光的幹涉條紋形成原因初步探索

本章節核心觀點：光的幹涉衍射現象是光子在引力作用下形成的。在光柵中，隨著單位長度裡縫的數量增加，每條縫的寬度將減小，光子通過寬度極小的縫後並不會形成連續的亮區，說明衍射光柵中的任意一條縫和獨立存在的單縫對光子的作用是不一樣的。有人指出，這一點似乎很神奇，不亞於平行宇宙等奇談怪論，事實上這正是雙縫實驗最核心、最具魅力的地方，只有深入理解了這一點，才會對光子與引力子之間的相互作用有更加深入的理解。

(一）楊氏雙縫幹涉實驗。1801年，英國物理學家託馬斯·楊首次在實驗室裡成功觀察到了光的幹涉現象：把一支蠟燭（光源）放在一張開了一條窄縫的紙前面，這樣就形成了一個點光源（相干光源），在紙後面再放一張紙，紙上開兩道平行的窄縫。從窄縫中射出的光穿過兩條窄縫投到屏幕上，就會形成一系列明暗交替的條紋，託馬斯·楊稱之為幹涉條紋，認為這是通過兩條窄縫的光子相互幹涉形成的，後來人們把這個實驗叫做楊氏雙縫幹涉實驗。

雙縫幹涉條紋的特點。光的雙縫幹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,其餘各級條紋形成從中央向外由紫到紅排列的彩色條紋；對於同一條雙縫，入射光波長越長屏幕上形成的條紋就越寬。

雙縫幹涉條紋的變化規律

1. 雙縫間距d改變：當雙縫間距d增大時，零級明紋中心位置不變，條紋變密；當雙縫間距d減小時，零級明紋中心位置不變，條紋變稀疏。

2. 雙縫與屏幕間距D改變：當雙縫與屏幕間距D減小時，條紋寬度減小，零級明紋中心位置不變，條紋變密；當D 增大時，條紋寬度增大，條紋變稀疏。

3. 光源S位置變化：S下移時，零級明紋上移，幹涉條紋整體向上平移，條紋間距不變；S上移時，零級明紋下移，幹涉條紋整體向下平移，條紋間距不變。

4.入射光波長改變：入射光波長增大時條紋寬度增大，條紋變疏；入射光波長減小時，條紋寬度減小，條紋變密。

波動理論認為：光的幹涉現象是兩列或多列相干光源在空間相遇時相互疊加，在某些區域始終加強，在另一些區域則始終削弱，從而形成穩定的強弱分布的現象。只有兩列光波的頻率相同、相位差恆定、振動方向一致的相干光源才能產生幹涉。由兩個普通獨立光源發出的光，因為不可能具有相同的頻率，更不可能存在固定的相差，所以不能產生幹涉現象。

關于波和粒子的區別，網上有一個講得比較好的例子：一個房間，對著房門開了一槍，子彈從房門飛進去打在牆上形成一個點，這就是粒子，其主要特性是直線傳播；還是這個房間，你對著門口吼了一聲，裡面的人站在任何一個位置都能聽到，這就是波，其主要特性是非直線傳播，也就是波會繞過障礙物傳播。當然了這個例子也有不太恰當的地方，人在房間中任何位置都能夠聽到聲音，除了聲波的衍射現象外還有反射現象，這裡強調波的主要特性是可以繞過障礙物傳播。可以看出，波動和粒子是兩個不同的概念，粒子看得見摸得著，而波的傳播則需要依賴介質才能夠進行。

(二)用光的單縫衍射現象形成原因對雙縫幹涉實驗的初步分析。之前我們用光和引力子的相互作用成功地解釋了光的衍射現象，考慮到光經過單縫後會在屏幕上形成明暗相間的亮條紋，而雙縫幹涉只不過是在單縫衍射的基礎上增加了一條縫而已，雙縫幹涉和單縫衍射遵循同樣的規律，因此我們認為對光的雙縫幹涉實驗的解釋是手到擒來、不費吹灰之力：雙縫幹涉條紋是兩條單縫衍射條紋的簡單疊加。我們認為雙縫幹涉條紋就是每條單縫衍射條紋形成圖案的簡單疊加，實際上我們把兩條單縫形成的亮條紋疊加在一起與雙縫形成的幹涉條紋進行對比，發現兩者有很大的區別，並且這個差別不能認為是誤差造成的，雙縫幹涉條紋的形成和單縫衍射條紋的形成有著不同的規律。

