牛頓提出光的&34;後曾取得了巨大的成功,但是由於&34;解釋不了光的幹涉衍射現象而被摒棄。由於自然科學發展的局限,牛頓的時代還認識不到光可以在引力作用下彎曲(發生偏轉),直到上個世紀科學家才在實驗中證實了這一點。就在西方物理學解釋電子雙縫幹涉實驗和延遲選擇實驗陷入迷茫之際的時候,我們認為是時候重振光的微粒假說,殺出一條血路、開創一條新路了。與其坐而論道不如起而行之,我們提出光子通過窄縫發生偏轉是由引力作用引起的,有人提出只有在恆星這類引力場極強的星體表面光子才可能發生偏轉,通常情況下我們日常生活中的單縫其引力並不足以引起光子發生偏轉。那麼是否宏觀物體的引力不足以讓光線偏轉呢?我們來看實驗。
(一)直邊衍射現象。在光的衍射現象中有一種很特殊的衍射現象,那就是光在不透明物體直邊緣處發生的衍射現象,這種衍射特點是:能在直邊物體幾何投影內產生微弱照明,並可在承影面上產生明暗相間的條紋,也就是說光線可以繞過物體並在其陰影區內投射出不連續的亮紋,這裡光線同樣拐彎了。直邊衍射是什麼意思呢?說得簡單點就是一塊磚頭在平行光下本來影子的邊緣應該是很清晰的:亮的地方亮、暗的地方暗,可事實上並非如此,在本來應該是暗的陰影區內還有不連續的亮紋。事實上不光磚頭,任何物體在陽光下的影子的邊緣都是較模糊的,有人說這主要是由於太陽有一定的體積不是點光源造成的,這裡我們不再花力氣去爭論,實際上這是直邊衍射現象的一種表現。
波動理論認為光線經過不透明物體產生拐彎(形成明暗相間的條紋)是由於直邊衍射的子波相互幹涉的結果。也許是我們讀書少,對這個解釋始終搞不明白:不是說光波只有遇到縫寬或小孔的尺寸與光波波長相近或者比光波波長小時才可能發生明顯的衍射現象嗎?怎麼會在沒有縫也沒有小孔的情況下,光波繞過尺寸比其波長大很多個數量級的宏觀物體也能夠發生&34;現象呢?比如說我們在太陽下的影子邊緣是較模糊的,那麼據此認為我們人類也有一定波長就很荒謬了。實際上&34;是&34;的硬傷之一,波動理論對它的解釋是很蒼白無力的,這裡我們不作過多討論。
根據微粒假說,&34;認為光線通過宏觀物體後發生偏轉是物體引力作用於光線並使之彎曲的結果。如圖,光線經過不透明物體產生拐彎(形成不連續的亮條紋)是光子在物體引力作用下發生偏轉的結果,這個解釋很簡單也很直接,不需要我們作過多的闡述。唯一需要我們證明的就是:宏觀物體的引力是否強得足以使光子偏轉呢?
(二)電子&34;現象。
電子內部結構。①電子的本質屬性是粒子性,電子具有特定的內部結構,可以吸收光子也可以&34;放出光子並且這一過程可以無限次重複,所以電子質量並非一成不變的而是時刻處於變化之中的。②與原子核&34;相似,電子也存在若干個不連續的結合能極大值――&34;,每個&34;對應於電子在原子中的一條穩定軌道。電子在原子中不同穩定軌道上的質量是不同的,電子離核越近質量越小、離核越遠質量越大。③電子離原子核越近質量越小、內部各部分結合的越緊密、&34;越高因而其結合光子的能力越強;電子離核越遠質量越大、內部各部分結合的就越鬆散、&34;越低、其結合光子的能力就越弱。④當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&34;放出光子獲得反衝從而增大繞核速度,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量為下一次&34;做好物質儲備。⑤雖然電子可以吸收光子增大質量,但是電子存在&34;,大於&34;的電子都是極不穩定的,將在極短時間內裂變放出光子並重新生成能夠穩定存在的質量較小的電子。
如果我們用橫坐標表示電子的質量,用縱坐標表示電子內部的結合力,則我們可以大致畫出電子質量內部結合力草圖。從圖上可以看出,電子質量越小內部結合力越大同時離原子核越近、吸收光子的能力越強,電子質量越大內部結合力越小、離原子核越遠、吸收光子的能力越弱,當電子吸收了質量足夠大的光子後會處於&34;,此時電子不能繼續吸收光子增大質量了,在外界微小擾動作用下電子又會&34;放出光子減小質量。電子可以吸收光子增大質量也可以&34;放出光子來改變自身的運動狀態,由於電子的質量佔原子質量的千分之一以下,所以通常情況下電子質量的變化對整個原子質量的影響很小,但我們也應該能夠觀測出來。事實上在化學變化中往往伴隨著發光發熱現象,物質放出了光子肯定損失了質量,相對論認為光子沒有靜質量,這個之後我們再討論。
