單縫衍射條紋形成原因分析

在光學發展史上，波動說和微粒說兩種觀點不斷交鋒，雖然在二十世紀物質波理論（認為任何物質包括光都具有波粒二象性）為兩者的爭論暫時劃上了句號，此後人們認為，解釋幹涉衍射現象就要用到波動理論，解釋光電效應、光在真空中的傳播就要用到微粒模型，兩者互不相干又神奇地共存於一個微觀粒子上，雖然暫時平息了爭論，但電子雙縫幹涉實驗、延遲選擇實驗深刻揭示了物質波理論的巨大隱患，也孕育了物理學取得重大發展的新機。在多年研究探索基礎上，我們認為光的微粒假說是解決一切爭端的關鍵所在，本章我們將用光的微粒模型闡述光的衍射現象。有人指出，光的粒子性並非表明光子就是一個小球，引力子是不存在的，引力作用是靠引力波傳遞的，在名稱上我們不作過多糾纏，我們的目的是探索光和引力作用規律及實質。道之所在，雖千萬人吾往矣。

（一）光的衍射現象。通常情況下光總是沿著直線傳播的，但是當光通過窄縫（或小孔）後會在屏幕上形成明暗相間的條紋（不連續的亮條紋），波動理論把這種現象稱為衍射現象。光的衍射現象是指光在傳播過程中遇到障礙物或小孔時偏離直線傳播路徑而繞到障礙物後面傳播的現象，簡單地說就是光線拐彎了。常見的衍射現象有小孔衍射、單縫衍射、光柵衍射，還有直邊衍射現象，通常人們研究較多的是單縫衍射和光柵衍射，而在實際生活中最常見的衍射現象應該是直邊衍射現象，本章我們重點討論單縫衍射現象。

(二)光的衍射條紋的特點。光通過單縫後形成的衍射條紋有如下特點：一是衍射條紋是明暗相間分布的，位於中央的亮條紋寬度最大，約為其它亮條紋寬度的兩倍，並且中央亮條紋兩側的亮條紋是對稱分布的。

二是不同衍射條紋亮度不同。一般來說，中央亮條紋的亮度最大，中央亮條紋兩側條紋的亮度隨著條紋離開中央亮條紋距離的增加而迅速減小。中央亮條紋的亮度＞第一條亮條紋的亮度＞第二條亮條紋的亮度＞第三條亮條紋的亮度＞……＞第N條亮條紋的亮度。

三是縫越窄衍射條紋越向兩邊伸展，其亮度分布也越均勻，縫越寬中央亮亮紋兩側的亮條紋亮度越小；當縫足夠寬時光基本上沿著直線傳播；當縫足夠窄時中央亮紋就會向兩邊延伸，中央亮紋兩側的其它亮條紋就會消失。

四是不同頻率的光子通過同一條單縫後形成的亮條紋寬度不同，光子頻率（能量）越大亮條紋寬度越窄，光子頻率（能量）越小亮條紋寬度越寬。例如通過同一單縫後，紅光的衍射條紋寬度就大於紫光的衍射條紋寬度。

（三）微粒假說對衍射現象的解釋。

1.0版的微粒假說對衍射現象的解釋。用微粒假說解釋光的衍射現象首先要解決的問題就是光遇到障礙物或小孔（窄縫）時為什麼會偏離直線傳播，解決不了這個問題就無法對衍射現象開展最基本的研究。在牛頓時代科技還不發達，還認識不到引力對光線的偏轉彎曲作用。上個世紀科學家通過觀測證實：從遙遠星系發出的光經過太陽表面時會在引力作用下發生彎曲（引力透鏡現象），證實了光子確實會受到引力作用，太陽引力作用可以使光線偏離原來的運動軌跡。據此推理，既然引力作用可以使光線偏離原來的運動軌跡，由於窄縫兩邊是由物質實體組成的當然存在引力作用，所以光通過窄縫發生彎曲（偏轉）這個觀點至少在理論上是可行的。光的1.0版的微粒假說認為光的本質屬性是粒子性，光經過小孔或者單縫後偏離直線傳播是縫引力作用形成的。現實生活中，光經過刀片、手指等不透明物體時都會產生直邊衍射現象，充分表明引力作用引起光線偏轉是有大量事實支持的。

