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在光学的发展史上，关于光的本质的争论从来没有停止过，争论的焦点在于两种截然不同的观点：一种观点认为光的本质是波，另一种观点认为光的本质是粒子。光的干涉衍射实验表明光通过窄缝后会偏离原来的运动轨迹，波动理论认为这反映了光是一种波动；粒子性观点则认为光子偏离原来的运动轨迹是光子在引力作用下的结果。我们认为光的本质是粒子，光的干涉衍射现象是光在引力作用下形成的，日常生活中的物体都能够使光线偏离原来的运动轨迹。有人指出，太阳的引力比日常生活中物体的引力大得多，太阳的引力可以使光线偏转但日常生活中的物体引力很小并不足以使光线偏转，所以认为光的偏转是由引力作用造成的根本就是站不住脚的。本章我们就来分析日常生活中的物体能否使光线偏转，本章知识点较多，建议爱好者分多次看完。 （一）太阳引力能够使光线弯曲。二十世纪初，科学家通过观测证实：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。广义相对论认为引力的本质是空间弯曲（实际上这是个不靠谱的观点），理论上任何一个物体的引力都能让光线发生弯曲，只是弯曲的程度不同而已，爱因斯坦还预言了光线经过太阳附近时的偏折角度。1915年，英国科学家爱丁顿借助日全食现象成功测量了从遥远恒星发出的光线经过太阳时的偏折角度，其结果与相对论预言基本吻合，人们认为这一实验成为验证广义相对论的重要证据。   上图是星系（或太阳）引力使光线弯曲的示意图，作为一种已经被证实的实验现象，引力作用可以使光线发生弯曲普遍被人们所接受。但是当我们说宏观物体比如说刀片、手指或者纸片产生的引力也能够使光线偏转，则很多人就会跳起来否认了。那么事实到底是怎样的呢？  （二）单缝衍射条纹的形成原因分析。在一张不透明纸上划出一条单缝，光通过这条单缝后就会形成中间宽两侧窄的、明暗相间的条纹（也叫衍射条纹）；如果在一张不透明纸上划出两条足够近的窄缝，光通过这两条缝后也会形成宽度近似相等的明暗相间的条纹（也叫干涉条纹）。  对引力造成光线偏转形成衍射条纹的质疑。我们认为光偏离直线传播是引力作用造成的，很多人不赞成这种观点，他们一针见血地指出：如果光是一种微粒并且能够在引力作用下会发生偏转，由于窄缝的引力并不是一成不变而是连续变化的（一般可以认为缝中心引力合力为零，从缝中心到缝边缘处的引力连续增大），一束光通过窄缝时从缝的不同位置经过的光子受到的引力大小不同、偏转角度不同，所以一束光经过窄缝后的偏转角度也应该连续变化（以单缝为起点呈扇形投射在屏幕上形成连续亮区），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明暗相间的条纹（不连续的亮条纹）。  如上图所示，我们认为光子在连续变化的引力作用下形成不连续的亮条纹的主要原因是光子在同一时刻只能吸收特定数量的引力子造成的，假设光子吸收１万个引力子则其偏移量为１个单位、光子吸收２万个引力子则其偏移量就是２个单位、光子吸收３万个引力子则其偏移量就是３个单位……，由于光子只能吸收特定数量的引力子，造成光子在引力作用下的偏转是不连续的，由此形成了光的衍射现象。针对上述观点，有人对立即光子质量（能量）的不连续性提出了质疑，认为这么简单的问题几百年前就应该有人想到了。 对光子质量不连续的质疑。根据我们上面的分析，光子只能够吸收特定数量的引力子，比如光子可以同时吸收１万个、２万个、３万个……引力子，既然如此，光子吸收不同数量的引力子后其质量变化就是不连续的。实际上光子质量的不连续性早已经被实验证实。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。有吃瓜群众认为，既便光子的能量是不连续的，也不能说明光的衍射现象就一定是引力作用造成的，总能够找到光子模型的错误，哪怕找不到错误也要喷一下，喷就喷吧，这正是我们完善光的粒子模型所必需经历的。我们欢迎更多的有志之士指出光子模型的不足以利于我们改进。  中央亮纹的形成。