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txj7301金虫 (正式写手)
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粒子观点对传统波动说的挑战与思考已有1人参与
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第一节 粒子说与波动说争论的焦点及各自的不足 近代以来，物理学取得了丰硕的成果：16世纪天文学家哥白尼的“日心说”取代了“地心说”，17世纪牛顿提出三大运动定律和万有引力定律，奠定了经典力学理论的基础。18世纪发现了点电荷并建立了库仑定律，19世纪X射线、放射线和电子的发现，使物理学的研究由宏观进入到微观，也标志着现代物理学的产生。20世纪初爱因斯坦提出相对论，德布罗意提出了物质波假说，之后薛定谔等人提出了量子力学，“黑洞”“宇宙大爆炸”假说的提出彻底改变了人们的时空观念。相比于之前物理学取得的巨大成就，近几十年来物理学却显得有些沉寂。实际上阻碍当今物理学发展的并不是实验设备和观测手段的滞后，而是认识方法和思想观念的束缚，双缝干涉实验打开了潘多拉魔盒，延迟选择实验引发了人类对因果律的质疑，“虫洞”“平行宇宙”等一系列奇思妙想使物理学发展逐渐偏离了正确的研究方向。原始返终，当代物理学发展的主要瓶颈就是对微观粒子“波动性”的错误认识，而正确认识微观粒子的粒子本质就是彻底解决上述矛上述瓶颈唯一正确有效且明智的选择。人们对微观粒子的研究最早是从光子开始的，物理学发展史上对光本质的认识过程可谓是一波三折，关于光的本质问题物理学家提出了微粒说和波动说两种主流观点，我们将循着历史的轨迹分析对光的认识过程，并对光的本质进行深入探讨。 微粒说首占上风。17世纪初以牛顿为首的科学家认为光的本质是粒子，光是由一颗颗像小弹丸一样的微粒组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入我们的眼睛冲击视网膜，就引起了视觉。微粒说可以很好地解释光的直线传播、反射和折射现象，又能解释常见的一些光学现象，加之牛顿在物理学领域的巨大威信，所以光的微粒说很快获得了人们的普遍承认和支持。牛顿指出，在光子进入介质时将受到介质引力作用，因此光在介质中的传播速度大于光在真空中的传播速度。1850年傅科用实验证明光在介质中的传播速度小于真空中的传播速度，对光的微粒说提出了挑战。这也是光的微粒说难以解释的第一个问题：为什么光进入介质会减速而离开介质又会突然增大速度，并且这一过程可以反复重复，是什么原因使光的速度反反复复发生变化的呢？ 波动说取得初步胜利。惠更斯坚持认为光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种特殊的叫做“以太”的弹性媒质来传播。1801年，英国著名物理学家托马斯·杨进行了著名的杨氏双缝干涉实验，并在此基础上提出了光的波动说。1808年，拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射线现象，批驳了杨氏的波动说。1809年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象，他发现光在折射时是部分偏振的，因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为反对波动说的有利证据。1811年，布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振定律。光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说一度陷入了困境，物理光学的研究开始朝着向有利于微粒说的方向发展。1819年，非涅耳和阿拉戈建立了光波的横向传播理论。由于惠更斯认为光在水中的速度小于在空气中的速度，这与牛顿的观点正好相反。1850年，法国科学家傅科采用旋转镜法分别测量了光在空气和在水中的速度，证实光在介质中的传播速度小于真空中的传播速度，为光的波动说再下一城。1882年，德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象。之后，施维尔德根据光的横波理论对光栅衍射现象进行了成功的解释。至此，光的波动学说普遍获得了承认。光的波动说取得了胜利说明光的微粒说在解释干涉衍射现象时遇到了难以解释的问题，所以光的微粒说难以解释的第二个问题就是：如何正确解释光在干涉衍射现象中形成的明暗相间的条纹。 微粒说再次胜利反转。1887年，英国物理学家麦克尔逊与化学家莫雷用“以太漂流”实验否定了“以太”的存在，再次暴露了波动学说的短板。同年，赫兹在实验中发现，当光照射到金属表面上时有电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应。普朗克在1900年研究物体热辐射规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的、而是一份一份进行的，计算的结果才能和试验结果相符。爱因斯坦随后提出了光量子假说，认为光和原子、电子等微粒一样也具有粒子性，光就是以光速C运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。光电效应的发现和光量子理论的提出使光的微粒说重新占据了历史舞台。光电效应是波动说面临的第一个难题，波动理论完全无法解释光电效应，同时，波动说无法解释光在真空中的传播问题，也找不到“以太”存在的证据。 双方握手言欢--光具有波粒二象性。1921年，康普顿散射实验证明X射线具有粒子性。1927年，杰默尔和乔治·汤姆森在试验中证明了电子束具有波的性质。后来人们也相继证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线同样具有波的性质。1961年，克劳斯·约恩松用电子做双缝实验，发现电子也会发生干涉现象。1974年，皮尔·乔治·梅利用单个的电子做双缝干涉实验，也观测到了干涉条纹。为了兼顾光具有粒子性和波动性的事实，人们认为光既具有粒子性又具有波动性，光的本质属性是波粒二象性。至此，人们普遍认同了物质波理论，认为一切物质都同时具有波动性和粒子性，光子总是以波的形式在空间分布和传播，它总是同时通过双缝中的左缝和右缝、甚至是同时通过3缝、4缝、5缝或者多条缝，而我们一旦对其进行观测，它就会坍缩为一个点并表现为物质实体属性，这也是量子力学“测不准”原理描述的内容：同一时刻粒子的位置与动量不可能被同时确定。 物质波理论无法解释的问题。就在当代物理学把粒子性和波动性通过胶水工艺粘在一起推出所谓的波粒二象性兼容的“物质波”理论，看起来很厉害的样子，然并卵，问题并没有得到根本解决，相反电子单缝实验和延迟选择实验（量子擦除实验）直接颠覆了我们对因果律的认识，造成了更多的困扰－－未来发生的事情甚至可以改变已经发生的事实，这个推论已经把波动理论的缺陷及矛盾推向了极致，也表明波动理论已经走向了穷途末路，可悲的是人们并没有发现问题到底出在哪而是认为物质的本质就是如此，更有一些喽啰为之摇旗呐喊认为世界本来是不确定的或者是不可认知的。由此，微粒说肩负起的一个重要任务就是：正确解释电子双缝实验延迟选择实验（量子擦除实验），推动物理学研究重新走向正确的研究发展道路。 综上所述，光的波动说无法解释的问题主要有三个：一是光电效应问题，二是光在真空中的传播介质问题；三是合理解释电子双缝实验延迟选择实验（量子擦除实验）。光的粒子模型需要解释的主要问题也有三个：一是光在介质中的传播速度问题，二是光的干涉衍射现象形成的明暗相间的条纹问题，三是正确解释电子双缝实验延迟选择实验（量子擦除实验）。本章我们将主要围绕粒子模型需要解释的三个主要问题进行分析阐述。 第二节光在介质中的传播速度及其微观解释 （一）解释光在介质中的传播速度的难点问题。1850年，法国科学家傅科采用旋转镜法测量了光在空气和在水中的速度，傅科测得光在空气中的速度为289000千米每秒。光可以从真空中射向介质，同样可以从介质中射向真空，光在真空中的传播速度为C在介质中的传播速度小于C。