光子在引力作用下形成的衍射条纹成因分析

原子核吸收中子后形成的明暗相间条纹与光子通过窄缝形成的衍射条纹相似,揭示出这两者有着相同或相似的形成机制,果真如此的话,由于原子核吸收中子到达不同条纹处的质量不同,则光子通过单缝后到达不同条纹处的光子质量也应该不同。从另一个角度来讲,就是光子不能够吸收数量连续变化的引力子,光子吸收引力子的个数是不连续的(如果连续则屏幕上就会形成一片亮区),自然界中稳定存在的光子的能量(质量)应该是不连续的。在没有事实证据之前,这只是我们一厢情愿的猜想,那么,事实证据在哪呢?

(一)自然界中稳定存在光子的能量(质量)是不连续的。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。以上事实充分说明光子也有特定的内部结构,不连续是光子最显著的特征,也是研究光子与其它粒子作用时必须牢记的特性。

为了更好地认识光子内部结构,我们可以参考原子核内部结构。原子核不是一个简单的硬性匀质小球而是有特定内部结构的,原子核由质子和中子组成。若设单个中子(质子)的质量数为1,则原子核所有可能的质量数只能是正整数,不存在质量数为10.2、3.8、105.05这样的质量数为非整数的原子核,也就是说任一原子核不可能是由半个中子或者半个质子组成的,组成原子核的只能是整数个中子和整数个质子。对光子而言,它同样有特定的内部结构,可以认为:光子的质量是不连续的,如果某一光子的质量数为102,则比它质量稍大一点的光子的质量数只可能是103,而不可能是102.3、102.4、102.5或者介于102和103之间的其它数值。

(二)光子只能吸收最小基数整数倍的引力子。既然光子有特定的内部结构,那么光子内部各部分间必然存在着凝聚力和排斥力两种力的作用。当一个引力子进入光子内部后形成新的混合体,必然打破了光子内部各部分之间的平衡,此时这个混合体内部各部分同样存在着凝聚力和排斥力两种力的作用:若排斥力占主导地位,则混合体将在极短的时间内“裂变”放出引力子;若凝聚力占主导地位,那么该混合体将吸收引力子形成一个新的光子。

假设自然界中存在的最小的光子质量数1,而引力子的质量为0.001(我们目前还没有办法确定光子与引力子的质量比,所以这个比例也不一定恰当),由于自然界中所有稳定存在的光子质量只能是自然数,质量为10.5,20.03,100.006……等非整数的光子不能够稳定存在,所以光子当然不会吸收单个的引力子。当质量数为10的光子吸收了1个引力子而形成新的质量为10.001的光子,新光子由于极不稳定,会立即“裂变”放出1个引力子;但当该光子同时和1000个引力子相互作用时,就会吸收1000个引力子,此时形成的新光子质量为11,这样的光子能够稳定存在。由于光子一次最少吸收的引力子数量是1000个,我们把这1000个引力子称作是光子的“最小吸收基数”,光子只能吸收“最小吸收基数”整数倍的引力子。

也就是说: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1000的整数倍,那么在某一瞬间同时有999个、1001个、1500个、2100个、2900个、3005个……引力子与光子作用,其结果如何呢?很显然,光子与999个引力子作用时不能吸收这999个引力子;光子与1001个引力子作用时将吸收1000个引力子并放出一个引力子;光子与1500个引力子作用也同样将吸收1000个引力子并放出500个引力子;在光子与2100个、2900个引力子作用时,它将吸收2000个引力子并分别放出100个、900个引力子,可见光子与2100个和2900个引力子作用结果是相同的。同时还应该看到,光子与999个引力子作用和光子与1000个引力子作用的结果是截然不同的:当光子与999个引力子作用不会吸收这999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1000个引力子作用时,它可以完全吸收这1000个引力子,故可以完全吸收这1000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结果形成事实上的不连续,比如光子与2001个、2002个……至2999个引力子的作结果是基本相同的(都是吸收2000个引力子并形成相同的偏转),最终造成光子经过连续引力场后表现出不连续的特征。