如图，当一束激光经过宽度为a的窄缝时将受到缝的引力作用，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、并且越靠近窄缝上底部引力就越大；3465区域引力合力向下、并且越靠近窄缝下底部引力就越大；窄缝中心线（34线）处的引力合力为零。当一束激光发出的光子经过窄缝时，大部分光子可能都没有机会吸收'最小吸收基数'整数倍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若干个引力子极小的冲量作用，在这个冲量作用下，从3421（引力合力向上）区域经过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）；从3465（引力合力向下）区域经过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'最小吸收基数'整数倍引力子的光子最终投射在屏幕上形成中央亮纹（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'最小吸收基数'倍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。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0.0001，由于质量为100的光子只有同时吸收至少10000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10000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10000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20000个、30000个……n＊10000个引力子。光子吸收了20000个引力子则会投射在屏幕上形成第二条亮纹、吸收了30000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。也就是说，光子经过单缝后会在缝的引力作用下改变质量（能量或者频率）。关于单缝条纹形成的详细分析可以参阅《单缝衍射条纹形成原因分析》一文。  制成单缝材料的材质不同对衍射现象的影响。有物理学爱好者指出，既然衍射现象是光在引力作用下发生偏转形成的，那么显然制成缝的材质不同必然会在一定程度上影响光子的偏转程度、进而影响形成的衍射条纹。比如，对于用纸片和铁片制成的同样宽度（假设这个宽度是0.1毫米）的单缝来讲，因为铁的密度大于纸的密度，所以在相同的缝宽下铁片制成的单缝其引力作用要强于纸片制成的单缝，那么同样的缝宽下两者形成的衍射条纹也应该不同：因为铁片的密度大引力更强，所以在相同缝宽的情况下光通过铁片制成的单缝后形成的亮条纹应该更宽；由于纸片密度较小引力作用也相对较小，所以在相同缝宽的情况下光通过纸片制成的单缝后形成的亮条纹应该更窄。这个问题的提出直指问题的实质，很长时间内我们都无法解释，让我们如梗在喉，也成为我们解释干涉衍射现象一个绕不过去的坎。正所谓山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村。小到纸片的引力，大到日全食时产生的阿莱效应，其实都遵循同样的规律，经过坚持不懈地努力探索，这个谜题终于揭开了。  （三）直边衍射现象。直边衍射是指光在传播方向上遇到不透明物体（或者不透明直边）后在屏幕上形成特定衍射图案的现象，实际上光遇到任何不透明物体（包括直边的、非直边的、多边形的或者任意形状的）都能够形成特定衍射图案。  上图是非常典型的一种直边衍射现象，光照射在刀片上会在刀片后面的屏幕上投射出特定的图案。其特点是：一是在几何阴影区域内,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后光强才逐渐减弱到接近于零；二是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时的1/4；三是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域外光强重新分布,产生振荡起伏,随着与几何阴影边缘距离的增大,条纹变密,振荡幅度逐渐减小；几何阴影区域外距几何阴影边缘较远时,光强趋于均匀,保持不变,与无直边衍射屏时相似。  