解释光在介质中的传播速度最大难点在于光传播速度的变化，如一束光在介质中以0.8C传播，此时光从介质中进入真空则光速度会突然增大到C，再次进入相同介质后速度又会减小到0.8C，传统微粒模型无法解释光子速度突然增大或者突然减小的原因，因为没有任何力的作用使光子突然加速或者突然减速，自然也就无法解释光子在进入介质－真空－介质过程中速度反复变化的现象。 （二）光在介质中的传播速度与真空中的传播速度相同始终是C。看到这里有人会骂标题党，我们强烈建议大家花两分钟时间看完下面的分析再喷。举一个简单的例子，在一条长度为1000公里的公路上公交车和出租车都以相同的每小时60公里的速度行驶，这条公路上每1公里设有一个车站，按照规定出租车在每站的停留时间为1分钟，公交车在每站的停留时间为5分钟（因为公交车上下车的人比较多需要的时间就长）。则公交车和出租车以相同速度走完这段公路出租车所用时间少于公交车所用时间，也就是说出租车的平均车速大于公交车的平均车速。但实际上，公交车和出租车的速度是相同的都是每小时60公里，只不过公交车在每站停留的时间较长从而使其平均车速较慢，出租车在每站停留的时间较短从而使其平均车速较快。这个简单例子看不懂的人就洗洗睡吧，不用再往下看了，再看也是浪费时间。 与之类似，光子在真空中和介质中的传播速度始终都是C，只不过光子在真空中传播时没有与原子作用，所以其平均速度始终为C；而光子在介质中传播时会不断与介质中的原子发生碰撞，光子与原子从碰撞到分离是需要一定时间的（就像公交车出租车到每站都要停留一段时间一样），考虑光子与原子的作用时间后自然就造成光子在介质中的平均传播速度小于C。这里我们提出了光子在介质中的平均传播速度这个概念，平均传播速度和光子在介质中的传播速度是两个概念，平均传播速度永远小于传播速度。光子和原子的作用时间指光子与原子从相遇到分离所需要的时间，光子在介质中的传播中会多次遇到介质中的原子（就像公路上的车站一样），光子遇到原子就会短暂停留一小段时间，之后再离开原子继续行进，光子在行进的路程上不断与原子作用(结合)--分离、传播极小距离后再与原子作用(结合)--分离，这一过程不断重复，造成光子在介质中的平均传播速度小于光子在真空中的传播速度。而实际上光子在介质中的传播速度和光子在真空中的传播速度是一样的，都是C。光子在介质中的平均传播速度主要取决于光子与原子的作用(结合)时间长短，光子与原子作用(结合)时间越长则光子在介质中的平均传播速度越小。实验表明能量不同的光子在介质中的传播速度是不同的，如紫光在介质中的传播速度小于红光在介质中的传播速度，波动理论用不同波长的光在同一介质中折射率不同来解释，但是用粒子模型解释起来更直观也更加符合实际。 （三）电子内部结构特征。如果我们像牛顿那样简单把光子看作是一个匀质的硬性小球，则无法解释光子与原子的作用及在介质中的传播问题，所以我们先来学习借鉴一下电子的内部结构。①电子的本质属性是粒子性，电子具有特定的内部结构，可以吸收光子也可以放出光子并且这一过程可以无限次重复，所以电子质量并非一成不变的而是时刻处于变化之中的。②与原子核“质量幻数”相似，电子也存在若干个不连续的结合能极大值――“质量幻数”，每个“质量幻数”对应于电子在原子中的一条稳定轨道；电子在原子中不同稳定轨道上的质量是不同的，电子离核越近质量越小、离核越远质量越大。③电子离原子核越近质量越小、内部各部分结合的越紧密、“饥饿程度”越高因而其结合光子的能力越强；电子离核越远质量越大、内部各部分结合的就越松散、“饥饿程度”越低、其结合光子的能力就越弱。④当电子与原子核在静电引力作用下沿着直线相互靠近时，电子会通过“裂变”放出光子获得反冲从而增大绕核速度，保证其不落入原子核中；电子在远离原子核时又会迅速吸收光子增加质量为下一次“裂变”做好物质储备。⑤原子中处于原子核束缚状态的电子只能吸收特定能量的光子，因为只有特定能量的光子和电子结合后才会处于“质量幻数”--其内部结合力较大足以抵御原子核静电引力撕扯作用。⑥虽然电子可以吸收光子增大质量，但是电子存在“临界质量”，大于“临界质量”的电子都是极不稳定的，并将在极短时间内裂变放出光子并重新生成能够稳定存在的质量较小的电子。 需要特别强调指出的是：从电子内部结构的观点来看，电子的质量不能无限增大，现有的实验无一例外地表明一个事实：不仅电子的质量是不能无限增大的，任何一种微观粒子都存在“临界质量”而不可能无限增大质量。我们特别强调指出这一点的原因是：相对论认为在加速电场中的微观带电粒子速度越高质量越大，而微观粒子存在“临界质量”的事实彻底否定了这一观点，毕竟我们谁也没有见过拳头大的电子和足球大的质子，甚至也没有人见过黄豆大的电子和鸡蛋大的质子，这也为我们揭示相对论的不足埋下伏笔。 如果我们用横坐标表示电子的质量，用纵坐标表示电子内部的结合力，则我们可以大致画出电子质量内部结合力草图。从图上可以看出，电子质量越小内部结合力越大同时离原子核越近、吸收光子的能力越强，电子质量越大内部结合力越小、离原子核越远、吸收光子的能力越弱，当电子吸收了质量足够大的光子后会处于“临界质量”，此时电子不能继续吸收光子增大质量了，在外界微小扰动作用下电子又会“裂变”放出光子减小质量。电子在离原子核较近的“质量幻数”位置可以吸收一个特定能量的光子达到离原子核较远的另一个“质量幻数”，也可以在离原子核较远的“质量幻数”位置“裂变”放出一个特定能量的光子从而回到离原子核较近的另一个“质量幻数”位置。电子可以吸收光子也可以“裂变”放出光子来改变自身的运动状态，这是深刻认识电子在原子中的运动规律最重要的一点，由于电子的质量占原子质量的千分之一以下，所以通常情况下电子质量的变化对整个原子质量的影响很小，但我们也应该能够观测出来。事实上在化学变化中往往伴随着发光发热现象，物质放出了光子肯定损失了质量。有喷子指出光子没有静质量，对这个问题我们将在后面讨论。 （四）光子内部结构特征。我们认为：①光的本质是粒子，自然界中能够稳定存在的光子质量是不连续的，光子的质量只能是最小质量的整数倍。②不同质量的光子有不同的内部结合力，一般而言光子质量越小内部结合力越大，光子质量越大内部结合力越小。③光子存在“临界质量”，质量大于“临界质量”的光子在自然界中是不稳定的，会在极短时间内“裂变”生成能够稳定存在的质量较小的光子。 如果我们用横坐标表示光子的质量，用纵坐标表示光子内部结合力，则我们同样可以画出光子质量结合力草图。从图中可以看到：质量较小的光子其内部结合力较大；光子可以吸收其它物质增大质量，比如光子可以吸收若干个引力子增大质量；与电子内部结合力类似，质量极大的光子由于内部结合力较小在与其它粒子作用时会被其它粒子“掠夺”一部分质量，比如在康普顿散射实验中能量较高的X射线光子被物质散射后波长变长（能量变小，实际上是质量有损失），这个实验从一定程度上证明了大质量的光子内部结合力较弱，会被其他粒子“掠夺”一部分质量。 自然界中稳定存在光子的质量不连续的观点是有实验事实支持的，上个世纪初物理学家在研究热辐射现象时发现：任何物体只要其温度在绝对零度以上都会向周围辐射能量，同时也会从外界吸收能量。普朗克在1900年研究物体热辐射规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的、而是一份一份进行的，计算的结果才能和试验结果相符。爱因斯坦随后提出了光量子假说，认为光和原子、电子等微粒一样也具有粒子性，光就是以光速C运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子，每个光量子的能量E=hν。黑体辐射现象和光量子假说无一例外地说明一个事实：光子的能量是一份一份的，自然界中能够稳定存在的光子的能量（质量）都是不连续的，所有光子的能量均为某个最小能量的整数倍。 （五）光子与原子中的电子的作用规律。如果我们把原子近似看作一个球体，由于原子核的体积很小只占原子空间的极小一部分（原子核的体积比原子体积小若干个数量级，可以参考太阳体积与太阳系的体积对比），所以光子穿过原子时与原子核作用的概率极小，也就是说当一个光子穿过原子核时光子与原子核相互作用是一个极小概率的事件，一般情况下也可以认为光子不会与原子核作用，所以研究光子与原子的作用主要是考虑光子与原子中的电子的作用。