變化的引力場促使光子形成明暗相間的條紋

關於光的本質問題，歷史上主要有牛頓的&34;和惠更斯的&34;兩種觀點，雖然都能解釋一些光學現象但並不能解釋所有的光學現象，在雙縫幹涉實驗基礎上發展起來的物理波理論和量子力學，至今也無法圓滿解釋電子雙縫幹涉實驗和延遲選擇實驗。現在人們普遍認為解釋光電效應就要用光的粒子理論，解釋幹涉衍射現象就要用到波動理論，兩者的關係是九龍治水各管一段，光的微粒模型解釋不了幹涉衍射現象，波動理論也不能解釋光電效應，由此導致的錯誤和混亂經電子經雙縫幹涉實驗和延遲選擇實驗放大了，也反映了量子力學和相對論的局限性。過多年的探索，在綜合分析大量實驗事實的基礎上，我們認為光的微粒模型是能夠解釋所有光學現象並推動量子力學進入後量子力學時代唯一正確的理論。那麼，光的微粒模型為什麼會夭折而光的波動假說為什麼又會佔據主流地位呢？主要原因是光的微粒模型在當時並不能很好地解釋光的幹涉衍射現象。

（一）波動理論對衍射現象（光線拐彎）的解釋。

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）後會形成明暗相間的條紋，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。

光除了在衍射現象中能夠拐彎，在幹涉現象中也能夠拐彎並形成明暗相間的條紋。下圖是光在傳播過程中的幾種衍射現象，無一例外的是光線都拐彎了。

實際上波動理論對光線拐彎問題的解釋也不是一帆風順的，為了解決光線在傳播過程中的拐彎現象，惠更斯在1690年提出了波動說打算與牛頓的微粒說分庭抗禮，認為：在波的傳播過程中介質中任一波面上的各點，都可以看做發射子波的波源，其後任一時刻，這些子波就是新波前進方向的包絡面的波面。這個想法很不錯，至少初步解決了光繞過障礙物傳播的問題，為解釋光的衍射現象奠定了理論基礎。但問題隨之而來，如下圖所示，如果波通過窄縫（或小孔）產生衍射，形成的強度如圖所示，可見惠更斯原理只能定性解釋波的衍射現象，不能給出光波的強度，也不能解釋衍射現象中明暗相間條紋的形成，說明這個解釋是很粗糙的。

就在波動假說要翻車之際，大神菲涅耳出現了，他看見1.0版的波動理論在衍射實驗事實面前不堪大用，於是就對惠更斯原理加以補充完善，推出了加強版（2.0版）的波動理論，給出了關於位相和振幅的定量描述，提出子波相干疊加的概念，認為從同一波面上各點發出的子波，在傳播到空間某一點時，各個子波之間也可以互相迭加而產生幹涉現象。由此可見，波動理論對衍射現象的解釋也不是一成不變的，而是經過不斷補充發展完善而來的。在菲涅耳提出加強版（2.0版）波動理論砍倒牛頓&34;的大旗後，由於時代的局限&34;遲遲沒有出現帶頭大哥，於是眾多的&34;支持者作鳥獸散，甚至有人掉轉矛頭開始噴&34;。直到百年後愛因斯坦根據光電效應重新提出了光的微粒說，&34;這才揚眉吐氣開始重新佔據歷史舞臺，此是後話，暫且不表。

加強版（2.0版）波動理論把光通過窄縫（或小孔）形成的圖案稱為&34;，認為這個圖案是由兩部分組成的：一部分是明條紋，另一部分是暗條紋（實際上是光子沒有到達的地方）。波動理論認為光波通過窄縫在某些位置疊加後相互加強就出現亮條紋，在某些位置疊加後相互抵消削弱就出現暗條紋。