再比如，光通过手指缝形成的图案也可以认为是直边衍射图案，总之日常生活中我们经常能够观测到光的衍射现象。我们在《微粒模型对直边衍射与单缝衍射的成因分析》一文中对直边衍射现象的形成原因进行了分析，感兴趣的朋友们可以参阅。刀片、手指缝形成的直边衍射现象充分表明，宏观物体如刀片、纸片等的引力也会影响光子的运动，甚至一根头发丝产生的引力也能够影响光子的运动。  （四） 两条缝形成图案的变化。 如上图所示，在一块不透明塑料片上划出两条缝，当两条缝相距足够远时我们用激光照射这两条缝，屏幕上将出现两个独立的单缝干涉条纹；当两条缝之间的距离缩小到一定程度时（通常两条缝之间的距离在1毫米以下），用激光照射这两条缝，屏幕上将出现干涉条纹；当两条缝之间的距离继续缩小时，用激光照射这两条缝，屏幕的干涉条纹将变宽。同样的两条缝，为什么有时候形成衍射条纹，有时候形成干涉条纹呢？感兴趣的朋友可以参阅《同样两条缝为什么会形成干涉条纹与衍射条纹》一文。 如上图，当两条缝的距离足够远时，用激光照射将在屏幕上形成衍射条纹；当两条缝的距离足够近时，用激光照射将在屏幕上形成干涉条纹，并且两条缝的距离越近形成的条纹越宽。同样是两条缝，为什么相距较远时形成衍射图案，相距较近时形成干涉图案呢？波动理论对此无法解释，用光的粒子模型则能够很好地解释这个问题。 （五）物质引力有一定的作用区域。 不透明物体的直边衍射有一定的作用区域。如图，在直边衍射现象中，不透明物体的引力会影响在其周围空间一定距离经过的光子并在屏幕上形成特定的条纹。也就是说，不透明物体会在其周围形成引力影响区域。在直边衍射现象中，刀片或手指对光的影响区域一般在厘米的数量级上。 单缝的引力有一定的作用区域。如图所示，在一张不透明的纸上划出一条单缝，一束平行激光照射在单缝上就会在屏幕上形成中央宽两侧窄的衍射条纹。微粒模型认为衍射条纹的形成是由引力作用引起的，那么是不是整张纸对会对缝的引力作出贡献呢？显然不是的，单缝左侧到竖直黄线区域内的纸引力叠加作用形成指向左侧的引力合力作用，单缝右侧到竖直黄线区域内的纸引力叠加作用形成指向右侧的引力合力作用，在缝的中心位置引力合力为零。如果纸张是均匀的则单缝两侧引力叠加区域宽度相等，都为d，我们认为d的数值小于厘米的数量级（具体数值有待于实验验证）。 也就是说，对于单缝引力的形成，只有引力叠加区域内的纸才会对缝的引力作出贡献，在这个区域之外的纸并不会对缝的引力做出贡献，而缝的引力叠加区域通常是很小的，一般可以认为小于厘米的数量级。有人指出，这种分析太主观了，完全是我们为了解释缝的引力硬生生造出来的，下面我们用事实来分析。 如果单缝两边的纸张密度不是均匀的，则一束平行激光通过单缝后形成的衍射条纹将向密度大的一边偏转。纸张左侧密度大则衍射条纹向左边偏转，纸张右侧密度大则衍射条纹向右边偏转。 一般情况下我们做单缝实验时单缝往往开在纸张的中间位置，由于纸张的引力叠加区域很小，可以认为单缝两侧的引力作用是均匀的，所以形成的衍射条纹中央亮条纹正好落在屏幕上单缝中心对应的位置上，如上图所示。 如上图所示，当形成单缝的物质实体Ａ密度大（引力大）时，屏幕上形成的衍射条纹会向上移动，中央亮条纹会在单缝对应的中心点Ｏ位置以上。 如上图所示，当形成单缝的物质实体Ｂ密度大（引力大）时，屏幕上形成的衍射条纹会向下移动，中央亮条纹会在单缝对应的中心点Ｏ位置以下。 很多人觉得以上只是我们的推测，并没有实验证据，事实上在双缝干涉实验中，我们用一个薄云母片盖住上缝则干涉条纹向上移动，用薄云母片盖住下缝则干涉条纹向下移动，充分证明了缝的引力变化会引起条纹相应移动。 双缝引力有一定的作用区域。如下图所示，我们在一张不透明的塑料片上划出两条缝，当两条缝足够远时屏幕上形成两条衍射条纹，当两条缝足够近时屏幕上形成干涉条纹，这就为我们合理确定缝的引力影响区域提供了思路。 在不透明的塑料片上划出两条缝，每条缝都有其引力影响区域，如果这两条缝的引力影响区域不重合，则这两条缝只能看作单独存在的'两条缝'而不能看作'双缝'，此时这'两条缝'相互之间没有影响，同一束激光照射在这'两条缝'上，屏幕上会出现两个独立的衍射条纹。 