看到這裡，有人會說好吧，暫且承認引力作用會造成光線彎曲偏轉，但是怎樣解釋引力作用會讓光線形成明暗相間的條紋（不連續的亮條紋）呢？引力作用使光線偏轉形成衍射條紋，這麼簡單的解釋在幾百年的時間裡不會沒有人想到吧？並且如果認為光是一種微粒且在引力作用下會發生偏轉彎曲，由於窄縫的引力並不是一成不變而是連續變化的（一般可以認為縫中心引力合力為零，從縫中心到縫邊緣處的引力連續增大），一束光通過窄縫時從縫的不同位置經過的光子偏轉角度不同，所以一束光經過窄縫後的彎曲程度也應該連續變化，這樣光通過窄縫後就會形成一片連續亮區，無論如何也不可能形成不連續的亮條紋。

如上圖所示，1.0版光的粒子模型認為在縫的引力連續變化的情況下，光經過單縫後將會在屏幕上形成連續的亮區，而事實上光經過單縫後在屏幕上形成不連續的亮條紋。這說明簡單的1.0版的粒子模型還不足以解釋光的衍射現象，不能把光子與引力子的作用簡單化，還需要我們進一步探索推出加強版的微粒模型。

2.0版的微粒假說對衍射現象的解釋。微粒假說認為光的本質是粒子，光經過單縫後並不會發生幹涉互相抵消，光子在屏幕上形成的亮條紋是不連續的、亮條紋就是光子能夠到達的地方，&34;本身並不是&34;，是光子到達不了的地方。解釋單縫衍射條紋的形成只需要解釋亮條紋的形成就可以了（&34;是不存在的），正所謂大道至簡，往往越簡單的假設就越接近真理（先自吹一下）。那麼，2.0版的微粒假說和1.0版的微粒假說主要區別是什麼？實際上1.0版的微粒假說只是簡單地把光子看作一個勻質小球，認為光子在引力作用下會發生偏轉，沒有定量分析光子在引力作用下的運動；2.0版的微粒假說則從光子內部結構及光子和引力子的作用這兩個方面進行探討，其研究領域更深入、更微觀並且有了實質性的變化，也讓我們對光子的認識及光子和引力子的相互作用理解的更加深入透徹。

（四）單縫衍射條紋的形成原因分析。

衍射條紋中的亮條紋有兩種，一種是中央亮條紋，寬度約是其它亮條紋寬度的兩倍，另一種是中央亮條紋以外的其他亮條紋。我們先從中央亮條紋的形成開始分析。

中央亮紋的形成。如圖，當一束雷射經過寬度為a的窄縫時將受到縫的引力作用，為方便起見我們把窄縫引力影響區域簡化為1265矩形區域。一般情況下，窄縫引力影響區域可以平均分成合力向上區域和合力向下區域，窄縫中3421區域內引力合力向上、並且越靠近窄縫上底部引力就越大；3465區域引力合力向下、並且越靠近窄縫下底部引力就越大；窄縫中心線（34線）處的引力合力為零。當一束雷射發出的光子經過窄縫時，大部分光子可能都沒有機會吸收&34;整數倍的引力子而發生較大角度偏轉，這些光子雖然沒有吸收足夠多的引力子但仍然會受到若干個引力子極小的衝量作用，在這個衝量作用下，從3421（引力合力向上）區域經過的光子會以一個微小的角度向上偏轉，形成投射到屏幕上的efhg亮區（形成中央亮紋的上半部分）；從3465（引力合力向下）區域經過的光子會以一個微小的角度向下偏轉，形成投射到屏幕上的ghji亮區（形成中央亮紋的下半部分），這樣所有經過窄縫引力影響區域而沒有吸收&34;整數倍引力子的光子最終投射在屏幕上形成中央亮紋（efji亮區）。可見，屏幕上中央亮紋是經過窄縫後沒有吸收引力子的光子的集合。由於經過窄縫後沒有吸收&34;倍引力子的光子往往佔絕大多數，這些光子經過窄縫後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。