我们知道，原子核外通常有一个或者若干个电子在围绕原子核旋转，离原子核越近的电子质量越小其运动区域（以原子核为中心形成的球壳部分）越小、占原子体积的比率也越小；离原子核越远的电子质量越大其运动区域越大、占原子体积的比率也越大。当一个光子穿过原子时，由于外层电子的运动区域较大所以光子与外层电子相遇的概率大于与内层电子相遇的概率，而光子与原子内层电子相遇作用的概率又大于光子与原子核相遇的概率。所以任一光子在穿越原子时，光子与外层电子的碰撞几率通常大于光子与内层电子的碰撞几率。 在了解了电子质量结合力曲线以后，很多人认为电子与光子的作用规律非常简单：因为电子离原子核越近“饥饿程度”越高、结合光子的能力也越强，所以必然是离原子核越近的电子吸收光子的几率越大、离原子核越远的电子吸收光子的几率越小。实际上这是初学者的错误观点，考虑离原子核远近不同的电子对光子的吸收率不仅要考虑电子内部结合力（“饥饿程度”），还要考虑电子和光子的结合几率。 如果我们用横坐标表示光子的质量，用纵坐标表示光子的质量，则我们同样可以画出不同质量电子对不同光子的吸收率曲线草图(这个比例非常不协调，凑合着看)。可以看到：质量较大的电子（外层电子）对能量较小的光子吸收率较大，质量较小的电子（内层电子）对能量较大的光子吸收率较大。也就是说，原子中的最外层电子对无线电波这些小质量的光子吸收几率较大，而对X射线、γ射线的吸收率较小，一般情况下我们可以认为原子中外层电子不会吸收X射线、γ射线。根本原因在于，原子中的外层电子质量本来就比较大、“饥饿程度”低所以结合光子的能力也小，如果此时电子吸收一个大质量光子则有可能质量大于“临界质量”，而这样的电子是极不稳定的，由于外层电子时刻受到原子核静电引力的撕扯作用，而外层电子和大质量光子的结合力是很小的，所以在原子核静电引力的撕扯作用下外层电子并不会吸收X射线、γ射线这类高能（大质量）光子，外层电子总是吸收小质量的光子（可能性较大）。在光电效应中外层电子吸收一个质量较大的光子可以电离（摆脱原子核静电引力作用形成自由电子），当光子的能量（质量）继续增大时由于外层电子和光子的结合力变小导致外层电子对能量（质量）的光子吸收率减小，当电子对光子的吸收率很低时，即使光子能量很大也不会使外层电子电离，所以外层电子几乎不会吸收X射线、γ射线这类高能（大质量）光子。 当光子与原子中的内层电子作用时，由于内层电子离原子核较近质量较小、“饥饿程度”较高因而结合光子的能力较大。那么是不是内层电子对光子的吸收率高呢？不是的，一方面内层电子的运动区域小，光子在穿越原子时与内层电子作用几率较小，另一方面由于内层电子离原子核较近因而受到原子核静电引力的撕扯作用也很强，当内层电子吸收了一个质量较小的光子后虽然内层电子和光子的结合力较大，但是如果光子不能使内层电子跃迁到离原子核更远的轨道上，在原子核静电引力的撕扯作用内层电子会很快“裂变”放出光子，如果光子的能量足够大可以使内层电子电离，所以内层电子对能量足够大的光子的吸收率较大。 （六）光电效应的微观解释。1887年赫兹首先发现了光电效应（光电效应是指高于特定频率的光照射在金属上形成光电流的现象），光电效应有如下特点：一是当照射光频率低于截止频率时没有电子逸出；二是光电子的初动能与照射光的频率有关而与光的强度无关；三是光电子产生具有瞬时性；四是照射光的强度只影响光电流的强弱。波动理论一是不能解释为什么照射光存在截止频率，且不随光强变化。根据波动性理论，无论照射光的频率是多少，只要照射光强足够大，时间足够长，电子就能获得足够的动能脱离阴极。二是不能解释为什么电子的产生都是瞬时的。按照波动光学的观点，在特定截止电压下，产生光电效应的时间应该与光强成反比，但是无论何光的强度如何，只要满足截止频率和截止电压的要求，光电效应的产生时间都在10e-14s量级。三是不能解释为什么存在截止电压，且只随频率变化。按照波动光学的观点，脱离阴极的电子的动能应该正比于正比于光强和照射时间，因此电子动能上限应随着光强和照射时间而变化，也就是截止电压会随着光强变化。 爱因斯坦用光的粒子理论成功解释了光电效应，实际上用光子模型很容易解释光电效应：处于原子核束缚状态下的“饥饿”的电子有吸收光子的能力，如果光子的能量足够大，就有可能和电子结合后使电子摆脱原子核静电引力束缚而成为游离态的自由电子，能量低的光子显然不能使电子“电离”成为自由电子。由于爱因斯坦的光粒子理论没有考虑电子内部结构及电子对光子吸收率，造成对光电效应的解释还存在一些缺陷，主要是：一是不能正确解释电子同时吸收两个或者两个以上的低能量光子电离的情况，二是不能正确解释高于截止频率高能光子（如高能X射线、γ射线）为什么不能使原子中的外层电子电离成为自由电子的问题，根据爱因斯坦的假设只要光子能量足够大就会使原子中的外层电子电离，但实际上高能光子如γ射线并不能够使外层电子电离成为自由电子，高能光子如γ射线只能使原子中的内层电子电离。由于不是我们讨论的重点问题，这里略过。 （七）热现象的微观解释。作为光子和电子的相互作用的一个附加结论，我们可以顺便升级一下分子运动论的理论。一是温度和化学反应速度的关系问题。实验表明：温度越高化学反应速率越快,温度越低化学反应速率越慢。分子运动论对此的解释是：温度升高,反应活化分子数增多,有效碰撞增加,反应速率加快。对气体而言温度升高气体分子之间碰撞的次数增加，所以化学反应速度加快。但对于混合的固体粉末而言，就有些牵强了：因为固体分子并不像气体分子那样可以随意碰撞。用原子内部结构的观点来解释就非常容易理解了：原子是由原子中的原子核和核外电子组成，化学反应的实质是电子从一个原子中转移到另一个原子中，当然这是一个弱肉强食的过程，在这个过程中电子会“裂变”向外放出光子。温度越高最外层电子离原子核的距离越远因而也越容易失去，温度越低最外层电子离原子核的距离越近因而也越不容易失去。实际上化学反应中的发光发热现象实质是电子“裂变”放出光子的过程。二是做功与热现象。分子运动论笼统地认为摩擦生热与敲打均是能量转化,相互摩擦的物体表面分子相互碰撞的过程，由机械能转化为热能。从原子内部结构的角度来讲很容易解释摩擦生热的根本原因：相互摩擦的物体表面分子相互碰撞，必然对分子（原子）产生压力，而原子中的外层电子受到指向原子核的压力（径向压力）时必然会靠近原子核，电子靠近原子核时其受到的静电引力必然增大，而原子核静电引力的增大必然导致其对电子的撕扯作用增大，当电子内部结合力不足以抵御原子核静电引力撕扯作用时它将“裂变”放出光子并获得反冲从而保证其不落入原子核中。没有原子系统“裂变”放出光子这个前提做功是无法改变物质内能的。三是液体的折射率随着温度升高而降低。我们都知道，通常情况下液体的折射率随着温度升高而降低，用分子运动论的观点无法从根本上解释这个问题。用原子结构的观点就很容易解释这个问题，原子中不同轨道上的电子对不同光子的结合力是不同的，电子离核越近结合光子的能力越强、离核越远结合光子的能力越弱，通常情况下温度越高电子离原子核就越远，因而和可见光光子结合力就越弱，宏观上就表现出液体的折射率随着温度升高而降低。 分子运动论无法解释为什么红外线的热效应强于可见光、可见光的热效应强于紫外线，当代物理理论对此也没有合理解释。从电子对不同质量光子的吸收率图上可以看出，只有能量较小的光子才能够被外层电子吸收，外层电子吸收了红外线光子后可能跃迁到离核更远的稳定轨道上（径向远离），也可能迫使外层电子回到离原子核更近的轨道上（径向靠近），如果外层电子受到径向压力作用回到了离核更近的轨道上，由于离核更近所以原子核静电引力撕扯作用将增大，此时外层电子会迅速“裂变”放出能量较大的光子（大于其吸收的红外线光子的能量），由于输出能量大于输入能量所以物体的温度就会升高。为什么可见光的热效应弱于红外线的热效应呢？这是因为当光子能量继续增大时，外层电子对光子的吸收率下降，所以外层电子回到离原子核更近的轨道上的几率也下降，其“裂变”放出光子的几率也较小。有人指出：可见光的能量更大被次外层的电子吸收的几率增大，次外层的电子吸收可见光回到离原子核更近的轨道上也会迅速“裂变”放出能量较大的光子，由此可见光的热效应也应该很明显而不会弱于红外线的热效应。理论上这样分析没有错，但是却忽略了光子与原子中不同电子的作用几率。