变化的引力场促使光子形成明暗相间的条纹

关于光的本质问题，历史上主要有牛顿的'微粒说'和惠更斯的'波动说'两种观点，虽然都能解释一些光学现象但并不能解释所有的光学现象，在双缝干涉实验基础上发展起来的物理波理论和量子力学，至今也无法圆满解释电子双缝干涉实验和延迟选择实验。现在人们普遍认为解释光电效应就要用光的粒子理论，解释干涉衍射现象就要用到波动理论，两者的关系是九龙治水各管一段，光的微粒模型解释不了干涉衍射现象，波动理论也不能解释光电效应，由此导致的错误和混乱经电子经双缝干涉实验和延迟选择实验放大了，也反映了量子力学和相对论的局限性。过多年的探索，在综合分析大量实验事实的基础上，我们认为光的微粒模型是能够解释所有光学现象并推动量子力学进入后量子力学时代唯一正确的理论。那么，光的微粒模型为什么会夭折而光的波动假说为什么又会占据主流地位呢？主要原因是光的微粒模型在当时并不能很好地解释光的干涉衍射现象。

（一）波动理论对衍射现象（光线拐弯）的解释。

通常情况下光总是沿着直线传播的，但是当光通过窄缝（或小孔）后会形成明暗相间的条纹，波动理论把这种现象称为衍射现象。光的衍射现象是指光在传播过程中遇到障碍物或小孔时偏离直线传播路径而绕到障碍物后面传播的现象，简单地说就是光线拐弯了。

光除了在衍射现象中能够拐弯，在干涉现象中也能够拐弯并形成明暗相间的条纹。下图是光在传播过程中的几种衍射现象，无一例外的是光线都拐弯了。

实际上波动理论对光线拐弯问题的解释也不是一帆风顺的，为了解决光线在传播过程中的拐弯现象，惠更斯在1690年提出了波动说打算与牛顿的微粒说分庭抗礼，认为：在波的传播过程中介质中任一波面上的各点，都可以看做发射子波的波源，其后任一时刻，这些子波就是新波前进方向的包络面的波面。这个想法很不错，至少初步解决了光绕过障碍物传播的问题，为解释光的衍射现象奠定了理论基础。但问题随之而来，如下图所示，如果波通过窄缝（或小孔）产生衍射，形成的强度如图所示，可见惠更斯原理只能定性解释波的衍射现象，不能给出光波的强度，也不能解释衍射现象中明暗相间条纹的形成，说明这个解释是很粗糙的。

就在波动假说要翻车之际，大神菲涅耳出现了，他看见1.0版的波动理论在衍射实验事实面前不堪大用，于是就对惠更斯原理加以补充完善，推出了加强版（2.0版）的波动理论，给出了关于位相和振幅的定量描述，提出子波相干叠加的概念，认为从同一波面上各点发出的子波，在传播到空间某一点时，各个子波之间也可以互相迭加而产生干涉现象。由此可见，波动理论对衍射现象的解释也不是一成不变的，而是经过不断补充发展完善而来的。在菲涅耳提出加强版（2.0版）波动理论砍倒牛顿'微粒说'的大旗后，由于时代的局限'微粒说'迟迟没有出现带头大哥，于是众多的'微粒说'支持者作鸟兽散，甚至有人掉转矛头开始喷'微粒说'。直到百年后爱因斯坦根据光电效应重新提出了光的微粒说，'微粒说'这才扬眉吐气开始重新占据历史舞台，此是后话，暂且不表。

加强版（2.0版）波动理论把光通过窄缝（或小孔）形成的图案称为'明暗相间的条纹'，认为这个图案是由两部分组成的：一部分是明条纹，另一部分是暗条纹（实际上是光子没有到达的地方）。波动理论认为光波通过窄缝在某些位置叠加后相互加强就出现亮条纹，在某些位置叠加后相互抵消削弱就出现暗条纹。