電子與原子碰撞時損失的能量是不連續的。1914年弗蘭克和赫茲在研究中發現電子與原子發生非彈性碰撞時能量的轉移是量子化的。弗蘭克赫茲實驗裝置主要是一隻充氣三極體,電子從加熱的鉑絲髮射,鉑絲外有一同軸圓柱形柵極,電壓加於其間,形成加速電場。電子穿過柵極被外面的圓柱形板極接受,板極電流用電流計測量。當電子管中充以汞蒸氣時,實驗發現每隔4.9伏電勢差,板極電流都要突降一次。弗蘭克赫茲實驗測定表明,電子與汞原子碰撞時,電子損失的能量嚴格地保持在4.9電子伏,即汞原子只接收4.9電子伏的能量。如果在管子裡充以氦氣,也會發生類似情況,但其臨界電勢差約為21電子伏。通常認為弗蘭克-赫茲實驗證明原子內部結構存在分立的定態能級,這個事實直接證明了汞原子具有玻爾所設想的那種&34;,是對玻爾的原子模型的第一個決定性的證據。
我們認為弗蘭克赫茲實驗至少表明三點:第一是原子內部能級是不連續的,第二就是自由電子在與其他原子作用時很容易損失能量(很顯然自由電子損失了能量當然會減少質量);第三就是處於原子核束縛作用下的電子可以吸收能量。從微觀角度來講,自由電子質量較大、內部各部分之間的結合力較小,它既可以吸收光子也可以放出光子,當它遇到一個在原子核靜電引力束縛作用下&34;比它大許多的電子時,當然會被&34;一部分質量;如果在原子核靜電引力束縛作用下電子的&34;繼續增大,它就會從自由電子那裡&34;更多的質量,這也就是實驗中表現出來的不同原子的臨界電勢差不同的根本原因。這個實驗也在一定程度上證實了電子&34;的存在。原子從自由電子&34;一部分質量,實際上是原子核靜電引力束縛作用下處於&34;的電子從自由電子那&34;一部分質量,這也是我們根據大量實驗事實總結出的微觀粒子三大作用規律的第二條內容:微觀粒子間的相互作用&34;強食規律,內部結合力大的粒子可以從內部結合力小的粒子處&34;一部分質量。
電子的&34;。1927年戴維遜和革末做了一個實驗,該實驗用一束電子束轟擊一張用金屬鎳做成的金屬箔,電子會在屏幕上形成衍射條紋(明暗相間的同心圓環),也就是說電子到達屏幕上的位置是不連續的。科學家發現X射線通過特定的晶體也會形成衍射條紋。由於人們普遍接受了波動理論,認為X射線是電磁波,X射線的衍射圖案就是其波動性的證明,既然電子的衍射圖案和X射線的衍射圖案高度相似,所以人們認為電子也和X射線一樣具有波動性。從宏觀上講金屬鋁箔是均質的,電子束通過鋁箔應該不發生偏轉,但實際上電子束通過鋁箔形成了圓環形圖案,至少說明兩點:第一,電子束在穿過鋁箔時受到物質作用從而改變了原來的運動軌跡;第二,電子束受到的作用力是不連續的,因為如果電子束受到連續的外力作用則電子束的運動軌跡就會連續變化,最終就應該在屏幕上形成一片連續的亮區。電子束通過鋁箔形成圓環形圖案的實驗事實表明,電子束在與鋁箔作用時,受到的力的作用是不連續的。而弗蘭克-赫茲實驗已經揭示了電子與原子碰撞損失的能量是不連續的,與之相符。
電子衍射現象中到達不同條紋處的電子質量是不同的。我們認為電子的&34;恰恰是電子具有特定內部結構粒子的直接實驗證據。弗蘭克赫茲實驗表明,自由電子與原子碰撞時會損失特定的能量(實驗證實電子至少會損失4.9電子伏的能量或者21電子伏的能量)。假設當電子束通過金屬箔時損失了4.9電子伏的能量(實質是在原子核束縛下處於飢餓狀態的電子從自由電子處&34;了一部分質量),電子損失質量的同時其運動狀態一定會發生改變而不會繼續沿著原來的軌跡以直線打在屏幕上。在金屬箔與屏幕距離一定的情況下,如果一個電子與原子碰撞後損失4.9電子伏能量並以θ度偏轉角打在屏幕上距離圓心2釐米處,許多個損失了4.9電子伏能量的電子打在屏幕上最終將會形成半徑為2釐米的圓環。同樣的道理,如果電子損失的能量為21電子伏,則這樣的電子與原子碰撞後偏轉角度會大於θ,所以可能在屏幕上形成半徑為6釐米的圓環;同樣的道理電子還可能在屏幕上形成半徑為9釐米的圓環……,這樣,電子損失n個特定能量必將在屏幕上打出n個圓環。由此可見,電子束通過金屬箔後由於損失特定能量偏轉特定的角度所以其在屏幕上的落點表現為不連續性,電子束損失不同的能量就會在屏幕上形成特定的同心亮環。