前面我们指出：原子核在原子中占有的空间体积最小，因而光子与原子核的作用几率是最低的，内层电子运动区域小于外层电子的运动区域，所以可见光光子与内层电子的作用几率小于红外线光子与外层电子的作用几率，所以红外线的热效应更加明显。综合来讲，外层电子“裂变”放出光子是物质温度升高的主要原因，也就是说外层电子对物质热现象的贡献最大。 （八）能量不同光子在介质中传播速度不同的微观解释。对于处于原子核静电引力束缚状态下的电子而言，它是处于“饥饿状态”的，此时电子结合光子的能力较强，光子与电子结合后，在径向上电子既可能受到远离原子核的扰动作用也可能受到靠近原子核的扰动作用，光子的能量越大对电子的扰动作用越明显，光子和原子的相互作用时间也越长。举一个不恰当例子，若设电子在离原子核500个长度单位的轨道上绕原子核运动，与能量是80个能量单位的光子相遇，如果光子对电子的扰动作用是指向原子核的，则电子就会在这个作用下开始靠近原子核最终电子运动到离核460个长度单位的轨道上（电子向着原子核运动了40个长度单位），此时由于原子核静电引力撕裂作用大于电子内部的凝聚力，电子就会“裂变”重新放出光子80个能量单位的光子并获得反冲重新回到离核较远的稳定轨道上，从而并避免了被原子核静电引力拉入原子核。若同样的电子与能量是150个能量单位的光子相遇，并且光子对电子的扰动作用同样是指向原子核的，则电子就会在这个作用下开始靠近原子核最终电子运动到离原子核410个长度单位的轨道上电子向着原子核运动了90个长度单位），电子运动到这里时由于迅速增大的原子核静电引力撕扯作用大于电子内部结合力，电子就会在这里“裂变”重新放出光子。这里我们看到，80个能量单位的光子使电子向着原子核运动了40个长度单位后就与电子分离，而150个能量单位的光子使电子运动了90个长度单位才与电子分离，显然能量越大的光子和电子从碰撞－－结合－－分离经过的时间就越长，也就是说能量越大的光子和介质中原子的作用时间越长，于是在宏观中就表现为能量越大的光子在介质中的平均传播速度越小。 作为解释光子在不同介质中传播速度的副产品，也能用电子内部结构和光子相互作用的规律成功解释原子明线光谱和暗线光谱的形成，由于不是本章讨论重点，这里略去。 第三节 明暗相间干涉条纹形成的微观解释 （一）杨氏双缝干涉实验。1801年，英国物理学家托马斯·杨把一支蜡烛（光源）放在一张开了一条窄缝的纸前面，纸后面再开两道平行的窄缝，从窄缝中射出的光穿过两条窄缝投射到屏幕上，就会形成一系列明暗交替的条纹，托马斯·杨称之为干涉条纹。光的双缝干涉条纹是一组平行等间距的明暗相间的直条纹。中央为零级明纹，各条纹左右对称、明暗相间、均匀排列，中间部分各条纹的亮度是基本相同的；如果用白光作实验,则除了中央亮纹仍是白色的外,其余各级条纹形成从中央向外由紫到红排列的彩色条纹；对于同一条双缝，入射光波长越长屏幕上形成的条纹就越宽。 波动理论认为：光的干涉现象是两列或多列相干光源在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，从而形成稳定的强弱分布的现象。只有两列光波的频率相同、相位差恒定、振动方向一致的相干光源才能产生干涉。由两个普通独立光源发出的光，因为不可能具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，所以不能产生干涉现象。这个解释猛的一看没什么问题，可是仔细一看还不如猛的一看：因为根本就无法解释单个光子或者单个电子产生的干涉条纹，以致于推导出未来发生的事可以改变已经发生的事这种荒谬的结论。 粒子观点解释干涉衍射现象明暗相间的条纹最基本的观点就是：“亮条纹”是粒子能够到达的地方，“暗条纺”则是粒子无法到达的地方，也就是说“暗条纺”并不是什么条纹。那么为什么微观粒子在连续的作用力下会表现出不连续的现象呢？我们认为：内因是决定事物发展变化的根本原因，外因是事物发展变化的重要条件。对于光子而言，正是由于能够稳定存在的光子质量的不连续导致光子只能到达不连续的地方。为了更好地阐述我们的观点，先来看一个原子核衍射假想实验的例子。 （二）原子核衍射假想实验。假设某种元素有一种质量数为200的原子核，并且这种元素还存在着质量数分别为205、210、215和220的同位素，除了这5种稳定同位素以外，该元素不存在其它同位素（或者说该元素即使存在其他质量数的同位素，但由于这些同位素极不稳定，在形成的瞬间就会衰变成以上5种能够稳定存在的同位素，所以也可以认为其他同位素是不存在的）。质量数为200的原子核只要能够吸收数量足够多的中子，就会立即形成能够稳定存在的质量数为205、210、215和220的其它4种同位素。那么质量数为200的原子核吸收了6个、7个、8个、9个中子后会怎么样呢？很显然，只会形成质量数为205的稳定原子核并放出1个、2个、3个、4个中子。同样，质量数为200的原子核吸收了11个、12个、13个、14个中子后会立即形成质量数为210的新原子核并放出1个、2个、3个、4个中子。可见，质量数为200的原子核只能吸收特定数量的中子，在同一时刻并不是任意数量的中子都能够被原子核吸收。 现在开始实验。在一个完全密闭真空环境中，用一个粒子源持续不断地向外发射质量数为200的原子核，并在离粒子源不远处用足够厚的铅块设置一条宽度为a窄缝（设置铅块的目的是为了让原子核只能通过窄缝打在屏幕上），在这条窄缝后分别通以密度足够大、自上而下和自下而上源源不断运动的中子流，在距离窄缝一定距离处放置一个接收屏，只要有原子核打在接收屏上就会形成一个亮点，原子核没有到达的地方则不会有亮点；大量原子核连续到达的地方会形成亮条纹，原子核没有到达的地方则是暗区。 实验中如果我们打开向上发射的中子发射源，则原子核在这些中子的作用下可能向上发生偏转；如果我们打开向下发射的中子发射源，则原子核在这些中子的作用下可能向下发生偏转，不考虑重力作用则中央亮纹两侧的亮纹是对称分布的。一般情况下，质量数为200的原子核通过窄缝以后，大部分原子核可能没有吸收中子，这一点很好理解，因为质量数为200的原子核同时与5个以上中子作用并形成新的稳定原子核的几率是很小的，而当该原子核与1个、2个、3个、4个中子作用时又不会吸收这些中子，所以大部分原子核都没有机会吸收足够多的中子形成新的、能够稳定存在的原子核。当原子核与1个、2个、3个、4个中子作用时，由于原子核质量远远大于中子质量，可以认为原子核与中子间发生的是弹性碰撞，原子核仅吸收中子极小的冲量作用并发生较小的偏转，这样大部分原子核通过宽度为a的窄缝后会在显示屏上形成宽度略大于a的中央亮条纹。同时也有少数原子核可能会吸收5个、10个、15个和20个中子而形成质量数为205、210、215和220的4种同位素，此时由于原子核全部吸收了中子的冲量，其运动轨迹就会发生较大的偏转，很显然：吸收5个中子的原子核偏转角度＜吸收10个中子的原子核偏转角度＜吸收15个中子的原子核偏转角度＜吸收20个中子的原子核偏转角度。这样在中央亮纹以上，最多可以依次形成宽度为a的4条亮条纹。 如果我们打开向下发射的中子发射源，同样在中央亮条纹以下，最多可以形成宽度为a的4条亮条纹。很显然，如果不考虑原子核的质量，则质量数为205、210、215和220的几种同位素在屏幕上的偏移量之比等于它们吸收的中子数之比，为5∶10∶15∶20，即：1∶2∶3∶4，也就是说这些亮条纹几乎是等间距的。这里我们看到：质量数为200的原子核通过窄缝后，在中子的作用下并不会在屏幕上形成连续的亮区，而是会在屏幕上形成等间距的亮条纹。由于没有吸收中子的原子核占绝大多数，所以中央亮纹的亮度最大；同时由于原子核吸收5个中子的几率>原子核吸收10个中子的几率>原子核吸收15个中子的几率>原子核吸收20个中子的几率，所以有中央亮纹的亮度＞第一条亮纹的亮度>第二条亮纹的亮度>第三条亮纹的亮度＞第四条亮纹的亮度。同时，中子流的密度越大则中央亮纹两侧的条纹就会越明亮也越容易观测到；中子流的密度越小则中央亮纹两侧的条纹越暗也越不容易观测到，这一点与光的衍射现象是相似的。 改变实验条件，如果质量数为200的原子核只有质量数为205、210、215的三种同位素，则原子核通过窄缝后只能在中央亮纹两侧各形成3条亮纹，如上图。 