加强版（2.0版）波动理论的缺陷。随着科技的发展，人们用电子做双缝实验，发现电子也会发生干涉现象。俗话说好奇心害死猫，这话说得一点也没错。有大神将电子一粒一粒的发射出来做双缝干涉实验，为了确保电子是一个一个经过双缝的，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（以确保第一个发射的电子不会对第二个发射的电子产生干扰），经过足够长时间之后屏幕上依然出现了干涉条纹，这下就捅了马蜂窝了：波动理论认为电子双缝干涉条纹是多个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，发生干涉至少要有两个两个以上的电子），如果有大量电子同时通过双缝还好理解--可以认为是通过左缝的电子与同时通过右缝的电子间发生了干涉。但现在的难点在于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。事实表明一个电子发生了干涉（产生了明暗相间的条纹），它能跟谁干涉呢？它在同一时刻到底通过哪条缝呢？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仪器以便观测电子到底通过了哪一条缝，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，没有观测到电子同时通过两条缝的情况。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规规矩矩地表现出粒子性（在屏幕上形成两条亮纹）。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。似乎人类的意识会影响最终的实验结果，对此物理学界争论不休。有人提出平行宇宙假说，有人提出哥本哈根诠释，吵成了一锅粥，'延迟选择'实验更是深刻揭示了波动理论的严重缺陷，充分说明现有的'波动理论'需要进一步升级和完善。摆在我们面前的只有两条路：要么升级提出加强版的'波动理论'继续打怪，要么抛弃它，综合各项成本来看，还是抛弃波动理论重新推动微粒模型才是正道，什么'虫洞''平等宇宙'都是些不入流的邪门歪道为智者所不取。

（二）微粒假说对衍射现象的解释。

光子经过窄缝或者经过不透明物体都会发生衍射现象（即光线都会拐弯），由于光子不带电并且也不在电场或磁场中偏转，所以光子偏离直线传播不可能是静电力、磁场力作用的结果，现在就只剩 下一种解释，光子偏离直线传播是光子在引力作用下的结果。

1.0版的微粒假说—光子偏离直线传播是由引力作用引起的。用微粒假说解释光的衍射现象首先要解决的问题就是光遇到障碍物或小孔（窄缝）时为什么会偏离直线传播，解决不了这个问题就只有放弃微粒假说。牛顿所处时代科技还不发达，还认识不到引力对光线的偏转作用。在上个世纪科学家就已经通过观测证实：从遥远星系发出的光经过太阳表面时会在引力作用下发生弯曲（引力透镜现象），说明光子确实会受到引力作用，太阳引力作用可以使光线偏离原来的运动轨迹；据此推理，既然引力作用可以使光线偏离原来的运动轨迹，那么任何不透明物体都有质量并存在引力作用也会使光线偏离原来的运动轨迹，不论单缝还是双缝都是由物质实体组成的当然存在引力作用，所以光通过缝发生弯曲（偏转）这个观点至少在理论上是可行的。可见，1.0版的微粒假说认为光子偏离直线传播是由引力作用引起的，初步解决了光经过物体或者缝后偏离直线传播的理论问题。

看到这里，有人会说好吧，暂且承认引力作用会造成光线弯曲偏转，但是怎样解释引力作用会让光线形成明暗相间的条纹呢？如果认为光是一种微粒并且会在引力作用下会发生弯曲偏转，由于窄缝的引力并不是一成不变而是连续变化的（一般可以认为从缝中心到缝边缘处的引力连续增大），所以一束光通过窄缝时从缝的不同位置经过的光子偏转角度不同，总的来说一束光经过窄缝后的弯曲程度应该连续变化，这样光通过窄缝后就会形成一片连续亮区无论如何也不可能形成不连续的亮条纹（如下图所示）。这说明简单的1.0版的粒子模型虽然解决了光线拐弯问题，但是还不能够正确解释衍射现象中光强的分布，还需要我们进一步探索推出加强版的微粒模型。

2.0版本的微粒假说――光子对引力子的选择性吸收。鉴于1.0版本的微粒假说过于粗糙，我们对其进行了补充完善：不能再认为光子是一个简单的匀质硬性小球，它有特定的内部结构。我们知道，原子核由质子和中子组成，存在'质量幻数'，只有特定质量的原子核才是很稳定的；电子的质量也不是一成不变的，也存在'质量幻数'，处于原子核束缚状态的电子只能吸收特定能量的光子也可以'裂变'放出特定质量的光子。同样地，我们认为：光子不是一个简单的匀质硬性小球，它是由更基础的物质组成的，自然界中能够稳定存在的光子质量是不连续的（也可以认为光子也存在'质量幻数'）；光子有特定的内部结构，光子不能吸收单个的引力子却可以同时吸收若干个引力子形成新的、质量更大的、能够稳定存在的光子。