反之，当两条缝的引力影响区域重合时，它们就由独立存在的'两条缝'变成互相影响的'双缝'，此时用一束激光照射在'双缝'上，屏幕上将形成宽度相等的干涉条纹；因为引力作用遵循平方反比定律，所以'双缝'的距离越近相互影响的越厉害（引力叠加后越强），同样的激光照射在距离更近的双缝上由于引力更强所以光子偏转也更厉害，屏幕上形成的条纹就越宽。 如上图上半部分所示，当两条缝距离足够近时它们的引力影响区域互相重叠，此时两条缝会相互影响光通过后会形成干涉条纹。图中下半部分两条缝的距离足够远，左缝位于右缝引力影响区域以外、右缝位于左缝引力影响区域以外，此时的两条缝可以看作是独立存在的两条单缝，光通过每一条缝后都将在屏幕上形成单缝衍射条纹。通过反复调整两条缝之间的距离，两条缝之间的距离从小于1毫米逐渐增大时，当屏幕上形成的图案从宽度几乎相等的干涉条纹到恰好出现两条较宽的衍射条纹时，我们认为此时两条缝相互之间不再影响，我们把这个距离的一半称为单缝引力作用的影响距离。 如上图所示，我们把两条缝的引力影响区域刚好重叠的区域（图中引力影响区域A或引力影响区域B）的宽度的一半称之为某种材料形成的单缝的引力影响区域。那么怎样判断两条缝的引力影响区域恰好重叠呢？上面我们讲过，当两条缝足够近时（两条缝之间的距离小于1毫米），光经过两条缝会在屏幕上形成干涉条纹（宽度几乎相等的明条纹），当两条缝的距离逐渐变远时，某一时刻屏幕上恰好出现两条较宽的明条纹、其他明条纹的宽度约为较宽明条纹宽度的一半时，两条缝距离的一半正好是每条缝的引力影响区域。只有在这个区域内的物质才会对单缝引力的形成作出贡献，超过这个区域的物质并不会对单缝引力的形成作出贡献。 （六）物体引力对光子作用的三点推论 物体的引力有一定的作用范围。任何物体的引力在空间中都有一定的作用范围，我们把某一物体引力在空间中的作用范围称为该物体的引力影响区域，超过物体的引力影响区域则引力作用可以忽略不计。比如在光的直边衍射现象中，光经过不透明物体后会在一定范围内将产生光强波动，超过一定距离后光强波动将减弱为零，充分表明物体引力对光的影响有一定的范围，通常情况下直边衍射现象引力作用范围大约在厘米的数量级上。 物体的引力作用可以叠加。这一点比较容易理解，当两个物体距离足够近时，一个物体的引力作用会与另一个物体的引力作用叠加在一起。比如，光的干涉现象中，当两条缝的距离足够近时，两条缝的引力会相互影响，一条缝的引力会与另一条缝的引力叠加在一起，对光子产生的作用也将增大。 同一物体的引力在不同介质中作用范围不同。这一点比较难理解，或者说之前没有人探讨过这个问题。通常情况下同一物体其引力作用范围在不同介质并不相同，同一物体在真空中引力作用（影响）范围最大，在其他介质中引力作用（影响）范围将变小，并且介质密度越大则引力作用（影响）范围越小。比如在直边衍射现象中，不透明物体的引力影响区域一般在厘米的数量级上，而在双缝干涉现象中两条缝之间的距离在毫米的数量级上才会相互影响成为'双缝'并形成干涉条纹；当两条缝之间的距离在厘米数量级以上时'双缝'就会变成独立存在的'单缝'并形成宽度不等的衍射条纹。不透明物体引力在空气中的影响区域在厘米的数量级上，同样的物质做成'双缝'时两条缝只有相距毫米的数量级时才会相互影响，说明空气中物体的引力作用（影响）范围大而在介质中物体的引力作用范围小。 光通过铁片和纸片制成相同宽度单缝时形成的衍射条纹几乎完全相同。当光分别经过铁片和纸片产生直边衍射时，其引力影响区域（光强波动区域）都在厘米的数量级上。由于铁片的密度大于纸片的密度，根据物体引力对光子作用的三点推论可知，形成单缝的引力影响区域铁片要小于纸片，即对于用铁片制成的单缝而言，只有离单缝很近的区域内铁片才会对缝的引力形成做出贡献；而在用纸片制成的单缝而言，离单缝较远的区域内纸片都会对缝的引力形成做出贡献。由此，不同材质密度的物质制成同样宽度的单缝形成的衍射条纹几乎没有差异。 （七）光栅衍射现象。 缝的条数越多则引力作用越明显。根据物体引力对光子作用的三点推论中的第三条，同一物体的引力在不同介质中作用范围不同，物体的引力影响区域在真空中（空气中）最大。 