加強版（2.0版）波動理論的缺陷。隨著科技的發展，人們用電子做雙縫實驗，發現電子也會發生幹涉現象。俗話說好奇心害死貓，這話說得一點也沒錯。有大神將電子一粒一粒的發射出來做雙縫幹涉實驗，為了確保電子是一個一個經過雙縫的，當第一個電子到達屏幕以後過一段時間再發射第二個電子（以確保第一個發射的電子不會對第二個發射的電子產生幹擾），經過足夠長時間之後屏幕上依然出現了幹涉條紋，這下就捅了馬蜂窩了：波動理論認為電子雙縫幹涉條紋是多個電子間相互幹涉的結果（即通過左縫的電子與同時通過右縫的電子間產生了幹涉，發生幹涉至少要有兩個兩個以上的電子），如果有大量電子同時通過雙縫還好理解--可以認為是通過左縫的電子與同時通過右縫的電子間發生了幹涉。但現在的難點在於電子發射源每次只發射一個電子，屏幕上依然產生了幹涉條紋。事實表明一個電子發生了幹涉（產生了明暗相間的條紋），它能跟誰幹涉呢？它在同一時刻到底通過哪條縫呢？為了搞清楚單個電子到底是從哪條縫經過的、電子有沒有同時通過雙縫，科學家還是蠻拼的，他們在雙縫後加了一個儀器以便觀測電子到底通過了哪一條縫，實驗成功地觀測到電子通過了左縫、右縫、左縫、右縫……，並且實驗中發現同一時刻電子只通過一條縫，沒有觀測到電子同時通過兩條縫的情況。但更神奇的事情發生了：不加裝探測裝置觀測的時候，電子表現出波的特性（在屏幕上形成明暗相間的幹涉條紋），而一旦加裝探測裝置電子就規規矩矩地表現出粒子性（在屏幕上形成兩條亮紋）。在經歷多次實驗以後，科學家們普遍認同了這一觀點：一旦我們觀測電子就表現為粒子性，如果我們不觀測電子就表現出波動性。似乎人類的意識會影響最終的實驗結果，對此物理學界爭論不休。有人提出平行宇宙假說，有人提出哥本哈根詮釋，吵成了一鍋粥，&34;實驗更是深刻揭示了波動理論的嚴重缺陷，充分說明現有的&34;需要進一步升級和完善。擺在我們面前的只有兩條路：要麼升級提出加強版的&34;繼續打怪，要麼拋棄它，綜合各項成本來看，還是拋棄波動理論重新推動微粒模型才是正道，什麼&34;&34;都是些不入流的邪門歪道為智者所不取。

（二）微粒假說對衍射現象的解釋。

光子經過窄縫或者經過不透明物體都會發生衍射現象（即光線都會拐彎），由於光子不帶電並且也不在電場或磁場中偏轉，所以光子偏離直線傳播不可能是靜電力、磁場力作用的結果，現在就只剩 下一種解釋，光子偏離直線傳播是光子在引力作用下的結果。

1.0版的微粒假說—光子偏離直線傳播是由引力作用引起的。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只有放棄微粒假說。牛頓所處時代科技還不發達，還認識不到引力對光線的偏轉作用。在上個世紀科學家就已經通過觀測證實：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），說明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，那麼任何不透明物體都有質量並存在引力作用也會使光線偏離原來的運動軌跡，不論單縫還是雙縫都是由物質實體組成的當然存在引力作用，所以光通過縫發生彎曲（偏轉）這個觀點至少在理論上是可行的。可見，1.0版的微粒假說認為光子偏離直線傳播是由引力作用引起的，初步解決了光經過物體或者縫後偏離直線傳播的理論問題。

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呢？如果認為光是一種微粒並且會在引力作用下會發生彎曲偏轉，由於窄縫的引力並不是一成不變而是連續變化的（一般可以認為從縫中心到縫邊緣處的引力連續增大），所以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，總的來說一束光經過窄縫後的彎曲程度應該連續變化，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（如下圖所示）。這說明簡單的1.0版的粒子模型雖然解決了光線拐彎問題，但是還不能夠正確解釋衍射現象中光強的分布，還需要我們進一步探索推出加強版的微粒模型。

2.0版本的微粒假說――光子對引力子的選擇性吸收。鑑於1.0版本的微粒假說過於粗糙，我們對其進行了補充完善：不能再認為光子是一個簡單的勻質硬性小球，它有特定的內部結構。我們知道，原子核由質子和中子組成，存在&34;，只有特定質量的原子核才是很穩定的；電子的質量也不是一成不變的，也存在&34;，處於原子核束縛狀態的電子只能吸收特定能量的光子也可以&34;放出特定質量的光子。同樣地，我們認為：光子不是一個簡單的勻質硬性小球，它是由更基礎的物質組成的，自然界中能夠穩定存在的光子質量是不連續的（也可以認為光子也存在&34;）；光子有特定的內部結構，光子不能吸收單個的引力子卻可以同時吸收若干個引力子形成新的、質量更大的、能夠穩定存在的光子。