(三)衍射条纹的特点。一是衍射条纹是明暗相间分布的,位于中央的亮纹宽度最大,约为其它亮纹宽度的两倍,中央亮纹两侧的条纹是对称分布的。

二是不同衍射条纹亮度不同。一般来说,中央亮纹的亮度最大,中央亮纹两侧条纹的亮度随着条纹离开中央亮纹距离的增加而迅速减小。中央亮纹的亮度>第一条衍射条纹的亮度>第二条衍射条纹的亮度>第三条衍射条纹的亮度>……>第N条衍射条纹的亮度。

三是缝越窄衍射条纹越向两边伸展,其亮度分布也越均匀,缝越宽中央亮纹两侧的条纹亮度越小;当缝足够宽时中央亮纹两侧的衍射条纹就会消失。

四是不同频率的光子通过同一条单缝形成的衍射条纹宽度不同,光子频率(能量)越大其衍射条纹宽度越窄,光子频率(能量)越小其衍射条纹宽度越宽。如红光形成的衍射条纹宽度就大于紫光形成的衍射条纹宽度。

(四)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。

简单推理可以得出两个结论:一是窄缝与屏幕的距离越大则中央亮纹越宽。这是因为经过窄缝后绝大部分光子在引力作用下或多或少会发生偏转,由于光子经过窄缝后的偏转角度是一定的,所以窄缝与屏幕的距离越大则中央亮纹越宽。二是缝宽越小则中央亮纹越宽。这是因为缝宽越小引力越强,则光子经过窄缝时与引力子作用的机率就越大因而其偏转角度也越大,从而在屏幕上形成更宽的条纹。

(五)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。

这里应特别注意:投射在屏幕上中央亮纹区域的光子的质量是100而投射在第一条亮纹区域的光子质量是101,投射在第二条亮纹区域的光子质量是102、投射在第三条亮纹区域的光子质量是103……投射在第n亮纹区域的光子质量是100+n。可见:光子经过窄缝后在窄缝引力作用下光子质量(频率)会发生变化。有人据此认为光经过窄缝后由于频率变化必然导致光的颜色发生变化,而光经过窄缝后颜色发生变化目前还没有在实验中观测到,所以我们的假设是不成立的。这里我们从两个方面来解释,第一,光子经过窄缝后质量(频率)变化非常微小以至于目前我们还没有观测到。第二,目前科学家已经观测到“引力红移”现象(指强引力场中天体发射的电磁波波长变长的现象),既然引力场可以改变电磁波波长,那么光作为电磁波在窄缝引力作用下改变波长从理论上来讲也就没有任何不妥之处了。

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。

因为3465区域是窄缝引力影响区域的一半,所以第一条亮纹的宽度也大约为中央亮纹的一半(严格来说第一条亮纹的宽度比中央亮纹的一半要略少一些,原因我们这里就不分析了)。同样的道理,因为第二条亮纹的形成条件比第一条亮纹的形成条件更为严格,所以第二条亮纹的宽度小于第一条亮纹的宽度。最终有:第一条衍射条纹的宽度>第二条衍射条纹的宽度>第三条衍射条纹的宽度>……>第N条衍射条纹的宽度。

很多人会提出疑问:光子为什么只吸收“最小吸收基数”整数倍个引力子呢?难道它不会与1001个、1002个、1500个……N个引力子作用呢?实际上这是光子内部结构决定的,当光子同时与1001个、1002个、1500个……1999个引力子作用时,它只会吸收1000个引力子形成质量为101的新光子并放出1个、2个、500个……999个引力子,此时形成的新光子都将投射在屏幕上第一条亮纹区域。这里我们看到,由于光子内部结构的影响,连续变化的引力与光子的作用后被量化成不连续的状态了,光子与1000个、1001个、1002个、1003个……1999个引力子作用的结果几乎是完全相同的,理解这一点是认识光子衍射现象的关键。