如果质量数为200的原子核只有质量数为205、210的其它两种同位素，则原子核通过窄缝后只能在中央亮条纹两侧各形成2条亮纹，如上图。 如质量数为200的原子核只有质量数为205的同位素，则原子核通过窄缝最多只能在中央亮条纹两侧各形成1条亮纹，如上图。 如果该元素只有质量数为200的原子核而不存在其它质量数的同位素，则屏幕上只能形成中央亮纹而不会出现其它亮纹（当我们持续增大中子流密度，屏幕上只会出现一片连续的亮区但依然不可能出现明暗相间的条纹），如上图。 这个实验中需要特别强调指出的是：在原子核吸收中子的假想实验中，到达屏幕上不同位置的原子核质量是不同的，到达同一条纹位置的原子核质量相同、到达不同条纹位置的原子核质量不同。所有到达中央亮纹处的原子核质量都是200，到达第一条亮纹处的原子核质量都是205，到达第二条亮纹处的原子核质量都是210，到达第三条亮纹处的原子核质量都是215，而到达第四条亮纹处的原子核质量都是220。每一个原子核的最终落点都有其物质基础而不是几率决定的，或者说不是偶然的而是必然的。我们把原子核经过窄缝后与中子流作用并到达屏幕上不同的位置的现象称作“中子调制”，原子核经过“中子调制”后保留了不同的“调制信息”（吸收中子数量不同、造成原子核质量不同、运动状态改变不同），从而在屏幕上形成不同的亮纹。 与原子核衍射假想实验类似，光子的干涉衍射现象是由引力引起的，到达屏幕上不同位置的光子的质量是不同的，宏观上表现在光子在引力作用下的不连续特征，光子的干涉现象也与之类似。 （三）光的衍射现象的形成原因。中央亮纹的形成。如图，当一束激光经过宽度为a的窄缝时必然会受到缝的引力作用，为方便起见我们把窄缝引力影响区域简化为1265矩形区域。一般情况下，窄缝引力影响区域可以平均分成合力向上区域和合力向下区域，窄缝中3421区域内引力合力向上、越靠近窄缝上底部引力越大；3465区域引力合力向下、越靠近窄缝下底部引力越大；窄缝中心线（34线）处的引力合力为零。大量光子经过窄缝后，大部分光子可能都没有机会吸收足够多的引力子而发生较大角度偏转，这些光子虽然没有吸收足够多的引力子但仍然会受到多个引力子极小的冲量作用，在这个冲量作用下，经过3421区域（引力合力向上）的光子会以一个微小的角度向上偏转，形成投射到屏幕上的efhg亮区（形成中央亮纹的上半部分）；经过3465区域的光子会以一个微小的角度向下偏转，形成投射到屏幕上的ghji亮区（形成中央亮纹的下半部分），这样所有经过窄缝引力影响区域而没有吸收足够数量引力子的光子最终投射在显示屏上形成中央亮纹（efji亮区）。可见，屏幕上中央亮纹是经过窄缝后没有吸收引力子的光子的集合。由于经过窄缝后没有吸收引力子的光子往往占绝大多数，这些光子经过窄缝后会投射到屏幕上形成中央亮纹，所以中央亮纹的亮度是最大的。 其它亮纹的形成。因为中央亮纹两侧的亮纹是对称分布的，所以我们只需要集中精力讨论任意一半就可以了，这里我们讨论中央亮纹以下各亮纹的形成。很显然，中央亮纹以下第一亮纹是由经过3465区域吸收了“最小吸收基数”个引力子的光子偏转投射在屏幕上形成的。假设经过窄缝的光子质量为100，而引力子的质量为0.001，由于质量为100的光子只有同时吸收至少1000个引力子才可能形成新的、能够稳定存在的质量为101的新光子，并且由于新光子完全吸收了1000个引力子向下的冲量因而向下偏转的角度较大，这个新光子会投射在屏幕上中央亮纹以下第一条亮纹区域内。若干个经过3465区域并且吸收了1000个引力子光子偏转投射在屏幕上就形成第一条亮纹。 同样，质量为100的光子还可能吸收“最小吸收基数”整数倍的引力子，也就是同时吸收2000个、3000个……n＊1000个引力子。光子吸收了2000个引力子则会投射在屏幕上形成第二条亮纹、吸收了3000个引力子则会形成第三条亮纹……屏幕上的第n条亮纹也是这样形成的。一般有：中央亮纹处的光子质量＜第一亮纹处的光子质量＜第二亮纹处的光子质量……＜第n亮纹处的光子质量。同一亮纹处的光子质量相同、不同亮纹处的光子质量不同，光子在屏幕上的不同位置是由光子质量决定的而不是几率决定的。 由于经过窄缝3465引力影响区域的光子受到的引力合力是向下的，光子经过该区域时只有光子同时吸收了1000个引力子时它才可能形成新的质量为101的新光子，而由于新光子完全吸收了1000个引力子对其向下的冲量，所以它的运动轨迹就要向下发生较大的偏移，并投射到屏幕上形成第一条亮纹。因为在3465引力影响区域内从上到下引力合力逐渐增大，理论上讲越靠近区域底部光子就越有可能吸收更多的引力子，所以经过窄缝底部区域的光子吸收的引力子数目可能是1000个，也可能是2000个、3000个……甚至是N×1000个，这样它们分别投射在屏幕上就形成第二条、第三条……甚至是第N条亮纹。 （四）干涉条纹形成的原因。从光源发出的光经过单缝后投射到双缝上最终会在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹，直接用激光束照射双缝也会在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹。设两条缝间距为d，双缝到屏幕的距离为D，屏幕中心位置为O，则在O点处会出现中央明条纹。 为了更清楚地研究双缝对光的影响，我们把双缝放大，图中左侧从上到下构成双缝的分别是物质实体A、上缝（1265区域）、双缝中间物质实体O、下缝（abfe区域）和物质实体B，简单来说就是3个物质实体夹着两条窄缝并形成两个可透光的引力场。一般情况下我们认为物质实体A、双缝中间物质实体O和物质实体B都是不透光的，光子不能通过物质实体A、中间物质实体O和物质实体B，光子只能通过双缝中的上缝1265区域和下缝abfe区域投射在屏幕上。 如图，对于上缝所在1265区域来说，如果没有下缝物质实体B的影响，则上缝1265区域可平均分成合力向上的部分（1243区域）和合力向下的部分（3465区域），这两个区域大小一致，中间34线处引力合力为零。有了物质实体B的影响情况就不同了，物质实体B的存在相当于增大了中间物质实体O的引力场，并且物质实体B越靠近上缝对中间物质实体O引力的加成作用越大。既然中间物质实体O的引力增大，那么上缝1265区域中引力合力向下的部分必然增大（也就是3465区域相应增大），引力合力为零的34中线必然就要相应地向上移动，引力合力向上的区域（1243区域）必然减小。显然，物质实体B越靠近上缝，上缝引力合力为零的34中线就向上移动的越多，导致上缝引力合力向下的3465区域就越大、引力合力向上部分1243区域就越小。两缝距离越近这个影响就越大，两缝距离越远这个影响就越小。如果两缝相距足够远，那么每一条缝都可以看作单缝，此时激光束照射在这两条缝上将产生衍射条纹。 对于下缝abfe区域同样如此，由于上缝处物质实体A的影响，下缝区域引力合力向上的部分（abdc区域）增大、引力合力向下的部分（cdfe区域）减小，并且两缝距离越近影响就越大。双缝距离越近则下缝区域引力合力向上的部分就越大，投射在屏幕上的条纹宽度也相应增大; 双缝距离越远则下缝区域引力合力向上的部分就越小，投射在屏幕上的条纹宽度也相应减小。所以双缝间距减小时干涉条纹间距变大、双缝间距增大时干涉条纹间距变小。 如图，对于上缝来说其引力可分为向上部分（1243区域）和向下部分（3465区域），其中引力向下部分（3465区域）对中央亮纹、中央亮纹以下的第一条亮纹和中央亮纹以下的第二条亮纹的形成做出了贡献（也有可能对中央亮纹以下的第三条、第四条或者更多亮纹做出贡献）；引力向上部分（1243区域）仅对中央亮纹以上的第三条亮纹的形成做出了贡献（也有可能对中央亮纹以上的第四条、第五条或者更多亮纹做出贡献）。同样，对于下缝来说其引力也可分为向上部分（abdc区域）和向下部分（cdfe区域），其中引力向上部分（abdc区域）对中央亮纹、中央亮纹以上的第一条亮纹和中央亮纹以上的第二条亮纹的形成做出了贡献；引力向下部分（cdfe区域）仅对中央亮纹以下的第三条亮纹的形成做出了贡献。 双缝干涉条纹还有一个特点需要我们注意，因为构成双缝的物质实体对缝的引力场有叠加作用，造成上下缝的引力场向上和向下的部分不同，总是靠近中间物质物体O的引力区域变大。