對光子而言，只有&34;整數倍的引力子才可能被完全吸收，充分表明光子吸收的引力子數目是不連續的。舉例來說，光子一次最少吸收的引力子數目只能是10000（&34;）的整數倍，那麼在某一瞬間同時有9999個、10001個、15000個、21000個、29000個、30005個……引力子與光子作用，其結果如何呢？很顯然，光子與9999個引力子作用時不能吸收這9999個引力子；光子與10001個引力子作用時將吸收10000個引力子並放出一個引力子；光子與15000個引力子作用也同樣將吸收10000個引力子並放出5000個引力子；在光子與21000個、29000個引力子作用時，它將吸收20000個引力子並分別放出1000個、9000個引力子，可見一定程度上光子與21000個和29000個引力子作用結果是相同的。同時還應該看到，光子與9999個引力子作用和光子與10000個引力子作用的結果是截然不同的：當光子與9999個引力子作用不會吸收這9999個引力子，僅僅受到引力子極其微小的衝量作用，其運動軌跡只發生微小變化；而當光子與10000個引力子作用時，它可以完全吸收這10000個引力子，故可以完全吸收這10000個引力子的衝量，導致光子的運動軌跡也將發生較大變化。正是由於光子只能吸收特定數量的引力子，造成連續變化的引力對光子作用事實上的不連續，從而使光子經過引力場後表現出不連續的特徵。

提出假設的根本目的是為了應用，下面我們就來看看2.0版本的微粒假說在解釋衍射現象上的具體應用。上圖是直邊衍射現象光強分布示意圖，圖中縱向豎直線IO線為不透明物體邊緣對應位置，從圖中可以看出，從C到P的區域引力作用逐漸增強，光強分布的波動性也逐漸增大，P點區域以外的地方由於離不透明物體的邊緣較遠，可以認為不透明物體在此處的引力為零。

如上圖，不透明物體會在其周圍產生引力場，在不透明物體的引力影響區域內，由上到下引力迅速增大（圖中不透明物體上方引力影響區域我們用了一個漸變色的長方形表示，上方顏色淺表示引力較小、下方顏色深表示引力強度大，圖畫得很醜將就看）。因為引力作用遵循平方反比定律，所以不透明物體引力影響區域內由上到下引力迅速增大。在圖中12長方形區域內（淺黃色部分），引力作用較小並且在這個區域內引力也是從上到下迅速增大的。假設從這個長方形區域的上頂部處經過的光子恰好能夠同時吸收的引力子最大數量是10000個，而從這個區域下底部處經過的光子恰好能夠同時吸收19999個引力子，則從12長方形區域內經過的光子只能吸收10000個引力子並分別放出1個、2個、3個……9999個引力子，也就是說因為引力強度的影響，從這一區域經過的光子只能吸收10000個引力子並發生一定的偏轉，可見在一定的引力範圍內，光子的偏轉方式是唯一的。從這一區域向下的23長方形區域內（顏色稍深一些）引力增大，從該區域內經過的光子可能吸收的引力子數量範圍為20000個至29999個之間，則從這一區域經過的光子只能吸收20000個引力子並分別放出1個、2個、3個……9999個引力子，可見從這一區域經過的光子偏轉角度更大。因為引力作用遵循平方反比規律，所以越靠近不透明物體引力強度增加越快，則12長方形區域長度大於23長方形區域長度，那麼是否吸收了10000個引力子的光子投射在屏幕上的寬度就大於吸收了20000個引力子的光子投射在屏幕上的寬度呢？換句話說，離不透明物體邊緣越遠的地方條紋應該越寬、離不透明物體邊緣越近遠的地方條紋應該越密，這和實驗結果完全相反，這說明我們的分析有不完善的地方。在圖中12長方形區域內，雖然這個區域寬度最大，但是因為這個區域引力合力非常弱，所以光子同時吸收10000個引力子的機率也是最小的，可能只有從底部一些區域經過的光子才可能吸收10000個引力子發生偏轉，所以此區域內光強改變量最小、條紋寬度最密。再往下一些的區域引力合力變大，此區域內光強改變量變大，由於引力合力變大（相當於引力子密度變大），在此區域內的光子吸收了若干個引力子後也有更多機會與引力子碰撞並發生較明顯偏轉，所以條紋也將變寬。當引力合力足夠大時，光強改變量也最大，光子將發生連續偏轉。

直邊衍射條紋的特點。上圖是光的幾種衍射現象，其中光照射在刀片上產生的直邊衍射現象是我們分析的重點。一般情況下，直邊衍射條紋有如下特點：1.在幾何陰影區內,光強迅速下降,但並不為零,仍有較弱的能量分布,距幾何陰影一定距離（3～4mm）後光強才逐漸減弱到接近於零。