電子通過金屬箔後損失相同的能量必然到達相同的圓環位置,電子損失能量越大則偏離圓心就越遠,這一點和電子的波動性完全不沾邊,只能說明電子和金屬箔中原子的能量交換是不連續的。如果自由電子損失的能量是連續變化的,比如從0.01電子伏到100電子伏連續變化,則電子在屏幕上的落點也是連續變化的,最終屏幕上出現一片明亮區域。電子在與原子作用時其能量損失顯示出不連續變化的特徵,實際上這是電子內部能極量子化(電子有特定內部結構並且存在&34;)的外在表現而不是電子波動性的外在體現。與光的雙縫幹涉現象類似,電子通過雙縫後會形成不同的明條紋,實驗已經表明到達不同明條紋處的電子能量(質量)是不同的,說明電子通過金屬箔到達屏幕位置並不是由機率決定的,而是由電子損失的能量多少決定的。由此推測,光子通過窄縫後到達屏幕位置也不是由機率決定的,而是由光子受到的引力決定的。
(三)X射線衍射現象。
康普頓效應。1923年康普頓在研究X射線被較輕物質(石墨、石蠟等)散射時發現,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,而與入射光波長和散射物質都無關,這種散射現象稱為康普頓散射或康普頓效應。康普頓發現:散射光中除了和原波長相同的譜線外還有波長大於原波長的譜線;波長的改變量隨散射角的增大而增加;對於不同元素的散射物質,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的原因,而當入射光是可見光或紫外光康普頓效應並不明顯。
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果,碰撞過程同時滿足動量守恆和能量守恆;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,於是散射光的波長大於入射光的波長;若光子和束縛很緊的內層電子碰撞,光子將與整個原子交換能量,由於光子質量遠小於原子質量,根據碰撞理論,碰撞前後光子能量幾乎不變,波長不變;因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關,所以波長改變和散射角有關。
X射線經過散射後有能量損失。實際上康普頓效應很好地揭示了微觀粒子間相互作用的&34;規律,同時也揭示了波動理論與粒子模型在處理光的幹涉衍射現象的主要分歧。康普頓散射中,光子與電子的碰撞實際上並不是彈性碰撞,在這兩個微觀粒子碰撞的同時它們將產生質量(能量)交換。在康普頓散射中值得我們高度關注的是:散射光波長的改變量隨散射角的增大而增加,在同一散射角下,波長的改變量相同。這一點充分說明X射線光子與物質作用後有能量損失(導致質量減小),並且相同散射角下的波長改變量相同,不同散射角下的波長改變量不同,這說明光子與物質作用後到達不同的位置的決定因素是有其物質基礎的,正是因為光子損失了不同的能量從而到達不同的位置,光子的運動狀態改變是由碰撞中損失能量的多少決定的並不是由機率決定的。
到達不同位置的X射線其能量損失是不同的。既然X射線光子與物質作用後有能量損失,那麼很顯然可見光在反射、折射現象中光子與物質作用也會有能量變化,損失相同能量的光子一定會到達相同的位置,損失不同能量的光子一定會到達不同的位置,光子到達位置的不同反映了光子能量損失量的不同。康普頓散射在一定程度上證明了可見光在與物質作用後同樣會損失不同能量而到達不同的位置。這就為我們正確認識並用粒子模型解釋牛頓環、薄膜幹涉、劈尖幹涉、延遲選擇實驗奠定了實驗基礎。同時也表明,電子衍射條紋中電子到達屏幕不同位置並不是由機率決定的,光子衍射條紋中光子到達屏幕不同位置並不是由機率決定的。
在康普頓實驗中,如果我們把檢測系統換成一塊屏幕,則X射線經過散射後會在屏幕上形成明暗相間的幹涉條紋,並且越靠近屏幕頂部X射線光子的能量就越小(波長越長)、越靠近屏幕底部X射線光子的能量就越大,充分說明X射線衍射現象中到達不同條紋的光子質量是不同的。既然質量不同的光子到達的位置不同,並且光經過反射後會改變質量(頻率),這就和我們之前認為的光子經過單縫或者雙縫後會改變質量(頻率)相一致,也使這種觀點得到了應證。