根據以上推理，可以得出兩個結論：一是窄縫與屏幕的距離越大則中央亮紋越寬。這是因為經過窄縫後絕大部分光子在引力作用下或多或少會發生微小的偏轉，而這個偏轉角度是一定的，所以窄縫與屏幕的距離越大則中央亮紋越寬。二是縫寬越小則中央亮紋越寬。這是因為縫寬越小則絕大部分區域引力合力就越強，光子經過窄縫時與引力子作用的機會就越大因而其偏轉角度也越大，從而在屏幕上形成更寬的條紋。

其它亮紋的形成。因為中央亮紋兩側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，這裡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過3465區域吸收了&34;個引力子的光子偏轉投射在屏幕上形成的。假設經過窄縫的光子質量為100，而引力子的質量為0.0001，由於質量為100的光子只有同時吸收至少10000個引力子才可能形成新的、能夠穩定存在的質量為101的新光子，並且由於新光子完全吸收了10000個引力子向下的衝量因而向下偏轉的角度較大，這個新光子會投射在屏幕上中央亮紋以下第一條亮紋區域內。若干個經過3465區域並且吸收了10000個引力子光子偏轉投射在屏幕上就形成第一條亮紋。

同樣，質量為100的光子還可能吸收&34;整數倍的引力子，也就是同時吸收20000個、30000個……n＊10000個引力子。光子吸收了20000個引力子則會投射在屏幕上形成第二條亮紋、吸收了30000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量＜第一亮紋處的光子質量＜第二亮紋處的光子質量……＜第n亮紋處的光子質量，同一亮紋處的光子質量相同、不同亮紋處的光子質量不同，光子在屏幕上的不同位置是由光子質量決定的而不是機率決定的。也就是說，光子經過單縫後會在縫的引力作用下改變質量（能量或者頻率）。

有人指出光子經過單縫後會在縫的引力作用下改變質量（能量或者頻率）是不可能的，純屬胡說八道，因為沒有誰聽說過光經過單縫後會改變頻率（能量）或者改變顏色，實際上引力紅移現象已經證實光在引力作用下會改變能量，據此推理，光在單縫作用下改變質量（能量或者頻率）在理論上完全行的通，只不過這個改變非常微小目前我們還沒有發現罷了。換一種思考方式，在康普頓散射實驗中，X光經過散射後會改變波長（通常情況下是波長變長即能量減小），既然同為電磁波的X光在與物質碰撞後會改變能量，那麼同為電磁波的可見光在引力作用下為什麼就不能改變波長（頻率或者能量）呢？事實上這兩種現象是一脈相承的，都反映出光子有特定的內部結構，在和微觀粒子碰撞時能夠改變質量，這也為我們正確解釋電子雙縫幹涉實驗提供了思路。

由於經過窄縫3465引力影響區域的光子受到的引力合力是向下的，經過該區域時光子只有同時吸收了10000個引力子時它才可能形成新的質量為101的新光子，而由於新光子完全吸收了10000個引力子對其向下的衝量，所以它的運動軌跡就要向下發生較大的偏移，並投射到屏幕上形成第一條亮紋。因為在3465引力影響區域內從上到下引力合力逐漸增大，理論上講越靠近區域底部光子就越有可能吸收更多的引力子，所以經過窄縫底部區域的光子可能吸收的引力子數量是最多的，其可能吸收引力子的數目可能是10000個，也可能是20000個、30000個……甚至是N×10000個，這樣就可能投射在屏幕上就形成第二條、第三條……甚至是第N條亮紋。