雙縫衍射圖案絕不是兩個單縫衍射圖案的簡單疊加。如圖所示，一束平行光經過單縫後再穿過雙縫會在屏幕上形成明暗相間的幹涉條紋。從上圖可以看出，兩條單縫衍射圖案的簡單疊加並不能夠形成幹涉條紋：兩條單縫衍射圖案疊加形成的圖案中有兩條比較寬的明條紋，寬度約是其他明條紋的兩倍、亮度也遠遠大於其他亮條紋，其他條紋寬度較小、亮度也遠遠小於最寬的兩條亮條紋。光通過雙縫後形成的幹涉條紋卻不是這樣的，實驗表明雙縫幹涉條紋幾乎是等寬度的、中間幾條亮條紋亮度差異不大。對比雙縫幹涉條紋和兩條單縫衍射條紋疊加形成的條紋，可以發現兩者性質不同、變化規律也不同，說明雙縫幹涉條紋決不能看作是兩條單縫衍射條紋的簡單疊加。這個結論讓我們非常困惑和迷茫，甚至一度想要放棄，難道幹涉現象真的是光子間的相互作用形成的？儘管我們知道光的微粒模型最終必將取代光的波動理論，但是看著光的雙縫幹涉條紋的形成，很長時時間內我們無從下手、毫無頭緒，甚至把它視作禁區，不敢想也不敢去碰，如果我們就此放棄，那麼光的微粒模型重見天日不知道又要往後推多少年了，並且後來者也要付出更多的努力才能揭示光的本質，科學之路的攀登本就沒有捷徑可走，欲窮千裡目，更上一層樓，無限風光在險峰。仔細分析思考我們的失敗，歸根結底是因為我們有投機取巧的心理，直接用光的單縫衍射現象的形成原因套用在雙縫幹涉現象中，並沒有具體問題具體分析，用偷懶的辦法解決問題失敗是必然的。實際上能夠正確解釋雙縫幹涉條紋的形成固然會讓我們欣喜，但是找到解決問題的方法更加重要，我們只有掌握正確物理研究方法，才能推動當今遇到瓶頸的物理學揭開嶄新的發展篇章。

就在我們反反覆覆盯著雙縫幹涉條紋無從下手的時候，我們不先妨先梳理光子和引力子相互作用的規律，並試著分析雙縫幹涉實驗的特點以找到解決問題的突破口。光的微粒模型認為光的本質是粒子，各光子間並不存在幹涉現象（量子糾纏現象不在這個範圍之列），即一個光子落在屏幕上的位置不會影響另一個光子落在屏幕上的位置，每個光子落在屏幕上的位置都是由光子和引力子之間的相互作用決定的而不是由另一個光子決定的。這就是說，光源即使每次只發射一個光子，依然能夠在屏幕上形成相應的圖案。根據雙縫幹涉條紋的特點和光的微粒模型，可以得到以下推論：

推論一：光子經過單縫、雙縫或多縫後數量不會變化。因為光子之間並不會發生幹涉而相互抵消，所以光子經過窄縫後並不會消失。假設有2000個光子照射在縫上，這2000個光子通過單縫後仍然是2000個光子，不會多一個也不會少一個（物質不會憑空產生也不會憑空消失）；同樣，2000個光子通過雙縫後仍然是2000個光子，不會多一個也不會少一個；那麼2000個光子通過多縫後仍然是2000個光子，不會多一個也不會少一個。

推論二：雙縫幹涉或多縫衍射條紋是光通過每條縫後形成圖案的疊加。因為光子之間不會相互幹涉、相互抵消，所以光子通過一條縫後形成的圖案並不會被光子通過另一條縫後形成的圖案抵消，由此可見，光通過雙縫形成的圖案是光通過雙縫中的每一條縫形成圖案的簡單疊加；光通過多縫形成的圖案是光通過多縫中的每一條縫後形成圖案的簡單疊加。有人指出，之前我們提出雙縫幹涉條紋決不能看作是兩條單縫衍射條紋的簡單疊加，現在又講雙縫幹涉或多縫衍射條紋是光通過每條縫後形成圖案的疊加，這不是自相矛盾嗎？實際上這並不矛盾，因為雙縫中的每一條縫或者衍射光柵（多縫）中的每一條縫並不等同於簡單的單縫，原因我們下面分析。