对光子而言，只有'最小吸收基数'整数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数目是不连续的。举例来说，光子一次最少吸收的引力子数目只能是10000（'最小吸收基数'）的整数倍，那么在某一瞬间同时有9999个、10001个、15000个、21000个、29000个、30005个……引力子与光子作用，其结果如何呢？很显然，光子与9999个引力子作用时不能吸收这9999个引力子；光子与10001个引力子作用时将吸收10000个引力子并放出一个引力子；光子与15000个引力子作用也同样将吸收10000个引力子并放出5000个引力子；在光子与21000个、29000个引力子作用时，它将吸收20000个引力子并分别放出1000个、9000个引力子，可见一定程度上光子与21000个和29000个引力子作用结果是相同的。同时还应该看到，光子与9999个引力子作用和光子与10000个引力子作用的结果是截然不同的：当光子与9999个引力子作用不会吸收这9999个引力子，仅仅受到引力子极其微小的冲量作用，其运动轨迹只发生微小变化；而当光子与10000个引力子作用时，它可以完全吸收这10000个引力子，故可以完全吸收这10000个引力子的冲量，导致光子的运动轨迹也将发生较大变化。正是由于光子只能吸收特定数量的引力子，造成连续变化的引力对光子作用事实上的不连续，从而使光子经过引力场后表现出不连续的特征。

提出假设的根本目的是为了应用，下面我们就来看看2.0版本的微粒假说在解释衍射现象上的具体应用。上图是直边衍射现象光强分布示意图，图中纵向竖直线IO线为不透明物体边缘对应位置，从图中可以看出，从C到P的区域引力作用逐渐增强，光强分布的波动性也逐渐增大，P点区域以外的地方由于离不透明物体的边缘较远，可以认为不透明物体在此处的引力为零。

如上图，不透明物体会在其周围产生引力场，在不透明物体的引力影响区域内，由上到下引力迅速增大（图中不透明物体上方引力影响区域我们用了一个渐变色的长方形表示，上方颜色浅表示引力较小、下方颜色深表示引力强度大，图画得很丑将就看）。因为引力作用遵循平方反比定律，所以不透明物体引力影响区域内由上到下引力迅速增大。在图中12长方形区域内（浅黄色部分），引力作用较小并且在这个区域内引力也是从上到下迅速增大的。假设从这个长方形区域的上顶部处经过的光子恰好能够同时吸收的引力子最大数量是10000个，而从这个区域下底部处经过的光子恰好能够同时吸收19999个引力子，则从12长方形区域内经过的光子只能吸收10000个引力子并分别放出1个、2个、3个……9999个引力子，也就是说因为引力强度的影响，从这一区域经过的光子只能吸收10000个引力子并发生一定的偏转，可见在一定的引力范围内，光子的偏转方式是唯一的。从这一区域向下的23长方形区域内（颜色稍深一些）引力增大，从该区域内经过的光子可能吸收的引力子数量范围为20000个至29999个之间，则从这一区域经过的光子只能吸收20000个引力子并分别放出1个、2个、3个……9999个引力子，可见从这一区域经过的光子偏转角度更大。因为引力作用遵循平方反比规律，所以越靠近不透明物体引力强度增加越快，则12长方形区域长度大于23长方形区域长度，那么是否吸收了10000个引力子的光子投射在屏幕上的宽度就大于吸收了20000个引力子的光子投射在屏幕上的宽度呢？换句话说，离不透明物体边缘越远的地方条纹应该越宽、离不透明物体边缘越近远的地方条纹应该越密，这和实验结果完全相反，这说明我们的分析有不完善的地方。在图中12长方形区域内，虽然这个区域宽度最大，但是因为这个区域引力合力非常弱，所以光子同时吸收10000个引力子的几率也是最小的，可能只有从底部一些区域经过的光子才可能吸收10000个引力子发生偏转，所以此区域内光强改变量最小、条纹宽度最密。再往下一些的区域引力合力变大，此区域内光强改变量变大，由于引力合力变大（相当于引力子密度变大），在此区域内的光子吸收了若干个引力子后也有更多机会与引力子碰撞并发生较明显偏转，所以条纹也将变宽。当引力合力足够大时，光强改变量也最大，光子将发生连续偏转。

直边衍射条纹的特点。上图是光的几种衍射现象，其中光照射在刀片上产生的直边衍射现象是我们分析的重点。一般情况下，直边衍射条纹有如下特点：1.在几何阴影区内,光强迅速下降,但并不为零,仍有较弱的能量分布,距几何阴影一定距离（3～4mm）后光强才逐渐减弱到接近于零。

2.几何阴影分界线处光强既不是最大,也不是最小,光强约为无直边衍射屏时的1/4。

3.在几何阴影区外产生明暗相间的条纹,但明暗条纹仅限于离几何阴影分界线很近的范围内。也就是说在几何阴影区外光强重新分布,产生振荡起伏,随着与几何影边缘距离的增大,条纹变密,振荡幅度逐渐减小,最后光强趋近某一定值。