2.幾何陰影分界線處光強既不是最大,也不是最小,光強約為無直邊衍射屏時的1/4。

3.在幾何陰影區外產生明暗相間的條紋,但明暗條紋僅限於離幾何陰影分界線很近的範圍內。也就是說在幾何陰影區外光強重新分布,產生振蕩起伏,隨著與幾何影邊緣距離的增大,條紋變密,振蕩幅度逐漸減小,最後光強趨近某一定值。

4.幾何陰影區外距幾何陰影較遠時,光強趨於均勻,保持不變,與無直邊衍射屏時相似。

如上圖所示，B（O）點把光子能夠到達的區域分成了幾何陰影區內（AB區域部分）和幾何陰影區外部分。從圖中可以看出，在幾何陰影區內AB部分光強隨著離幾何陰影分界線BO距離的增大而迅速減小；在幾何陰影區外CB部分光強隨著離幾何陰影分界線BO距離的減小而迅速減小；在幾何陰影區外CP部分光強隨著離幾何陰影分界線BO距離的增大光強的波動性逐漸減小；當距離幾何陰影分界線BO足夠遠處時光強趨近於定值、波動性消失。

我們認為光的本質是粒子，光子在引力作用下可以發生偏轉，但是單個引力子對光子的偏轉作用極不明顯，光子只有同時吸收&34;個引力子後才會發生較明顯的偏轉。因為光的本質是粒子，所以光子經過不透明物體後並不會因為相互幹涉而消失，打個比方，50000個光子經過不透明物體投射在屏幕上還是50000個光子，並不會少一個也不會多一個。如果沒有引力作用，則光子經過不透明物體後在幾何陰影區內光的強度為零（也就是說光子不可能到達這裡），在幾何陰影區以外不同區域光的強度應該是一致的。事實上由於光子經過不透明物體時必然受到引力作用的影響，由此造成幾何陰影區以外光的強度是變化的，因為光子的總數是不變的，某一區域光的強度增加必然是其他區域光的強度減少造成的，並且某一區域增加的光強一定等於另一區域減少的光強。換句話說，如果在幾何陰影分界線向外一定距離處光的強度大於平均強度，必然有某處的光強度小於平均強度。我們認為光強大於平均值的地方是光子在引力作用下偏轉到此處堆積形成的，某個區域光子吸收&34;個引力子後發生較明顯偏轉，則該區域內的光強必然就要小於平均光強。如上圖所示，DE區域內的光子由於受到引力作用沿著引力方向偏轉到CD區域內，則DE區域內的光強必然減小而CD區域內的光強必然增大。由於距離幾何陰影分界線越近引力就越強，所以越靠近幾何陰影分界線光強的改變就越明顯（光強的波動性也越大），而遠離幾何陰影分界線光強的改變就越不明顯（光強的波動性也越小），當然了距離幾何陰影分界線足夠遠處時光強的改變（光強的波動性）非常小就可以忽略不計了，此時光強等於平均光強。也就是說FG區域內的光強改變必然小於DE區域內的光強改變，CD區域內光的強度要大於EF區域內光的強度。這裡還有一個推論應引起我們的重視，因為光子的總數是一定的，所以CD區域內增加的光強約等於DE區域內減少的光強，換句話說，如果DE區域內的光子數量比平均值少了800個，則CD區域內的光子數量一定比平均增加了800個。

接著分析，上圖中BC區域由於最靠近不透明物體的邊緣，所以在這個區域內光子受到的引力是最大的（相對於其他區域而言），所以從BC區域內經過的光子將在引力作用下偏轉到幾何陰影區域內（即AB區域內），這就造成幾何陰影區域內光的強度不為零的現象。由於BC區域內引力最強、光子受到的引力也最大，那麼光子為什麼沒有形成不連續的亮條紋呢？這是因為當引力較大時，雖然吸收了10000個引力子的光子和吸收了20000個引力子的光子偏轉角度不同、到達屏幕上的位置也不同，但是吸收了10000個引力子的光子同時可能受到多個引力子的碰撞作用，這個碰撞作用使光子發生偏轉，由於該區域內引力強度較大，所以光子與引力子的碰撞非常頻繁，從而導致吸收了10000個引力子的光子的偏轉角度是連續變化的，由此造成幾何陰影區域內的光強是連續改變的。 這正是直邊衍射現象第一條特點的形成原因。