電子&34;和X射線&34;的共同點—都有特定的能量損失。我們來看看電子束通過多晶鋁箔的衍射現象,電子束通過鋁箔會發生偏轉產生衍射條紋(如下圖所示),當然了電子束通過鋁箔會發生偏轉主要是由於電子與鋁箔(實際上是電子與鋁原子中的電子碰撞)碰撞之後發生偏轉,而不是引力作用引起的。有人看到電子束通過鋁箔後形成了圓環形圖案就認為電子也有波動性,因為電子束形成了明暗相間的圖案,這種觀點是非常牽強的。因為我們知道,電子束通過鋁箔後會之所以會形成圓環形圖案主要原因是電子與鋁原子碰撞後損失的能量是不連續的,從而導致電子到達屏幕上的位置是不連續的。而X射線光子經過散射後也會損失特定的能量(X射線波長變長、能量變小),並在屏幕上形成不連續的亮條紋。在電子&34;和X射線&34;實驗中,我們可以證明電子和X射線都損失了特定的能量,正是因為它們損失特定的能量而不是損失連續的能量造成它們在屏幕上到達的區域也是不連續的。照此推理,光子通過窄縫時在引力作用下到達屏幕上不連續的位置也是有依據的。
(四)光子在引力作用下能量變化也是不連續的。根據現有的實驗事實,我們知道光子通過窄縫後會在屏幕上形成不連續的亮紋,光線在被宏觀物體阻擋後也會在物體後面的陰影裡形成不連續的亮紋,所以用窄縫、小孔尺度與光波波長可比擬來解釋光偏離直線傳播的現象是很不靠譜的。否定了波動理論,就只剩下微粒假說了。既然我們認為光子是在引力作用下發生偏轉的,那麼宏觀物體的引力作用能否強到使光子偏轉呢?
在光子通過窄縫時的確會受到縫的引力作用,縫的不同位置引力合力是不同的,大多數情況下光子從縫的不同位置經過時由於受到引力合力不為零光子將受到引力子的作用,在這個作用下光子將產生極其微小的偏轉,如果在某一時刻光子同時吸收了1倍&34;的引力子則就會發生較大偏轉(實際上這個偏轉量的絕對值也是很小的),從而打在屏幕上形成第一條亮紋,同時吸收了2倍&34;的引力子就會打在屏幕上形成第二條亮紋,同理第三條、第四條……第n條亮紋也是這麼形成的,也可以認為第一條亮紋是光子吸收引力子後的最小偏移量。
有人提出,如果認為光子的偏轉是引力作用引起的,那麼窄縫材質不同時屏幕上形成的衍射條紋也應該不同,比如在薄紙上劃出的單縫和鐵片形成的單縫產生的衍射條紋就應該不同,鐵的密度比紙的密度大形成的引力場也更強,所以對於同樣的單縫,鐵縫形成的衍射條紋要比紙縫形成的衍射條紋寬。實際上這是錯誤的,因為不論是鐵縫也好紙縫也好,縫中心的引力合力都是零,雖然鐵的密度大形成的引力場強,但是縫兩邊的引力場同時增強並且互相抵消了,因此衍射條紋的形態主要取決於縫的寬度而不是取決於形成單縫的材質密度。當然了,如果縫兩邊的材質不同,則形成的衍射條紋中的中央亮條紋一定不在縫的正中間,如果縫左邊的材質密度大則中央亮紋向左偏,如果縫右邊的材質密度大則中央亮紋就會向右偏。
最終我們有這樣的結論:在光的衍射實驗中,影響衍射條紋的不僅僅有窄縫寬度,製作窄縫的材料密度也會對衍射條紋產生影響,當窄縫兩側材料不同時,衍射條紋總是向材料密度較大一邊偏轉。這個結論很容易證實也很好證實,實際上同樣的材質密度製成的單縫,如果兩邊材質的厚度不一樣時也有類似的結論:左邊材質的厚度大則中央亮紋向左偏,右邊材質的厚度大則中央亮紋向右偏。比如用同一材質製成的單縫,我們把左側加厚則中央亮紋向左偏,把右側加厚則中央亮紋向右偏。以上推論有待實驗檢測。
也有人指出,如果認為衍射現象是引力作用引起的,那麼該如何解釋蠟燭燻黑玻璃片的衍射現象呢?如圖所示,我們用點燃的蠟燭燻黑玻璃,此時相當於在玻璃表面塗了一層很薄很薄的碳原子塗層,一般情況下可以認為碳原子塗層的厚度遠遠小於玻璃片的厚度。通常情況下可以認為玻璃是均質的,由於玻璃片的厚度遠遠大於碳原子塗層的厚度,可以認為碳原子塗層的引力作用對光子來說是微乎其微以至於幾乎可以忽略不計的。如果認為衍射現象是引力作用引起的,則當我們用刀片在燻黑的玻璃片上劃出一條劃痕時(相當於去掉玻璃片表面的碳原子塗層),光線就可以從這條劃痕通過,而別的地方是不透光的,雷射束在穿過玻璃片上的劃痕後由於玻璃片是均質的,可以認為光子在經過玻璃片時受到的引力合力為零,則雷射速通過劃痕後會在屏幕上形成一條亮紋。但實際上,實驗表明雷射速通過劃痕後會在屏幕上形成明暗相間的衍射條紋,那麼這個明暗相間的條紋是怎樣形成的呢?
