雙縫干涉現(xiàn)象中明暗條紋成因新解

彭英禹

（成都埃爾法焊割設(shè)備有限公司，四川 成都610000）

1801 年，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊(1773-1829)在實(shí)驗(yàn)室里成功地觀察到了光的干涉[1]。

該實(shí)驗(yàn)由光源，單縫，雙縫以及擋板構(gòu)成。光源通過單縫形成點(diǎn)光源，點(diǎn)光源經(jīng)過雙狹縫形成兩個(gè)相干光源，就能在擋板上出現(xiàn)神奇的明暗相間的條紋。

對(duì)于形成明暗相間條紋的分布緣由，可以用波的空間疊加，相長(zhǎng)干涉與相消干涉這兩種干涉機(jī)制來解釋，波峰與波峰或者波谷與波谷相遇產(chǎn)生疊加，從而讓某些區(qū)域始終形成亮條紋，波峰與波谷相交則相互抵消，讓有些地方始終形成暗條紋。

以上，關(guān)于明暗相間條紋的形成，用波的特性很好的解釋出來，同時(shí)也反過來證明了光的波動(dòng)性。

不過，現(xiàn)在光的波粒二象性已經(jīng)被普遍接受和證明，也就是說光既有波的特性，同時(shí)又具備粒子特性。

在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，波形相互疊加，或者相互抵消，表現(xiàn)為波特性，但波的疊加與否好像并不能直接形成明暗條紋。

粒子特性表現(xiàn)為光子往波形疊加的地方聚集，形成亮條紋，波形相消的地方光子數(shù)量少，則為暗條紋，因此形成明暗相間的條紋。

為什么波形疊加會(huì)造成光子的聚集，波形相消的地方，光子不容易到達(dá)？

關(guān)于這點(diǎn)，我闡述下自己的觀點(diǎn)。

光能夠形成明暗條紋的原因，或許并不是疊加讓光子移動(dòng)造成的，而是兩列相同的光波（相干光波）在空間相遇時(shí)，除了疊加外，還發(fā)生了交融變形。

當(dāng)兩列完全相同的光波（相干光波）相遇時(shí)，它們的接觸面交融變形，交會(huì)處的波形發(fā)生變化，波峰（或波谷）相交位置的前方和后方區(qū)域原本該有尖角產(chǎn)生，但實(shí)際上相融后卻變成了圓潤(rùn)的弧形，即相交處波形由“”形變成了“)(”形，如圖1。

圖1

圖2

光子的運(yùn)動(dòng)方向始終為垂直于波擴(kuò)散面的切線方向，如圖2。光波交融使波形發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光子運(yùn)動(dòng)方向改變，兩波峰（或波谷）相交前方的弧形狀似凹面鏡，波峰（或波谷）后方形狀似凸面鏡，它們都會(huì)大幅改變光子運(yùn)動(dòng)方向。凹凸面鏡是起將反射光線聚集和分散作用的[2]，和這波形成的凹凸面僅僅是形狀相似而已。光波交融變形后，將變形區(qū)域的大部分光子方向，聚集向波形交會(huì)正前方，讓該區(qū)域光子大量聚集，容易形成亮條紋；變形區(qū)域兩側(cè)的光子由于大部分被聚集，讓該區(qū)域光子數(shù)量減少，容易形成暗條紋，如圖3。

圖3

在兩列波相交時(shí)，相交處的波形形變程度是不同的。比如波峰，在接近波峰峰頂處的波形，形變程度較大，但長(zhǎng)度較短，而靠近波峰和波谷交界處，波形弧度較平緩，但變形長(zhǎng)度較長(zhǎng)，如圖4。

圖4

波谷和波峰情況相同，靠近波谷谷底處變形弧度較大，變形范圍小，靠近波谷波峰交界處形變量小，但長(zhǎng)度較長(zhǎng)。相交波形變后的彎曲程度也影響著明暗條紋的成型，波前變形弧度越大，或者波后變形越平緩，則聚光效果越好。反之，波前變形彎曲弧度越小，或者波后變形弧度越大，則聚光能力越弱。這和凹凸鏡反射光線后的聚光散光作用基本相似。只要條件足夠，波前、波后弧度和波長(zhǎng)的弧度、距離恰當(dāng)，幾乎可以聚集絕大部分光子在亮條紋處。本文的雙縫干涉形成波的交融變形，僅和之前的波形疊加學(xué)說光子移動(dòng)方式有所區(qū)別，但形成明暗相間條紋位置卻與之相同，即兩波峰（或波谷）相遇處為亮條紋，波谷和波峰相交處為暗條紋，如圖5。

圖5

其實(shí)，這種波與波交匯時(shí)產(chǎn)生的交融變形也很常見，比如兩道水波相交時(shí)，我們看到的也是波形交融變形后的樣子，波形相交處都很圓潤(rùn)，而不是生硬的波形拼接。

另外，很多前輩偉人的實(shí)驗(yàn)證明了不單是光，還有電子、中子、質(zhì)子、原子等粒子都能形成波，在做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，也能形成明暗相間的條紋[3]。如1961 年，蒂賓根大學(xué)的克勞斯·約恩松（Claus Jnsson）用雙縫實(shí)驗(yàn)來檢試電子的物理行為，發(fā)現(xiàn)電子也會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象[4]。

對(duì)于電子等微粒來說，它們和光的情況相似，都擁有粒子和波特性，只是質(zhì)量比光子大得多，更多的時(shí)候表現(xiàn)為粒子特性，在做雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，說明是它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)時(shí)方向也發(fā)生了改變，而波的交融變形，更能解釋其電子聚集成明暗條紋的緣由。

所以，我認(rèn)為，雙縫干涉出現(xiàn)明暗條紋的原因，是兩列波交會(huì)時(shí)產(chǎn)生了交融變形，相互影響，改變了交匯處的波形，導(dǎo)致光子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，從而讓光子在波形變形量較大的區(qū)域聚集，波形變化量少或者未變形區(qū)域形成暗條紋，從而最終形成明暗相間的條紋。