对于上缝来说，就是引力合力向下的3465区域大于引力合力向上的1243区域；对于下缝来说，就是引力合力向上的abdc区域大于引力合力向上的cdfe区域。既然引力叠加作用造成了每条缝的合力向上部分和合力向下部分并不是平均的，由此造成的干涉条纹宽度也是不同的。对于上缝来说，经过3465区域的光形成的亮纹宽度要大于经过1243区域的光形成的亮纹宽度；对于下缝来说，经过abdc区域的光形成的亮纹宽度要大于经过cdfe区域的光形成的亮纹宽度。由于各条纹在中央亮纹两侧是对称分布的，上缝处产生一条亮纹下缝处同样会产生一条亮纹，上下缝的亮纹条数之和为偶数，再加上中央亮纹，所以一共有奇数条亮纹宽度是比较宽的，而离开中央亮纹一定距离的第n条亮纹宽度会迅速减小。简单来说就是双缝干涉条纹中，总有奇数条条纹宽度较宽，而在较宽条纹以外离中央亮条纹较远处的亮纹宽度会迅速减小。 揭开电子双缝干涉和光子“延迟选择实验”之谜 有人把电子双缝干涉实验称为十大经典物理实验之首，认为这个实验颠覆了人们对世界原本的认识，让人匪夷所思、毛骨悚然。众多有志之士试图解决这个问题并为之不懈努力，也有一些人对此一知半解却喜欢发表见解，一些视频、揭秘文章读来让人啼笑皆非，最常见的错误就是把电子通过双缝后遇到观测会使电子呈现两条亮纹（表现出“粒子性”）强加到光子上，认为光子通过双缝后一旦观测也会出现两条亮纹表现出“粒子性”。实际上电子双缝实验表明：电子经过双缝后受到双缝的“调制信息”非常容易丢失，外界极其微小的扰动都能够使电子丢失“调制信息”而呈现“粒子性”条纹，比如实验设备观测的影响；但是光子经过双缝后受到双缝的“调制信息”却不容易丢失，比如我们可以在水中做光子双缝干涉实验，光子经过双缝后受到介质水的影响依然能够形成明暗相间的条纹，只有强力擦除才能使光子丢失“调制信息”（量子擦除实验）。电子双缝干涉实验和延迟选择实验深刻揭示了传统波动理论的重大缺陷，也预示着当代量子力学将迎来新的重大发展。 为了全面揭秘电子双缝干涉之谜和光子延迟选择实验，本章节我们将重点讨论四个问题：一是光子（电子）同时到底通过了几条缝？二是光到底是不是波？三是单光子可以形成明暗相间的“干涉条纹”。四是光的反射能够形成明暗相间的“干涉条纹”。 （一）电子双缝干涉实验。上个世纪科学家普遍认为电子作为一种实物粒子，通过双缝后将在屏幕上打出两条亮纹，就像子弹通过双缝后将在屏幕上形成两条弹着点一样（如下图所示）。1961年，蒂宾根大学的克劳斯·约恩松用电子束做了双缝干涉实验，发现电子通过双缝后在屏幕上形成了明暗相间的条纹（“干涉条纹”）。 1974年，克劳斯·约恩松将电子一粒一粒的发射出来并让它通过双缝，当第一个电子到达屏幕以后过一段时间再发射第二个电子（目的是为了确保第一个电子不会对第二个电子产生影响），经过足够长的时间之后屏幕上依然出现了干涉条纹（若干条等宽的亮纹）。 波动理论认为电子双缝干涉条纹的产生是电子间相互干涉的结果（即通过左缝的电子与同时通过右缝的电子间产生了干涉），如果是成对的电子同时通过双缝还好理解，但问题是电子发射源每次只发射一个电子屏幕上依然产生了干涉条纹。那么单一电子在跟谁干涉呢？它到底通过哪条缝呢？这是波动理论所不能解释的。弄清楚电子到底从哪条缝通过方法很简单，我们搬一个小板凳坐在上缝或者下缝处吃着西瓜盯着看，当然这是不可能做到的，但科学家的思路和吃瓜群众是一样的。 为了搞清楚单个电子到底是从哪条缝经过的、电子有没有同时通过双缝，科学家还是蛮拼的，他们在双缝后加了一个观测仪器（用实验仪器代替了吃瓜群众），实验成功地观测到电子通过了左缝、右缝、左缝、右缝……，并且实验中发现同一时刻电子只通过一条缝。但更神奇的事情发生了：不加装探测装置观测的时候，电子表现出波的特性（在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹），而一旦加装探测装置电子就表现出粒子性（在屏幕上形成两条亮纹）。为了排除光子对实验的影响，科学们又做出了一种既不影响电子、又能观测到电子的装置，这种观测仪器不发光、只接收光，但得到结果还是一样：不观测电子就表现出波动性、一旦观测电子就表现出粒子性。在经历多次实验以后，科学家们普遍认同了这一观点：一旦我们观测电子就表现为粒子性，如果我们不观测电子就表现出波动性，于是有人提出人类的意识会影响最终的实验结果。 当代物理学对电子双缝实验的主流解释为哥本哈根诠释：光子（电子）总是以波的形式在空间分布和传播，当外界对光子（电子）进行了成功探测时就会使光子（电子）波函数坍缩成一个点。这种观点认为在电（光子）的双缝实验中，电（光子）总是以波的形式同时通过双缝中的上缝和下缝，如果光波在上缝处被探测到，那么同时以波的形式通过下缝的光波就会消失，因为光的波函数会在上缝处坍缩成一个点；同样，如果光波在下缝处被探测到，那么同时以波的形式通过上缝的光波就会消失。 既然电子的运动状态会因为吃瓜群众的参与（实验仪器的观测）而发生改变，那么电子是怎样知道我们是否进行了观测？难道它是智慧生物？电子双缝干涉实验结果惊得我们手里的瓜掉在地上摔得稀碎，我们的智商似乎被小小的电子按在地上摩擦，必须得把这个问题弄明白了。 （二）光子延迟选择实验（量子擦除实验）。既然电子好像能够未卜先知，从刚一离开发射器的时候就事先知道前面有探测它行进路径的仪器，所以就从波形态转变成粒子形态，如果我们经过巧妙设计将观测仪器放到双缝后面的位置，然后等电子离开双缝一段时间之后，再决定是否打开仪器来记录电子的路径。这样电子之前是以粒子状态通过一条缝、还是以波的形态通过双缝，完全取决之后我们如何选择--打开或关闭记录仪器。按照这个思路，约翰·惠勒于1979年提出了著名的“延迟选择实验”。 “延迟选择实验”的基本思路是用涂着半镀银的反射镜来代替双缝，使一个光子有一半可能通过反射镜、一半可能被反射，波动理论认为这是一个量子随机过程，跟光子选择双缝还是单缝本质上是一样的。把反射镜和光子入射途径摆成45度角，那么它一半可能直飞，另一半可能被反射成90度角。我们可以通过另外的全反射镜，把这两条分开的岔路再交汇到一起。在终点观察光子飞来的方向，这样我们就可以确定它究竟是沿着哪一条道路飞来的。我们也可以在终点处再插入一块呈45度角的半镀银反射镜，这又会造成光子的自我干涉（注意这里判断光子发生自我干涉的依据是屏幕上形成了明暗相间的干涉条纹）。如果我们仔细安排位相，我们完全可以使得在一个方向上的光子呈反相而相互抵消（即光子到达不了这一方向），而在一个确定的方向输出（光子能够到达确定的方向）。这样的话我们每次都得到一个确定的结果(就像每次都得到一个特定的干涉条纹一样)，根据量子派的说法，此时光子必定同时沿着两条路径而来!总而言之，如果我们不在终点处插入半反射镜，光子就沿着某一条道路而来，反之它就同时经过两条道路。关键问题是，是否在终点处插入半透镜，可以等到光子实际通过了第一块反射镜并且已经快要到达终点时才决定：我们在终点处插入半透镜就会形成干涉条纹由此推论光子应该沿着两条道路前进；反之如果我们在终点处不插入半透镜就会在X探测器或者Y探测器中观测到光子，由此推论光子应该只沿着一条道路前进。换句话说，我们可以在事情发生后再来决定它应该怎样发生! 虽然听上去令人难以接受，但这却是哥本哈根派的一个正统推论!在惠勒的构想提出5年后，马里兰大学的卡洛尔·阿雷和其同事真的做了一个延迟实验，其结果证明，如果选择在终点处插入半透镜还是不放半透镜会得到两个截然相反的结果--如果不在终点处插入半反射镜，光子就沿着某一条道路而来；如果在终点处插入半反射镜，光子就会同时经过两条道路而来。后来不断有人对该实验进行了改进并不断重复都得到了相同的结果。 这里我们要特别强调指出一个问题：电子双缝干涉实验验证不了电子从哪个缝经过的问题，于是科学家就设计出了光子“延迟选择实验”来解决这个问题，但是“延迟选择实验”使用的并不是电子而是光子！不是电子！不是电子！因为实验用到的粒子是光子，所以通过这个实验认为电子同时通过双缝的结论并不可取！虽然作为吃瓜群众的我们并不会做这个实验，但我们挑毛病的本领却是一流的，这就像鸡和鸭都是家禽－－鸭会游泳而鸡会刨地，据此我们不能认为鸡同时会游泳和刨地一样，我们不能用光子实验来验证电子的性质，这个实验设计本身就有问题，并且是一个很幼稚的常识性错误。