如上圖所示（畫得有點醜將就看一下），如果我們把光經過不透明物體形成的圖案投射在屏幕上，可以看到，幾何陰影區域內從B點到A點光強迅速減弱，幾何陰影區域外從C點到P點經過的光子會表現出&34;並在屏幕上形成以下的光強特徵：離幾何陰影分界線稍近的地方光的強度增加較多並且形成的條紋寬度也越大，離幾何陰影分界線稍遠的地方光的強度增加較少並且形成的條紋寬度也越窄，離幾何陰影分界線再遠一點的地方光的強度增加不明顯並且形成的條紋寬度也更窄，最終離幾何陰影分界線足夠遠的地方光的強度為一個定值，此時光強的波動性為零。這也是直邊衍射現象中第三條&34;形成的原因。

從直邊衍射的實驗事實來看，引力對光子的作用主要有兩個特點：一是當引力作用較微弱時，光子在引力作用下主要表現出不連續偏轉的特點，即光子可能吸收10000個引力子發生偏轉，也可能吸收20000個引力子發生偏轉，還可能吸收30000個引力子發生偏轉，光子吸收不同引力子數量的偏轉角度也不同，可以認為引力作用對光子的作用是不連續的。二是當引力作用較強時，光子在引力作用下主要表現出連續運動的特點。打個比方，吸收了10000個引力子的光子發生1度偏轉，吸收了20000個引力子的光子發生2度偏轉，但是由於此區域內的引力強度較大（引力子密度較大），所以吸收了10000個引力子的光子在與大量引力子碰撞後也會發生連續偏轉，從而形成連續的亮區。

下圖是不同寬度單縫形成的衍射條紋圖案，從圖中可以看出，當單縫寬度小於毫米數量級以後就會形成較為明顯的不連續亮條紋，並且縫越窄形成的不連續亮條紋寬度越大，當縫足夠窄時形成的亮條紋就是連續的了。

3.0版本的微粒假說――光子在變化的引力場中會形成不連續的亮條紋。之前我們總是強調物體的引力作用使光子形成了不連續的亮條紋，很多人就對引提出質疑，認為刀片很薄、質量也非常小，刀片的引力能夠對光子的運動產生影響嗎？地球的質量比刀片要大很多個數量級、其引力場比刀片的引力場不知道要強大多少倍，為什麼地球引力場不會引起光子的偏轉？這個問題提得好，我們認為其根本原因在於地球引力場是均勻的，而均勻的引力場不會引起光子產生不連續的亮條紋，只有連續變化的引力場才能夠使光子產生不連續的亮條紋，當然了引力場足夠強時光子的偏轉又是連續變化的了。

刀片能夠使光子產生直邊衍射現象、形成光強波動性變化的原因是，刀片周圍的引力場並不是均勻的，離刀片越近引力場越強，由此造成了光在不均勻的引力場中形成不連續的亮條紋：當引力場較弱時光子只能同時吸收10000個引力子發生1度的偏轉；當引力場較強時光子可能同時吸收20000個或者30000個引力子發生2度或者3度的偏轉，當離物質實體足夠近時引力場足夠強，此時光子的偏轉就是連續的了。

還有人指出，即便認為引力能夠使光線形成明暗相間的條紋，但是無法解釋光柵衍射問題和光的偏振問題。光柵是由大量等寬等間距的平行狹縫構成的光學器件稱，一般常用的光柵是在玻璃片上刻出大量平行刻痕製成，刻痕為不透光部分，兩刻痕之間的光滑部分可以透光，相當於狹縫，精製的光柵可以在1釐米寬度內刻有幾千條乃至上萬條刻痕。利用透射光的光柵稱為透射光柵，還有一種利用兩刻痕間的反射光衍射的光柵，如在鍍有金屬層的表面上刻出許多平行刻痕，兩刻痕間的光滑金屬面可以反射光，這種光柵稱為反射光柵。一個理想的衍射光柵可以認為由一組等間距的無限長無限窄狹縫組成，狹縫之間的間距為d，稱為光柵常數。當一束光垂直入射於光柵時，會在屏幕上形成明暗相間的幹涉條紋。

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。

在光線經過反射時，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，光子同樣能夠吸收若干個不同數量的引力子而發生不同角度的偏轉並在屏幕上形成不連續的亮條紋，這也是反射光偏振的原因，後面我們將詳細討論。