衍射條紋亮度的變化規律。我們知道，窄縫3465引力影響區域從上到下的引力是逐漸增強的，在窄縫中心向下極小位移處的引力較弱，從這一區域經過的光子，若引力足夠強的話經過該處的光子可能偏移形成第一條亮紋；如果引力不夠強或者說引力子的空間密度不夠大，光子就不可能同時吸收10000個、20000個或更多的引力子，因而也就不可能形成第一條或第二條亮紋，當然更不可能形成第三條及以上的亮紋了。換句話說，從縫中心向下極小位移處經過的光子只可能對第一條亮紋的形成做出貢獻，但對第二條、第三條……第N條亮紋的形成沒有貢獻。同理，由該處再往下的極小位移處經過的光子，因為這裡的引力子密度增大，則有可能對第一條亮紋、第二條亮紋的形成做出貢獻，但對第三條、第四條……第n條亮紋的形成沒有貢獻……。位於窄縫下底部處的引力子密度最大，所以從窄縫下底部經過的光子可能對第一條、第二條、第三條……第n條亮紋的形成都做出貢獻。所以在衍射現象中，各條紋的亮度有這樣的規律：

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n條亮紋的亮度。

明白了以上道理，我們對於衍射現象的第三個特點（單縫越窄衍射條紋越向兩邊伸展，其亮度分布也越均勻，單縫越寬中央亮紋兩側的條紋亮度越小）也就更好理解了：單縫越窄，窄縫中心到窄縫下底部這一區域的引力就越強、引力子空間密度就越大，從縫中心向下極小位移處經過的光子就有更大可能吸收20000個、30000個甚至更多的引力子從而對第二條、第三條……甚至第N條亮紋的形成都做出貢獻；單縫越寬，窄縫中心到窄縫下底部這一區域的引力就越弱、引力子空間密度就越小，從縫中心向下極小位移處經過的光子就更沒有可能吸收20000個、30000個甚至更多的引力子從而更不可能對第二條、第三條……甚至第N條亮紋的形成做出貢獻。

波動理論認為單縫較寬時不會發生衍射現象，微粒模型認為光經過任何有質量的物體都會發生衍射現象，衍射現象的發生與縫的寬度並沒有任何關係。當縫寬較大時，我們為什麼觀測不到不連續的亮條紋呢？這是因為光子在引力子作用下偏轉量極小，如果縫較寬則光子發生偏轉後仍然會落在中央亮條紋區域內，因為偏轉後的光子沒有與中央亮條紋分開，所以我們除了中央亮條紋以外觀測不到其他的亮條紋，此時光子依然發生了衍射，只不過各條紋之間沒有分開罷了。單縫的寬度越窄，光子偏轉後就越容易和中央亮條紋分開，因而縫越窄越容易觀測到衍射現象。實際上縫寬很大時依然會發生衍射現象，只不過組成單縫的兩部分物質實體由於相距較遠，可以認為它們之間的引力作不會相互影響，此時就相當於光經過兩個單獨的物體產生了兩個直邊衍射現象了（可參見《直邊衍射光強分布原因分析》）。