4.几何阴影区外距几何阴影较远时,光强趋于均匀,保持不变,与无直边衍射屏时相似。

如上图所示，B（O）点把光子能够到达的区域分成了几何阴影区内（AB区域部分）和几何阴影区外部分。从图中可以看出，在几何阴影区内AB部分光强随着离几何阴影分界线BO距离的增大而迅速减小；在几何阴影区外CB部分光强随着离几何阴影分界线BO距离的减小而迅速减小；在几何阴影区外CP部分光强随着离几何阴影分界线BO距离的增大光强的波动性逐渐减小；当距离几何阴影分界线BO足够远处时光强趋近于定值、波动性消失。

我们认为光的本质是粒子，光子在引力作用下可以发生偏转，但是单个引力子对光子的偏转作用极不明显，光子只有同时吸收'最小吸收基数'个引力子后才会发生较明显的偏转。因为光的本质是粒子，所以光子经过不透明物体后并不会因为相互干涉而消失，打个比方，50000个光子经过不透明物体投射在屏幕上还是50000个光子，并不会少一个也不会多一个。如果没有引力作用，则光子经过不透明物体后在几何阴影区内光的强度为零（也就是说光子不可能到达这里），在几何阴影区以外不同区域光的强度应该是一致的。事实上由于光子经过不透明物体时必然受到引力作用的影响，由此造成几何阴影区以外光的强度是变化的，因为光子的总数是不变的，某一区域光的强度增加必然是其他区域光的强度减少造成的，并且某一区域增加的光强一定等于另一区域减少的光强。换句话说，如果在几何阴影分界线向外一定距离处光的强度大于平均强度，必然有某处的光强度小于平均强度。我们认为光强大于平均值的地方是光子在引力作用下偏转到此处堆积形成的，某个区域光子吸收'最小吸收基数'个引力子后发生较明显偏转，则该区域内的光强必然就要小于平均光强。如上图所示，DE区域内的光子由于受到引力作用沿着引力方向偏转到CD区域内，则DE区域内的光强必然减小而CD区域内的光强必然增大。由于距离几何阴影分界线越近引力就越强，所以越靠近几何阴影分界线光强的改变就越明显（光强的波动性也越大），而远离几何阴影分界线光强的改变就越不明显（光强的波动性也越小），当然了距离几何阴影分界线足够远处时光强的改变（光强的波动性）非常小就可以忽略不计了，此时光强等于平均光强。也就是说FG区域内的光强改变必然小于DE区域内的光强改变，CD区域内光的强度要大于EF区域内光的强度。这里还有一个推论应引起我们的重视，因为光子的总数是一定的，所以CD区域内增加的光强约等于DE区域内减少的光强，换句话说，如果DE区域内的光子数量比平均值少了800个，则CD区域内的光子数量一定比平均增加了800个。

接着分析，上图中BC区域由于最靠近不透明物体的边缘，所以在这个区域内光子受到的引力是最大的（相对于其他区域而言），所以从BC区域内经过的光子将在引力作用下偏转到几何阴影区域内（即AB区域内），这就造成几何阴影区域内光的强度不为零的现象。由于BC区域内引力最强、光子受到的引力也最大，那么光子为什么没有形成不连续的亮条纹呢？这是因为当引力较大时，虽然吸收了10000个引力子的光子和吸收了20000个引力子的光子偏转角度不同、到达屏幕上的位置也不同，但是吸收了10000个引力子的光子同时可能受到多个引力子的碰撞作用，这个碰撞作用使光子发生偏转，由于该区域内引力强度较大，所以光子与引力子的碰撞非常频繁，从而导致吸收了10000个引力子的光子的偏转角度是连续变化的，由此造成几何阴影区域内的光强是连续改变的。 这正是直边衍射现象第一条特点的形成原因。

如上图所示（画得有点丑将就看一下），如果我们把光经过不透明物体形成的图案投射在屏幕上，可以看到，几何阴影区域内从B点到A点光强迅速减弱，几何阴影区域外从C点到P点经过的光子会表现出'波动性'并在屏幕上形成以下的光强特征：离几何阴影分界线稍近的地方光的强度增加较多并且形成的条纹宽度也越大，离几何阴影分界线稍远的地方光的强度增加较少并且形成的条纹宽度也越窄，离几何阴影分界线再远一点的地方光的强度增加不明显并且形成的条纹宽度也更窄，最终离几何阴影分界线足够远的地方光的强度为一个定值，此时光强的波动性为零。这也是直边衍射现象中第三条'在几何阴影区外产生明暗相间的条纹,但明暗条纹仅限于离几何阴影分界线很近的范围内。也就是说在几何阴影区外光强重新分布,产生振荡起伏,随着与几何影边缘距离的增大,条纹变密,振荡幅度逐渐减小,最后光强趋近某一定值'形成的原因。

