形狀仍然不會變化；當(dāng)遮住雙棱鏡的下半部分時形成的亮條紋形狀不變、亮度減小一半。這個實驗表明：使雙棱鏡的一半同樣可以形成干涉條紋，那么當(dāng)遮住雙棱鏡的上半部分時，實際上只有一個光源但依然形成了明暗相間的條紋，這個實驗就是光子通過單縫后依然形成了明暗相間的“干涉條紋”的有力證明。有吃瓜群眾認為僅靠這一個實驗并不能很好地證明，接下來我們再來看另一個實驗。 （六）光子經(jīng)過反射后形成明暗相間干涉條紋的實例。 康普頓效應(yīng)。1923年康普頓在研究X射線被較輕物質(zhì)(石墨、石蠟等)散射時發(fā)現(xiàn)，散射譜線中除了有波長與原波長相同的成分外，還有波長較長的成分，其波長的改變量與散射角有關(guān)，而與入射光波長和散射物質(zhì)都無關(guān)，這種散射現(xiàn)象稱為康普頓散射或康普頓效應(yīng)。康普頓發(fā)現(xiàn)：散射光中除了和原波長相同的譜線外還有波長大于原波長的譜線；波長的改變量隨散射角的增大而增加；對于不同元素的散射物質(zhì)，在同一散射角下，波長的改變量相同，散射光強度隨散射物原子序數(shù)的增加而減小。康普頓散射只有在入射光的波長與電子的康普頓波長相近時散射才顯著，這就是選用X射線觀察康普頓效應(yīng)的原因，而當(dāng)入射光是可見光或紫外光康普頓效應(yīng)并不明顯。 康普頓認為散射光波長改變是光子和電子作彈性碰撞的結(jié)果，碰撞過程同時滿足動量守恒和能量守恒；若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子，散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長；若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子碰撞，光子將與整個原子交換能量，由于光子質(zhì)量遠小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變；因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。 在康普頓實驗中，如果我們把檢測系統(tǒng)換成一塊屏幕，則X射線經(jīng)過散射后會在屏幕上形成明暗相間的干涉條紋，并且越靠近屏幕頂部X射線光子的能量就越�。úㄩL越長）、越靠近屏幕底部X射線光子的能量就越大，充分說明X射線衍射現(xiàn)象中到達不同條紋的光子質(zhì)量是不同的。這個實驗說明單個光子經(jīng)過反射后也能夠形成明暗相間的“干涉條紋”，同時充分證明了明暗相間的“干涉條紋”并不是光子間的“干涉作用”形成的。 那么，為什么光子質(zhì)量（頻率）越大康普頓效應(yīng)越明顯呢？從微觀光子結(jié)構(gòu)角度來講，光子質(zhì)量越大其內(nèi)部各部分之間結(jié)合的就越松散，因而越容易被原子中處于“饑餓狀態(tài)”的電子“掠奪”一部分質(zhì)量從而使光子的質(zhì)量（頻率）改變越明顯。在本文的最后，我們需要強調(diào)的是，既然光子經(jīng)過反射（折射）后能夠形成明暗相間的條紋，那么延遲選擇實驗就不需要我們做任何解釋了。 （四）電子雙縫干涉實驗和光子延遲選擇實驗的微觀解釋。 電子雙縫干涉實驗最簡單最直接的解釋。我們認為，電子的本質(zhì)屬性是粒子性，在雙縫實驗中電子只能通過雙縫中的一條縫，在雙縫引力作用下電子改變運動軌跡打在屏幕上形成了一個亮點。這個過程實際上就是電子在經(jīng)過雙縫時吸收了特定數(shù)量的引力子改變軌跡的過程，由于電子和引力子的結(jié)合并不是十分緊密，所以一旦有外界擾動（儀器觀測影響），電子就會迅速“裂變”放出引力子丟失雙縫引力加在電子上的調(diào)制信息，并仍以原來的運動軌跡打在屏幕上形成兩條亮紋。從目前來看，這種觀點是對電子雙縫干涉實驗最簡單最直接最符合事實的解釋，但很多人卻不愿意相信。 我們知道，原子核可以吸收一個或者幾個中子發(fā)生“裂變”、兩個原子核也可以在一定條件下發(fā)生“聚變”并放出巨大的能量這個已經(jīng)有實驗證明，電子也可以“裂變”放出光子同時放出一定的能量，電子“裂變”放出的能量比原子核“裂變”放出的能量小若干個數(shù)量級，但依然能夠被我們直接觀測到，通常情況下大量電子“裂變”放出光子的突出標識就是會發(fā)光發(fā)熱。由于引力子質(zhì)量非常小，電子“裂變”放出引力子的過程伴隨的能量釋放極其微小也極不明顯，目前我們還無法直接觀測到。但是電子運動狀態(tài)的改變卻可以由屏幕上形成的條紋來間接證實，如果電子在屏幕上形成明暗相間的干涉條紋則說明電子經(jīng)過雙縫后沒有“裂變”放出引力子，如果電子在屏幕上形成兩條亮條紋則說明電子受到了干擾發(fā)生“裂變”放出引力子并改變了運動軌跡。一些噴子看到這里認為這是民科腦洞大開的想象，沒有任何科學(xué)依據(jù)，如果這個問題這么簡單的話國外科學(xué)家早就解決了，我們對此不作評價。 延遲選擇實驗（量子擦除實驗）的微觀原因。正因為光子與引力子的結(jié)合比電子與引力子的結(jié)合更緊密，所以光子經(jīng)過雙縫后的“調(diào)制信息”也更不容易丟失，比如說光子經(jīng)過雙縫后即使經(jīng)過水介質(zhì)依然能夠在屏幕上形成明暗相間的條紋，或者經(jīng)過透鏡后依然能夠在屏幕上形成明暗相間的條紋，但是我們可以用更加有力的量子擦除實驗來剝奪雙縫加在光子上的“調(diào)制信息”，當(dāng)電子丟失雙縫“調(diào)制信息”表現(xiàn)出和電子一樣的“粒子性”－－在屏幕上形成兩條亮紋。 |
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2021-06-09 09:42:31, 7.04 M
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