(五)不同顏色光的衍射條紋寬度不同。

根據我們的假設，光子不能吸收1個引力子但卻可以同時吸收若干個引力子，設光子A的質量為M1、光子B的質量為M2，假設它們都吸收了10000個引力子，這些引力子的質量為m，則這兩種光子都獲得了相同的向下的衝量，此時光子A的質量變為M1＋m，光子B的質量變為M2＋m，則這兩種光子的偏移量之比為（M2+m）:（M1+m）。考慮到引力子的質量m遠遠小於光子的質量，則AB兩種光子的偏移量之比可近似為M2:M1，即有衍射條紋的寬度與光子的質量成反比的結論，也就是說：衍射條紋的寬度近似與光子的質量（能量）成反比，質量越大的光子偏轉量越小。在吸收了相同數目的引力子後，光子受到引力子向下的衝量也相同，在相同的衝量作用下，當然是質量（能量）大的光子偏轉角度小、投入在屏幕上形成的亮紋寬度也小。當然了，這個結論成立的前提條件是光子的質量遠遠大於引力子的質量，並且光子的質量越大應用這一結論就越準確，而光子的質量越小這一結論就越不準確。這就是說，不同質量（能量）的兩種光子的位移量近似與它們的質量成反比，質量越大的光子位移量越小，質量越小的光子位移量越大。這一點與實驗事實完全符合，如紅光的衍射條紋寬度大於紫光的衍射條紋寬度。

（六）直邊衍射和單縫衍射的區別與聯繫。直邊衍射和單縫衍射都是引力作用引起光子偏離直線傳播的現象，在直邊衍射現象中由於不透明物體的引力影響區域範圍較大，所以光子的偏轉主要集中在幾何陰影區域外並在此處形成光強變化（波動），幾何陰影區域內僅有少量連續分布光強；而單縫衍射現象因為縫寬很小從而限制引力影響區域的範圍也很小，光子一旦發生偏轉就會超過幾何陰影分界線並落在幾何陰影區域內，所以單縫衍射主要的光強變化（波動）都集中在幾何陰影區域內，而光強在幾何陰影區域外（中央亮紋位置）的變化非常不明顯，我們幾乎觀測不到，實際上中央亮紋兩側的其他亮條紋都是從中央亮紋處偏轉來的，中央亮紋的光強當然也有波動。

單縫衍射圖案和直邊衍射圖案的差別。上圖是單縫衍射現象的示意圖，為了便於討論，我們把直邊衍射現象的光強分布和單縫衍射形成的條紋畫在一張圖上。設單縫寬度為D，一束雷射經過寬度為D的單縫後投射在屏幕上形成明暗相間的條紋。拿掉單縫的上半部分物質實體，光經過單縫的下半物質實體後形成的圖案實際上就是直邊衍射圖案。我們把兩個直邊衍射圖案拼起來形成的光強曲線如圖中黑色曲線所示，很顯然，兩個直邊衍射光強分布圖案拼成的圖案並不是單縫衍射現象實際的光強分布圖，並且這兩者間存在巨大的差別。實際上拿掉單縫的上半物質實體，下半物質實體的引力影響區域將變大很多，光經過時將形成直邊衍射條紋；加上單縫的上半物質實體，則下半物質實體的引力影響區域將減小到縫中心位置到組成縫的下半物質實體的邊緣區域（縫中心位置以上區域為組成縫的上半物質實體引力影響區域）。

直邊衍射和單縫衍射兩者的差別主要體現在：直邊衍射形成的光強主要在幾何陰影區域外、幾何陰影區域內雖然有一些光強分布但很少（該區域內光的強度連續變化）；單縫衍射形成的光強分布主要取決於縫的寬度，當縫足夠寬時單縫衍射形成的光強主要分布於幾何陰影區域外（相當於光沿著直線傳播，實際上由於組成單縫的上下兩個物質實體互不幹擾，此時光經過單縫形成的圖案相當於兩個直邊衍射條紋）；當縫寬小於一定數值時（通常在毫米的數量級上）幾何陰影區域外的光強開始減弱、幾何陰影區域內的光強迅速增大（此時光線開始發生明顯的偏轉，並在屏幕上形成不連續的亮條紋，在幾何陰影區域內不同區域的光強波動較大、有的地方形成亮條紋、有的地方光子到達不了漆黑一片）；當縫寬足夠小時，光強從幾何陰影區域外一直連續伸展到幾何陰影區域內連續變化，此時僅有中央亮條紋。既然直邊衍射圖案和單縫衍射圖案都是由引力作用引起的，那麼它們應該遵循相同或相近的規律並且形成相似的圖案，為什麼它們形成的圖案差異會如此之大呢？