(六)衍射条纹亮度的变化规律。我们知道,窄缝3465引力影响区域从上到下的引力是逐渐增强的,在窄缝中心向下极小位移处的引力较弱,从这一区域经过的光子,若引力足够强的话经过该处的光子可能偏移形成第一条亮纹;如果引力不够强或者说引力子的空间密度不够大,光子就不可能同时吸收1000个、2000个或更多的引力子,因而也就不可能形成第一条或第二条亮纹,当然更不可能形成第三条及以上的亮纹了。换句话说,从缝中心向下极小位移处经过的光子只可能对第一条亮纹的形成做出贡献,但对第二条、第三条……第N条亮纹的形成没有贡献。同理由该处再往下的极小位移处经过的光子,因为这里的引力子密度增大,则有可能对第一条亮纹、第二条亮纹的形成做出贡献,但对第三条、第四条……第n条亮纹的形成没有贡献……。位于窄缝下底部处的引力子密度最大,所以从窄缝下底部经过的光子可能对第一条、第二条、第三条……第n条亮纹的形成都做出贡献。所以在衍射现象中,各条纹的宽度有这样的规律:

 中央亮纹的宽度>第一条亮纹的宽度>第二条亮纹的宽度>第三条亮纹的宽度>……>第n条亮纹的宽度。

各条纹的亮度也有类似的规律:

 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n条亮纹的亮度。

明白了以上道理,我们对于衍射现象的第三个特点(单缝越窄衍射条纹越向两边伸展,其亮度分布也越均匀,单缝越宽中央亮纹两侧的条纹亮度越小)也就更好理解了:单缝越窄,窄缝中心到窄缝下底部这一区域的引力就越强、引力子空间密度就越大,从缝中心向下极小位移处经过的光子就有更大可能吸收2000个、3000个甚至更多的引力子从而对第二条、第三条……甚至第N条亮纹的形成都做出贡献;单缝越宽,窄缝中心到窄缝下底部这一区域的引力就越弱、引力子空间密度就越小,从缝中心向下极小位移处经过的光子就更没有可能吸收2000个、3000个甚至更多的引力子从而更不可能对第二条、第三条……甚至第N条亮纹的形成做出贡献。

(七)不同颜色光的衍射条纹宽度不同。在衍射现象中,通常是频率(能量)大的光子衍射条纹较窄而频率(能量)小的光子衍射条纹较宽。这种现象是怎样产生的呢?我们知道,频率大的光子质量较大而频率小的光子质量较小,在吸收了相同数目的引力子后,光子受到引力子向下的冲量也相同,在相同的冲量作用下,当然是能量(质量)大的光子偏转角度小、投入在屏幕上形成的亮纹宽度也小。

设光子甲的质量为M1、光子乙的质量为M2,假设它们都吸收了1000个引力子,这些引力子的质量为m,则这两种光子都获得了相同的向下的冲量,此时光子甲的质量变为M1+m,光子乙的质量变为M2+m,则在经过相同的距离后这两种光子的偏移量之比为(M1+m):(M2+m)。考虑到引力子的质量远远小于光子的质量,则甲乙两种光子的偏移量之比可近似为M1:M2,即有衍射条纹的宽度与光子的质量成反比的结论,也就是说:衍射条纹的宽度近似与光子的能量(质量)成反比。当然了,这个结论成立的前提条件是光子的质量远远大于引力子的质量,并且光子的质量越大应用这一结论就越准确,而光子的质量越小这一结论就越不准确。这就是说,不同质量(能量)的两种光子的位移量近似与它们的质量成反比,质量越大的光子位移量越小,质量越小的光子位移量越大。这一点与实验事实完全符合,如红光的衍射条纹宽度大于紫光的衍射条纹宽度。

引力红移现象的发现说明光子在引力作用下的确会改变频率(质量),那么光子经过单缝(小孔)时在单缝(小孔)引力作用下改变频率也就有了间接实验证明(至少在理论上是可行的),只不过光子经过单缝(小孔)后的频率改变极其微小,目前还没有被我们观测(注意)到罢了。深入研究单缝(小孔)衍射现象必然能够推导出引力红移现象和引力蓝移现象,也能够进一步了解光子与引力子的作用规律,实际上光的干涉衍射现象和引力红移蓝移现象都有相同的作用机制,可以认为它们是一脉相承的。

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