从直边衍射的实验事实来看，引力对光子的作用主要有两个特点：一是当引力作用较微弱时，光子在引力作用下主要表现出不连续偏转的特点，即光子可能吸收10000个引力子发生偏转，也可能吸收20000个引力子发生偏转，还可能吸收30000个引力子发生偏转，光子吸收不同引力子数量的偏转角度也不同，可以认为引力作用对光子的作用是不连续的。二是当引力作用较强时，光子在引力作用下主要表现出连续运动的特点。打个比方，吸收了10000个引力子的光子发生1度偏转，吸收了20000个引力子的光子发生2度偏转，但是由于此区域内的引力强度较大（引力子密度较大），所以吸收了10000个引力子的光子在与大量引力子碰撞后也会发生连续偏转，从而形成连续的亮区。

下图是不同宽度单缝形成的衍射条纹图案，从图中可以看出，当单缝宽度小于毫米数量级以后就会形成较为明显的不连续亮条纹，并且缝越窄形成的不连续亮条纹宽度越大，当缝足够窄时形成的亮条纹就是连续的了。

3.0版本的微粒假说――光子在变化的引力场中会形成不连续的亮条纹。之前我们总是强调物体的引力作用使光子形成了不连续的亮条纹，很多人就对引提出质疑，认为刀片很薄、质量也非常小，刀片的引力能够对光子的运动产生影响吗？地球的质量比刀片要大很多个数量级、其引力场比刀片的引力场不知道要强大多少倍，为什么地球引力场不会引起光子的偏转？这个问题提得好，我们认为其根本原因在于地球引力场是均匀的，而均匀的引力场不会引起光子产生不连续的亮条纹，只有连续变化的引力场才能够使光子产生不连续的亮条纹，当然了引力场足够强时光子的偏转又是连续变化的了。

刀片能够使光子产生直边衍射现象、形成光强波动性变化的原因是，刀片周围的引力场并不是均匀的，离刀片越近引力场越强，由此造成了光在不均匀的引力场中形成不连续的亮条纹：当引力场较弱时光子只能同时吸收10000个引力子发生1度的偏转；当引力场较强时光子可能同时吸收20000个或者30000个引力子发生2度或者3度的偏转，当离物质实体足够近时引力场足够强，此时光子的偏转就是连续的了。

还有人指出，即便认为引力能够使光线形成明暗相间的条纹，但是无法解释光栅衍射问题和光的偏振问题。光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称，一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于狭缝，精制的光栅可以在1厘米宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。利用透射光的光栅称为透射光栅，还有一种利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅称为反射光栅。一个理想的衍射光栅可以认为由一组等间距的无限长无限窄狭缝组成，狭缝之间的间距为d，称为光栅常数。当一束光垂直入射于光栅时，会在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹。

激光束通过玻璃片上的划痕后会穿过玻璃，虽然可以认为玻璃是均质的但是以光子的微小尺度而言，某一时刻光子受到的引力合力不为零的几率是很大的，在合力不为零的引力作用下，若光子能够吸收若干个引力子则光子或者向上偏转或者向下方偏转，由此在屏幕上形成中央亮纹以上的第一条亮纹和中央亮纹以下的第一条亮纹。同样光子也可能吸收更多的引力子从而形成中央亮纹以上的第二条亮纹、第三条亮纹、第四条亮纹……，中央亮纹以下的第二条亮纹、第三条亮纹、第四条亮纹……也是这样形成的。如果我们在玻璃片上划出多个划痕并且制成衍射光栅，则激光束通过多个划痕后将在屏幕上形成多条亮纹，很显然，划痕越细则屏幕上形成的条纹也越窄，划痕越多则通过的光子越多所以屏幕上的亮纹也就越亮，这些特点完全符合衍射光栅形成的条纹规律。

在光线经过反射时，某一时刻光子受到的引力合力不为零的几率是很大的，在合力不为零的引力作用下，光子同样能够吸收若干个不同数量的引力子而发生不同角度的偏转并在屏幕上形成不连续的亮条纹，这也是反射光偏振的原因，后面我们将详细讨论。