單縫衍射圖案的形成原因。假設單縫是由兩片刀片拼起來組成的，如果把直邊衍射光強分布示意圖移動到單縫中，可以畫出如上圖所示的單縫衍射光強分布圖。在這個縫寬為D的單縫中，如果拿掉單縫任一側的物質實體（比如拿掉單縫右邊的刀片），則僅剩的單縫左側的刀片將形成直邊衍射圖案；如果我們拿掉單縫左邊的刀片，則僅剩的單縫右側的刀片將形成直邊衍射圖案。

我們認為單縫衍射和直邊衍射都是引力作用的結果，在直邊衍射現象中，只有離物質實體足夠遠的區域引力合力才能視為零（實驗表明此區域以外光強沒有波動故可認為引力合力為零），實驗表明這個距離通常為釐米的數量級。但在單縫衍射現象中由於縫兩邊物質實體的影響，只有在縫正中間區域（嚴格來說是一條線）引力合力才可能為零，可見在單縫衍射現象中由於另一條邊的存在相當於把引力合力為零的區域極大壓縮了，同時極大壓縮了組成單縫物質實體的引力變化區域（從釐米級變成了毫米級甚至更小），組成單縫物質實體的引力變化區域縫中心到縫的邊緣、寬度只有縫寬的一半（通常在毫米的數量級上），而直邊衍射中的引力變化區域要大得多（往往比單縫寬度大一個數量級以上）。我們知道，產生明顯衍射現象的縫寬通常在毫米的數量級上，而在這個縫寬（毫米）一半的區域內引力合力從零增加到最大，其引力強弱變化是非常大的，由此造成單縫衍射條紋和直邊衍射條紋的不同。

說得簡單點就是在直邊衍射現象中，引力的影響區域（作用區域）更大，所以在幾何陰影分界線外光強分布有更多的表現空間。如上圖所示，不透明物體的引力作用區域為不透明物體上方的長方形區域（這個區域的長度至少為釐米的數量級），正是因為引力影響區域大（假設這個區域長度為3釐米），所以在引力影響區域內從12長方形區域經過的光子即使發生偏轉（比如偏轉量是2毫米），偏轉後的光子也還會落在幾何陰影分界線外的區域（對應單縫衍射中央亮條紋的位置），並造成此區域內光強的波動；但單縫的引力影響區域（作用區域）非常小，通常在毫米數量級以下（假設縫寬為1毫米），在這個極小的區域內光子一旦發生偏轉（假設光子偏轉量依然是2毫米）則必然會超出幾何陰影區域外（相當於中央亮紋的位置），而偏轉到幾何陰影分界線內的區域，也就是說此時光子一旦發生偏轉必然會偏轉到單縫兩邊的陰影區域內，光子吸收不同數量的引力子形成的偏轉量不同但偏轉後的光子都將落在單縫兩邊的陰影區域內，由此形成不連續變化的亮條紋。而單縫中央亮條紋處的光子由於偏轉到單縫兩邊的陰影區域（幾何陰影分界線內），所以中央亮條紋的亮度就會減弱，從而造成中央亮條紋事實上也有一定的波動性，只不過不容易被我們觀測到罷了。

最後，我們可以得出這樣的結論：只要光經過單縫就會發生衍射現象，衍射現象的發生與縫的寬度無關：縫很寬時此時發生直邊衍射現象；縫較寬時由於光子偏轉後仍然落在中央亮條紋位置，所以此時雖然產生了衍射現象但並不容易被我們觀測到；當縫足夠窄時將產生明顯的單縫衍射現象。而產生明顯單縫衍射現象的條件是縫寬小於光子的最小偏轉量，因為如果縫寬大於光子的最小偏轉量，則光子在引力作用下偏轉後仍然將落在中央亮紋區域，此時屏幕上並不會產生中央亮紋以外的其他條紋。