推論三：雙縫幹涉實驗中的兩條縫能夠相互影響。光的微粒模型認為一個光子落在屏幕上的位置不會對另一個光子落在屏幕上的位置產生影響。那麼雙縫幹涉實驗中的兩條縫會不會相互影響呢？假設雙縫幹涉實驗中的一條縫不會對另一條縫產生影響，則兩條縫都可視為獨立存在的單縫，光通過兩條縫中的一條單縫後必然形成中央寬、兩側窄的衍射條紋，這樣光經過雙縫後形成的衍射條紋疊加起來就是兩條較寬的亮條紋加上較窄的其他亮條紋組成的圖案，但實際上雙縫形成的幹涉條紋幾乎是等寬度的，並且在實驗中我們發現，兩條縫之間的距離也會對幹涉條紋產生影響：兩條縫之間的距離越近則形成的幹涉條紋越寬、兩條縫之間的距離越窄形成的幹涉條紋越窄越密，從這一點上來看，充分說明兩條縫之間會相互影響。兩條縫之間為什麼會相互影響呢？這個觀點聽起來好像有種天方夜譚的感覺，但實際上卻有其必然的物質基礎。我們在直邊衍射現象的形成原因分析一文中指出：不透明物體的引力作用會在其周圍空間形成引力作用區域，通常這個區域的大小在釐米的數量級上，一般約為2、3個釐米或者更小（有興趣的讀者可以動手做實驗），也就是說不透明物體的引力會影響在其周圍2、3釐米處經過的光子。我們知道，雙縫幹涉實驗中雙縫的距離一般在1毫米以下，這個距離正處於物體的引力影響區域內，所以認為雙縫中的兩條縫會相互影響是有實驗事實支持的。下圖是刀片的直邊衍射圖案，從圖中可以看出，光經過刀片邊緣後會在刀片邊緣形成特定的條紋，充分說明刀片的引力作用會對光子產生影響，感興趣的朋友可參見《光的微粒模型對直邊衍射現象的解釋》一文。

推論四：光柵衍射現象中縫越多則每條縫形成的條紋越細。我們知道，在光的單縫衍射現象中，縫寬越大衍射現象越不明顯，縫寬越小衍射現象越明顯、形成的亮條紋越寬；當縫寬足夠小時，中央亮紋會向兩邊無限延伸。據此推理，光柵衍射現象中縫越多（縫寬越小）則每條縫形成的亮條紋就應該越寬，由於任意一條縫形成的條紋並不會被其他縫形成的條紋抵消，所以最後屏幕上必然是一片連續的亮區，然而事實並非如此。實驗表明：縫越多光柵衍射形成的條紋越細，因為光柵衍射形成的條紋是光通過每條縫後形成條紋的簡單疊加，所以縫越多光柵衍射中每條縫形成的圖案也就越細。如果縫寬越小衍射條紋越寬的話，最終多條縫疊加起來就會在屏幕上形成一片連續亮區，顯然這是不符合實驗事實的。

推論五：衍射光柵中的任一條縫和獨立存在的單縫對光子的作用結果不同。在光柵中，隨著單位長度裡縫的數量增加，每條縫的寬度將減小，光子通過寬度極小的縫後並不會形成連續的亮區，說明衍射光柵中的任意一條縫和獨立存在的單縫對光子的作用是不一樣的。有人指出，這一點似乎很神奇，不亞於平行宇宙等奇談怪論，事實上這正是雙縫實驗最核心、最具魅力的地方，只有深入理解了這一點，才會對光子與引力子之間的相互作用有更加深入的理解。衍射光柵中的一條縫和獨立存在的單縫對光子的作用結果不一樣，反映出衍射光柵中的一條縫和獨立存在的單縫其引力作用區域和作用範圍是不同的，也為我們推翻波動理論找到了直接的實驗證據。

這裡我們來分析光的波動理論和微粒模型對幹涉衍射現象的不同解釋。波動理論認為光通過窄縫後會發生衍射現象，而這個衍射現象的產生只與縫的寬度有關（當縫寬與光的波長相近時衍射現象較明顯），與製成縫的材料的材質沒有關係，很多人據此認為引力現象造成光的幹涉衍射現象沒有科學依據。光的微粒模型則認為光的幹涉衍射現象是光在引力作用下的結果，既然光在引力作用下會發生偏轉彎曲，那麼顯然製成縫的材質不同就會影響光子的運動。

上圖是一個不透明塑料上劃出的一條縫，當我們用雷射照射這條縫，就會在屏幕上形成明暗相間的衍射條紋，通常情況下屏幕上形成的衍射條紋的寬度與縫的寬度有關。

我們在離單縫很近的地方（小於1毫米）再劃出一條縫，就形成了雙縫，光經過雙縫後就會在屏幕上形成明暗相間的幹涉條紋。雙縫中的兩條縫靠得越近則屏幕上形成的幹涉條紋就越寬；兩條縫離得越遠則屏幕上形成的幹涉條紋就越窄；當兩條縫離得足夠遠時它們將分別形成中間寬、兩邊窄的衍射條紋。充分表明兩條縫的引力可以疊加，會相互影響，也表明幹涉衍射現象的形成是有其物質基礎的。