如上图所示，图中上半部分单缝右侧长方形区域是单缝左侧物质的引力影响区域（通常在毫米的数量级上）；如果我们把单缝右侧的物质全部拿掉，此时单缝右边全部是空气，则光子经过单缝右边将产生直边衍射现象，其引力影响区域将增大10倍以上（达到厘米的数量级上），这也充分说明了物体引力影响区域在真空中最大；换一个角度考虑问题，当我们用同样的物质把单缝右边的真空状态逐渐填满，则单缝右侧的引力影响区域将逐渐缩小。再换一个角度考虑，如果我们在这个区域划出多条缝，因为每增加一条缝相当于挖去了一部分介质，由于同一物体的引力在不同介质中作用范围不同，物体的引力影响区域在真空中（空气中）最大，所以单缝左侧物质的引力影响区域将变大。或者说单位距离内增加单缝的条数，则该区域内缝对光子的引力叠加作用将加强，光子的偏转将更加明显。换句话说，缝的条数越多则引力作用越明显。如果我们把这些缝用同样材质的物质填满，则我们会发现单缝的引力影响区域又会变小，结果就是我们用同样材质的物质填满单缝的引力影响区域则缝的引力影响区域将缩小，看起来似乎物质能够屏蔽引力作用一样。 （八） 傅科摆与阿莱效应 地球时刻都在自转，大约24小时自转一圈，每小时会转过大约15°的角度。我们对于这样的旋转根本无法感受到。为了看到地球的自转，法国物理学家傅科在1851年研制了一种单摆，摆锤重28千克，悬在67米长的悬挂线上，摆锤下的地面上是一个360°的角度刻度，看上去像个钟表刻度盘，可以指示单摆摆动的平面转过了多少角度。单摆的摆动很有意思，它不仅每次摆动所用的时间相同，它在两侧摆起的高度还一样，而且摆锤和悬挂线摆动划过的平面还是固定不变的，也就是单摆总是在一个平面内摆动。这样，单摆摆动的平面就可以作为衡量地球转动的仪器。当地球转动时，单摆摆动的平面其实是没变的，但在我们看来，好像是地球并没有转动，单摆摆动的平面在转动。用傅科摆我们就能真切地看到地球的转动。 1954年，傅科在用傅科摆做实验期间，正好出现了一次日食。在没有日食出现时，傅科摆的摆动很正常，每小时摆动转过的角度是一样的，对于巴黎这个位置来说，傅科摆每小时转过的角度是11.3°。但是在2.5个小时的日食期间，傅科摆的转动出现明显的异常，它的摆动平面突然反方向偏转了大约13.5°，也就是说，巴黎的傅科摆是逆时针偏转，但是日食期间，它的摆动平面却突然顺时针偏转了13.5°，并在新的平面上一边摆动，一边转动，转动的速度还是每小时11.3°。而日食即将过去时，傅科摆竟然又突然逆时针偏转13.5°，也就是说，从那13.5°的偏转面又回来了。傅科摆这种突然的转动好像说明：在日食期间，地球的自转出现了异常！于是在1959年的日食期间，阿莱又对傅科摆在日食期间的表现进行了认真观察，结果得到了与1954年时几乎同样的结果，傅科摆在日食期间的摆动面会突然偏转约13.5°。这两次重复的实验都得到了一样的结果，是不是日食期间，单摆的摆动真的会出现异常？阿莱把实验结果发表了出来，以引起以后的科学家思考这个问题，解开这个谜团。后人把傅科摆在日食期间突然偏转的现象称为'阿莱效应'。 阿莱效应公布于世之后的几十年里，世界各地的研究者在日食期间进行了认真的观测。诡异的是，这阿莱效应还会时隐时现。在1961年和1970年的日食中，人们观察到了明显的阿莱效应。但是在1991年的日食期间，阿莱效应却消失了，观察者没有观察到任何异常。2001年和2002年的日食期间，阿莱效应又出现了，只是比较微弱，也就是傅科摆在日食期间，摆动面偏转的角度没有那么大。为什么阿莱效应如此扑朔迷离？是观察工具和观察过程有问题，还是阿莱效应确实会不断变化？对于这个问题，科学家不敢下结论。 实际上，直接影响阿莱效应的就是太阳、地球和月亮这三者之间的距离。真空中太阳的引力作用范围是最大的，当月亮运行到太阳和地球的连线位置时，相当于在太阳和地球之间填充了一定的物质，相当于月亮在一定程度上屏蔽了太阳的引力作用，其屏蔽效果将随着太阳、地球、月亮之间的距离变化而发生变化，并不是说发生日全食时傅科摆就是变化、不发生日全食时傅科摆就不变化。月亮与太阳的距离越近对太阳的引力影响就越大，月亮与太阳的距离越远对太阳的引力影响就越 小；同样，月亮与地球的距离越近则月亮对地球引力的影响也就越大。 |
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