物理学家认为电子和光子都微观粒子都有波粒二象性，所以电子通过双缝的行为和光子通过双缝的行为是相同的，实际上这是对微观粒子内部结构不了解造成的：光子不带电而电子带一个单位负电荷，光子可以在水中传播很远而电子即使在空气中也传播不远等等。很多吃瓜群众由此认为光子和电子通过双缝的行为是一致的：电子通过双缝后会在观测作用下表现出粒子性，所以光子一经观测也会表现出粒子性。 光子与电子双缝干涉现象的区别。光子和电子通过双缝后都可以形成干涉条纹，这是两者的相同点。从微观角度来讲，光子、电子和原子都能够吸收特定数目的引力子，也会吸收引力子的冲量作用，从而改变原来的运动轨迹到达屏幕上不同的位置。简单来说就是微观粒子在连续作用的引力下显示出不连续的运动状态（可参考《引力作用有极小值》一文）。 两者的不同点在于：光子和引力子的结合较为紧密而电子和引力子的结合较为松散。表现在：光子经过双缝后再次经过凸透镜汇聚后仍然可以在屏幕上形成干涉条纹，也就是说光子在经过双缝后再次与外界物质作用时不会“裂变”放出引力子，凸透镜不会抹掉光子经过双缝时引力作用的调制信息。在空气中光通过双缝后会形成明暗相间的干涉条纹，如果我们在水中做相同的实验也能够得到干涉条纹，只不过条纹的间距变小了，也就是说光子经过双缝后的引力调制信息较不容易丢失。但电子经过双缝后的调制信息极易丢失，甚至在外界轻微扰动作用下就会立即丢失原来的信息。比如我们用电子做双缝干涉实验，在真空中电子通过双缝后会形成明暗相间的条纹干涉，当我们在双缝加一个仪器以观测电子到底通过哪条缝时，电子会立即“裂变”放出引力子并表现出粒子性特征，当我们把观测对电子的努力减小时也会让电子“裂变”放出引力子，总之电子受到极其微小的扰动作用就会丢失双缝加在其上的调制信息。 （三）货车拉瓜实例。为了解释电子双缝干涉实验和光子延迟选择实验、用通俗易懂地阐述清楚我们的观点，我们来看一个伤害性不大但侮辱性极强的简单例子。拿吃瓜群众吃瓜的例子来讲，既然要吃瓜肯定需要车拉。假设有一辆载重5吨的小货车，行驶在一条笔直的、非常平坦的公路上，小货车装满了5吨西瓜、此时已经满载再也装不下西瓜了（可以认为西瓜在这辆小货车车厢里堆成了圆锥形，再也放不下西瓜了，再放就会滚下来）。小货车经过一个路口时遇到车主的一个朋友，有几个苹果要顺路捎带回家，虽然此时货车再也装不下西瓜了但再装几个苹果是没有问题的，车主就把苹果放在了西瓜上。小货车通过检查站时，如果没有人检查拿走苹果货车司机就会拐弯去朋友家；如果有人发现把苹果拿走则货车司机就会一直向前行驶（因为不用再拐弯去朋友家）。我们可以把装满西瓜的小货车看作自由电子，把货车经过的路口看作双缝，小货车经过路口会多几个苹果，就像自由电子经过双缝变为“超临界状态”一样。电子通过双缝时观测成功就表现出粒子性而没有观测就表现出波动性，同样地，货车拉瓜例子中有人检查货车就直线行驶、没有人检查货车司机就会拐弯，似乎人的意识会影响货车的行驶路线。 为了排除人的意识影响，我们用机器代替人来检测是否有车辆通过。用一台机器源源不断地从公路一侧向着另一侧抛出一个个高速运动的皮球，如果没有车辆经过则皮球将到达公路的另一侧，如果有车辆通过则皮球将反弹回来到达计数器，合理调节发射皮球的时间间隔就能够保证每一辆车通过时都会有皮球被反弹回来到达计数器。虽然皮球的质量相对于货车来讲几乎可以忽略不计，但是皮球的碰撞对货车的影响却不能够忽略。由于苹果直接放在圆西瓜上本身就很不稳定，当皮球与货车碰撞后，货车受到震动苹果会立即滚落下来；而当皮球没有与货车碰撞时货车顶部的苹果就不会滚落下来，由此也产生了同样的结果：当我们用机器检测时货车运动运动轨迹就是直线，当我们没有用机器检测时货车运动将拐弯去朋友家。既然皮球的碰撞对货车有影响，那我们就做一个不直接接触小货车的检测。用一辆高速行驶的大货车从小货车旁边经过，当大货车高速经过小货车时，由于高速行驶大货车气流的影响小货车将会发生摆动，这时小货车顶上的苹果同样会掉下来，而大货车不从小货车旁边经过时苹果就不会掉下来。这和我们间接观测电子发出的光子依然会影响电子的运动轨迹是同样的道理。电子能够吸收特定数量的引力子并处于“超临界状态”，“超临界状态”的电子受到外界微小扰动会立即“裂变”并改变原来的运动状态。 （四）明暗相间的“干涉条纹”并不是光子间的干涉作用形成的。我们认为，光子通过双缝后在屏幕上形成的明暗相间的“干涉条纹”并不是光子间的干涉作用形成的，因为我们在实验中并没有直接观测到两个光子之间发生了相互干涉。其理由如下： 光源一次发出几个光子？如果认为光是粒子（具有波粒二象性），波动理论认为至少两个或者两个以上的光子才能发生相互干涉，据当代物理学原子光谱的知识我们知道，原子发光时一次只能发出一个光子。有人认为，光源一次并不是只发出一个光子而是发出多个光子，姑且认为这种说法是正确的。我们让光源发出的光运动一段距离后再决定缝的数量，如果认为光源一次只发出一个光子，那么我们就让这一个光子通过双缝，按照常理一个光子或者通过左缝或者通过右缝，所以不可能发生相互干涉，但经过足够长时间后屏幕上依然能够形成明暗相间的“干涉条纹”；如果认为光源一次可以发出两个光子，那么我们就让这两个光子通过单缝或者3缝，按照常理这些光子也不可能发生干涉，但实际经过足够长时间后屏幕上依然能够形成明暗相间的“干涉条纹”……，这里我们发现无论怎样改变缝的条数，屏幕上总能够得到明暗相间的“干涉条纹”，为了解释这个问题，科学家们作出了这样的解释：光子总是以波的形式在空间中传播，遇到双缝的时候它就会分成两个部分，遇到3缝的时候会自动分成3个部分，遇到4缝的时候又会自动分成4个部分……，不管你们信不信，我反正不信，下面我们来揭示这个假设的不合理之处。 光波一次能够通过几条缝？如果认为光是波动（具有波粒二象性），根据波动理论，光源一次发出一个光子时实际上是发出了一个波动，那么，这个波动的宽度是多少？波动一次能够通过几条缝？我们知道，光在真空中传播时是有一定的速度的，在光前进的道路上放置一条单缝则光波通过单缝后会在屏幕上形成衍射条纹，在光前进的道路上放置两条双缝则光波通过双缝后会在屏幕上形成干涉条纹，放置三条双缝则光波通过三缝后会在屏幕上形成光栅衍射条纹，这里我们看到，光波通过单缝时光波以整体形式通过单缝、通过双缝时分成两部分通过双缝、通过三缝时又会分成三部分通过三缝……通过n缝时又会分成n部分通过n缝，光波是怎样知道前面是单缝、双缝、三缝还是多缝的，它又是怎样根据缝的数量把自己分成一个或者多个部分的？如果认为光源发出的光波是一个整体，在光波前进时我们迅速把前面的单缝换成双缝，则此光波会迅速分成两个部分；若我们把单缝换成三缝，则此光波会迅速分成三个部分……。如果认为光源发出的光波是两个部分，则我们就用三缝来招待它，屏幕上同样会形成明暗相间条纹，表明光波从两个部分变成了三个部分。据此推理，则光波具有智慧，它会根据前面出现的单缝、双缝还是多缝迅速把自己变成一部分、两部分或者多个部分，显然这种解释是不可取的，只能更为深刻地揭示了波动理论的失败和不可取。 一个感光片揭示的波动假说的矛盾。哥本哈根诠释认为：光子（电子）总是以波的形式在空间分布和传播，当外界对光子（电子）进行了成功探测时就会使光子（电子）波函数坍缩成一个点。这种观点认为在光的双缝实验中，光总是以波的形式同时通过双缝中的上缝和下缝，如果光波在上缝处被探测到，那么同时以波的形式通过下缝的光波就会消失，因为光波函数在上缝处坍缩成一个点；如果光波在下缝处被探测到，那么同时以波的形式通过上缝的光波就会消失。 实验器材很简单，找一个双缝用一个透明感光介质把双缝中的下缝填满并保证下缝感光介质每次都能使通过的光子感光，用这个改造后的双缝做实验。当一个光子通过双缝时由于这个光子总是以波的形式通过同时通过上缝和下缝，光波在通过下缝时必然被介质感光，那么同时通过上缝和下缝的光波由于被介质感光（相当于被我们成功观测到），就会立即在下缝处坍缩成一个点变成粒子形态，同时从上缝通过的光波就会立即消失，既然从上缝经过的光波会因为坍缩消失则光波无论如何也不会从上缝处通过。此时屏幕上会形成什么样的条纹呢？根据波动理论的推理，如果感光介质是透明的则屏幕上会出现一条亮纹，这是由于观测导致光子坍缩显示粒子性特征从而打在屏幕上形成一条亮纹；如果感光介质不透明则屏幕上什么条纹也没有（下缝不透明不能够让光通过，而下缝处的感光介质能够让通过此处的光波感光坍缩由些造成上缝波函数消失，所以上缝处也不会有光通过）。