如上圖所示,如果不考慮引力影響,我們推測雷射束在穿過玻璃片上的劃痕後會在屏幕上形成一條亮紋,但實際上這個推測是錯誤的,這就讓我們很揪心,同時也為我們進一步認識光的衍射現象提供了機會。
如上圖所示,雷射束通過玻璃片上的劃痕後會穿過玻璃,雖然可以認為玻璃是均質的但是以光子的微小尺度而言,某一時刻光子受到的引力合力不為零的機率是很大的,在合力不為零的引力作用下,若光子能夠吸收若干個引力子則光子或者向上偏轉或者向下方偏轉,由此在屏幕上形成中央亮紋以上的第一條亮紋和中央亮紋以下的第一條亮紋。同樣光子也可能吸收更多的引力子從而形成中央亮紋以上的第二條亮紋、第三條亮紋、第四條亮紋……,中央亮紋以下的第二條亮紋、第三條亮紋、第四條亮紋……也是這樣形成的。如果我們在玻璃片上劃出多個劃痕並且製成衍射光柵,則雷射束通過多個劃痕後將在屏幕上形成多條亮紋,很顯然,劃痕越細則屏幕上形成的條紋也越窄,劃痕越多則通過的光子越多所以屏幕上的亮紋也就越亮,這些特點完全符合衍射光柵形成的條紋規律。
菲涅爾稜鏡實驗。菲涅耳雙稜鏡是由兩塊底面相合、頂角很小且相等的薄三稜鏡構成,實際上是由同一塊玻璃磨製而成。如圖,單色縫光源S與雙稜鏡的稜脊平行(垂直於圖面),發出的光波經上下兩稜鏡折射後形成兩束相干的折射光,它們可以看作是從虛光源S1和S2發出,在重疊區的幕上可觀察到幹涉條紋,條紋性質與楊氏幹涉條紋相同。
根據我們的推理,光子在經過雙稜鏡折射時,對於光子的微小尺度而言,某一時刻光子受到的引力合力不為零的機率是很大的,若光子能夠吸收若干個&34;的引力子則光子就會發生偏轉,因此光子經過雙稜鏡折射後同樣能夠在屏幕上形成不連續的亮條紋。當我們把雙稜鏡的上半部分或者下半部分用黑紙遮住時光子經過雙稜鏡的上半部分或者下半部分同樣能夠形成不連續的亮紋(明暗相間的條紋)。波動理論認為光經過菲涅耳雙稜鏡折射時光源S發出的光可以看作是從虛光源S1和S2發出的,實際上我們用黑紙遮住時光子經過雙稜鏡的上半部分或者下半部分,就形成了事實上的單光源,但是這個單光源同樣可以形成不連續的亮條紋(明暗相間的條紋)。
勞埃德鏡實驗。勞埃德鏡實驗是讓一條狹縫發出的光以掠入射角(近90度的入射角)入射到反射鏡上,經反射,光的波陣面改變方向,反射光就像是光源的虛像發出的一樣,兩者形成一對相干光源,它們發出的光在屏上相遇,產生明暗相間的幹涉條紋。
勞埃德鏡實驗形成的不連續的亮條紋實際上也是光子在與鏡面反射時在引力作用下發生了不連續的偏轉形成的,實際上只要鏡面足夠窄,光線經過鏡面反射後必然形成不連續的亮紋。