（3） 幹涉條紋形成的原因。從光源發出的光經過單縫後投射到雙縫上最終會在屏幕上形成明暗相間的幹涉條紋，直接用雷射束照射雙縫也會在屏幕上形成明暗相間的幹涉條紋。設兩條縫間距為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，圖中左側從上到下構成雙縫的分別是物質實體A、上縫（1265區域）、雙縫中間物質實體O、下縫（abfe區域）和物質實體B，簡單來說就是3個物質實體夾著兩條窄縫並形成兩個可透光的引力場。一般情況下我們認為物質實體A、雙縫中間物質實體O和物質實體B都是不透光的，光子不能通過物質實體A、中間物質實體O和物質實體B，光子只能通過雙縫中的上縫1265區域和下縫abfe區域投射在屏幕上。

如圖，對於上縫所在1265區域來說，如果沒有下縫物質實體B的影響，則上縫1265區域可平均分成合力向上的部分（1243區域）和合力向下的部分（3465區域），這兩個區域大小一致，中間34線處引力合力為零。有了物質實體B的影響情況就不同了，物質實體B的存在相當於增大了中間物質實體O的引力場，並且物質實體B越靠近上縫對中間物質實體O引力的加成作用越大。既然中間物質實體O的引力增大，那麼上縫1265區域中引力合力向下的部分必然增大（也就是3465區域相應增大），引力合力為零的34中線必然就要相應地向上移動，引力合力向上的區域（1243區域）必然減小。顯然，物質實體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，導致上縫引力合力向下的3465區域就越大、引力合力向上部分1243區域就越小。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，那麼每一條縫都可以看作單縫，此時雷射束照射在這兩條縫上將產生衍射條紋。

對於下縫abfe區域同樣如此，由於上縫處物質實體A的影響，下縫區域引力合力向上的部分（abdc區域）增大、引力合力向下的部分（cdfe區域）減小，並且兩縫距離越近影響就越大。雙縫距離越近則下縫區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增大; 雙縫距離越遠則下縫區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減小。所以雙縫間距減小時幹涉條紋間距變大、雙縫間距增大時幹涉條紋間距變小。

如圖，對於上縫來說其引力可分為向上部分（1243區域）和向下部分（3465區域），其中引力向下部分（3465區域）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，對於下縫來說其引力也可分為向上部分（abdc區域）和向下部分（cdfe區域），其中引力向上部分（abdc區域）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。

雙縫幹涉條紋還有一個特點需要我們注意，因為構成雙縫的物質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，總是靠近中間物質物體O的引力區域變大。對於上縫來說，就是引力合力向下的3465區域大於引力合力向上的1243區域；對於下縫來說，就是引力合力向上的abdc區域大於引力合力向上的cdfe區域。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並不是平均的，由此造成的幹涉條紋寬度也是不同的。對於上縫來說，經過3465區域的光形成的亮紋寬度要大於經過1243區域的光形成的亮紋寬度；對於下縫來說，經過abdc區域的光形成的亮紋寬度要大於經過cdfe區域的光形成的亮紋寬度。由於各條紋在中央亮紋兩側是對稱分布的，上縫處產生一條亮紋下縫處同樣會產生一條亮紋，上下縫的亮紋條數之和為偶數，再加上中央亮紋，所以一共有奇數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。簡單來說就是雙縫幹涉條紋中，總有奇數條條紋寬度較寬，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。

（4） 幹涉條紋並不是等間距的。波動理論指出：幹涉條紋是等間距的。我們的分析和推理表明：雙縫幹涉條紋並非等間距的，幹涉條紋中央亮紋寬度最大，離中央亮紋越遠則條紋寬度越小。對於上縫來說，由於物質實體B的影響造成上縫引力合力向下的部分（3465區域）增大必然引起合力向上的部分（1243區域）減小，這樣經過上縫1243區域投射在屏幕上的亮條紋寬度必然小於經過3465區域投射在屏幕上的亮條紋寬度。一般來說，處於屏幕中心位置的中央亮紋寬度最大，中央亮紋附近的幾條亮紋寬度相差不大但是都小於中央亮紋寬度，距離中央亮紋較遠的其它條紋的寬度較小，並且距離中央亮紋越遠的條紋則寬度越小。一般情況下，雙縫間距越小則條紋寬度差異越明顯、雙縫間距越大則條紋寬度差異越不明顯，具體原因前面講過，這裡就不再分析了。

為什麼衍射光柵中縫的條數越多形成的衍射條紋越細呢？衍射光柵中的任意一條縫和獨立存在的單縫有什麼區別呢？且看下回分解。