有吃瓜群众指出，如果双缝的下缝不透明，那么这样的双缝至少还有一条可以让光子自由通过的上缝，光子即使通过一条上缝至少也会在屏幕上形成衍射条纹，怎么会什么也得不到呢？很明显这是有悖于常理的。 我们都知道，在双缝实验中用一个透明薄云母片或玻璃片盖住下缝，屏幕上形成的依然是干涉条纹只不过整个干涉条纹会向下移动；接下来我们把下缝用薄云母片或玻璃片填满，屏幕上形成的依然是干涉条纹只不过整个干涉条纹向下移动；随后，我们在填满下缝的薄玻璃片涂一层感光介质，接下来就是见证奇迹的时刻了。如果下缝的感光介质不透明，根据波动理论，一个光子在以波的形式同时通过双缝时会在下缝处坍缩成一个点变成粒子形态，由于光波不能从上缝经过而下缝又不透明（也不能从下缝经过），所以屏幕上什么也得不到。实际上，即使双缝的下缝不透明、但至少还有一条可以让光子自由通过的上缝，光子即使通过一条上缝至少也会在屏幕上形成衍射条纹，怎么会什么也得不到呢？这和实验结果完全不符。同样地，如果下缝的感光介质透明，根据波动理论，光波同样不能从上缝经过，这样光波在下缝处坍缩成一个点后会在屏幕上形成一条亮纹，但实际上光波经过用感光介质填满一条缝的双缝后仍然会在屏幕上形成双缝干涉条纹，只不过整个条纹向下移动，同时整个干涉条纹的亮度有所减弱。 退一万步来讲，我们在感光介质挖两条缝并形成了事实上的双缝，双缝占有的空间是小于感光介质占有的空间的，光波与感光介质作用的几率远远大于光波穿过双缝的几率，那么光波是如何识别并且准确穿过双缝的呢？第一种观点，认为光波不会与感光介质作用，显然这是不可能的，即使我们承认光波不与感光介质作用，那么它又怎样在屏幕上形成单独的亮点呢？如果光波不与感光介质作用，那么它同样也不会与屏幕作用，所以屏幕上应该什么也得不到。第二种观点，认为穿过双缝的光波都是漏网之鱼，或者说光波的方向性极强，实际上这也变相承认了光的粒子性。我们知道，双缝的距离是可以调节的，无论我们怎样调节双缝的距离，光波都能够识别并且准确穿过双缝，除了用光波具有智慧以外我们想不出还有什么解释。 这里我们看到，无论感光介质透明还是不透明，波动理论都无法得到正确的结论，这个假想实验也深刻揭示了波动理论的重大缺陷。要从根本上解决这个问题，只有彻底抛弃波动理论，重新认识光的粒子模型。我们认为光子一次通过一条缝时也能够在屏幕上形成明暗相间的“干涉条纹”。实际上这个实验很早之前就有人做过，不过并没有引起足够的重视。 （五）光子通过单缝形成明暗相间干涉条纹的实例（双棱镜实验）。 在菲涅耳双棱镜实验中，当遮住双棱镜的一半时形成的亮条纹形状不变、亮度减小。比如遮住双棱镜的上半部分时，由于通过的光减小了一半，导致观测到的亮纹亮度变暗，但是因为通过双棱镜下半部分光仍然存在，所以条纹形状仍然不会变化；当遮住双棱镜的下半部分时形成的亮条纹形状不变、亮度减小一半。这个实验表明：使双棱镜的一半同样可以形成干涉条纹，那么当遮住双棱镜的上半部分时，实际上只有一个光源但依然形成了明暗相间的条纹，这个实验就是光子通过单缝后依然形成了明暗相间的“干涉条纹”的有力证明。有吃瓜群众认为仅靠这一个实验并不能很好地证明，接下来我们再来看另一个实验。 （六）光子经过反射后形成明暗相间干涉条纹的实例。 康普顿效应。1923年康普顿在研究X射线被较轻物质(石墨、石蜡等)散射时发现，散射谱线中除了有波长与原波长相同的成分外，还有波长较长的成分，其波长的改变量与散射角有关，而与入射光波长和散射物质都无关，这种散射现象称为康普顿散射或康普顿效应。康普顿发现：散射光中除了和原波长相同的谱线外还有波长大于原波长的谱线；波长的改变量随散射角的增大而增加；对于不同元素的散射物质，在同一散射角下，波长的改变量相同，散射光强度随散射物原子序数的增加而减小。康普顿散射只有在入射光的波长与电子的康普顿波长相近时散射才显著，这就是选用X射线观察康普顿效应的原因，而当入射光是可见光或紫外光康普顿效应并不明显。 康普顿认为散射光波长改变是光子和电子作弹性碰撞的结果，碰撞过程同时满足动量守恒和能量守恒；若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长；若光子和束缚很紧的内层电子碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变；因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。 在康普顿实验中，如果我们把检测系统换成一块屏幕，则X射线经过散射后会在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹，并且越靠近屏幕顶部X射线光子的能量就越小（波长越长）、越靠近屏幕底部X射线光子的能量就越大，充分说明X射线衍射现象中到达不同条纹的光子质量是不同的。这个实验说明单个光子经过反射后也能够形成明暗相间的“干涉条纹”，同时充分证明了明暗相间的“干涉条纹”并不是光子间的“干涉作用”形成的。 那么，为什么光子质量（频率）越大康普顿效应越明显呢？从微观光子结构角度来讲，光子质量越大其内部各部分之间结合的就越松散，因而越容易被原子中处于“饥饿状态”的电子“掠夺”一部分质量从而使光子的质量（频率）改变越明显。在本文的最后，我们需要强调的是，既然光子经过反射（折射）后能够形成明暗相间的条纹，那么延迟选择实验就不需要我们做任何解释了。 （四）电子双缝干涉实验和光子延迟选择实验的微观解释。 电子双缝干涉实验最简单最直接的解释。我们认为，电子的本质属性是粒子性，在双缝实验中电子只能通过双缝中的一条缝，在双缝引力作用下电子改变运动轨迹打在屏幕上形成了一个亮点。这个过程实际上就是电子在经过双缝时吸收了特定数量的引力子改变轨迹的过程，由于电子和引力子的结合并不是十分紧密，所以一旦有外界扰动（仪器观测影响），电子就会迅速“裂变”放出引力子丢失双缝引力加在电子上的调制信息，并仍以原来的运动轨迹打在屏幕上形成两条亮纹。从目前来看，这种观点是对电子双缝干涉实验最简单最直接最符合事实的解释，但很多人却不愿意相信。 我们知道，原子核可以吸收一个或者几个中子发生“裂变”、两个原子核也可以在一定条件下发生“聚变”并放出巨大的能量这个已经有实验证明，电子也可以“裂变”放出光子同时放出一定的能量，电子“裂变”放出的能量比原子核“裂变”放出的能量小若干个数量级，但依然能够被我们直接观测到，通常情况下大量电子“裂变”放出光子的突出标识就是会发光发热。由于引力子质量非常小，电子“裂变”放出引力子的过程伴随的能量释放极其微小也极不明显，目前我们还无法直接观测到。但是电子运动状态的改变却可以由屏幕上形成的条纹来间接证实，如果电子在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹则说明电子经过双缝后没有“裂变”放出引力子，如果电子在屏幕上形成两条亮条纹则说明电子受到了干扰发生“裂变”放出引力子并改变了运动轨迹。一些喷子看到这里认为这是民科脑洞大开的想象，没有任何科学依据，如果这个问题这么简单的话国外科学家早就解决了，我们对此不作评价。 延迟选择实验（量子擦除实验）的微观原因。正因为光子与引力子的结合比电子与引力子的结合更紧密，所以光子经过双缝后的“调制信息”也更不容易丢失，比如说光子经过双缝后即使经过水介质依然能够在屏幕上形成明暗相间的条纹，或者经过透镜后依然能够在屏幕上形成明暗相间的条纹，但是我们可以用更加有力的量子擦除实验来剥夺双缝加在光子上的“调制信息”，当电子丢失双缝“调制信息”表现出和电子一样的“粒子性”－－在屏幕上形成两条亮纹。 |
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2021-06-09 09:42:31, 7.04 M
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2楼2021-08-20 13:59:23
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