双缝干涉现象中明暗条纹成因新解

彭英禹

（成都埃尔法焊割设备有限公司，四川 成都610000）

1801 年，英国物理学家托马斯·杨(1773-1829)在实验室里成功地观察到了光的干涉[1]。

该实验由光源，单缝，双缝以及挡板构成。光源通过单缝形成点光源，点光源经过双狭缝形成两个相干光源，就能在挡板上出现神奇的明暗相间的条纹。

对于形成明暗相间条纹的分布缘由，可以用波的空间叠加，相长干涉与相消干涉这两种干涉机制来解释，波峰与波峰或者波谷与波谷相遇产生叠加，从而让某些区域始终形成亮条纹，波峰与波谷相交则相互抵消，让有些地方始终形成暗条纹。

以上，关于明暗相间条纹的形成，用波的特性很好的解释出来，同时也反过来证明了光的波动性。

不过，现在光的波粒二象性已经被普遍接受和证明，也就是说光既有波的特性，同时又具备粒子特性。

在双缝干涉实验中，波形相互叠加，或者相互抵消，表现为波特性，但波的叠加与否好像并不能直接形成明暗条纹。

粒子特性表现为光子往波形叠加的地方聚集，形成亮条纹，波形相消的地方光子数量少，则为暗条纹，因此形成明暗相间的条纹。

为什么波形叠加会造成光子的聚集，波形相消的地方，光子不容易到达？

关于这点，我阐述下自己的观点。

光能够形成明暗条纹的原因，或许并不是叠加让光子移动造成的，而是两列相同的光波（相干光波）在空间相遇时，除了叠加外，还发生了交融变形。

当两列完全相同的光波（相干光波）相遇时，它们的接触面交融变形，交会处的波形发生变化，波峰（或波谷）相交位置的前方和后方区域原本该有尖角产生，但实际上相融后却变成了圆润的弧形，即相交处波形由“”形变成了“)(”形，如图1。

图1

图2

光子的运动方向始终为垂直于波扩散面的切线方向，如图2。光波交融使波形发生变化，从而导致光子运动方向改变，两波峰（或波谷）相交前方的弧形状似凹面镜，波峰（或波谷）后方形状似凸面镜，它们都会大幅改变光子运动方向。凹凸面镜是起将反射光线聚集和分散作用的[2]，和这波形成的凹凸面仅仅是形状相似而已。光波交融变形后，将变形区域的大部分光子方向，聚集向波形交会正前方，让该区域光子大量聚集，容易形成亮条纹；变形区域两侧的光子由于大部分被聚集，让该区域光子数量减少，容易形成暗条纹，如图3。

图3

在两列波相交时，相交处的波形形变程度是不同的。比如波峰，在接近波峰峰顶处的波形，形变程度较大，但长度较短，而靠近波峰和波谷交界处，波形弧度较平缓，但变形长度较长，如图4。

图4

波谷和波峰情况相同，靠近波谷谷底处变形弧度较大，变形范围小，靠近波谷波峰交界处形变量小，但长度较长。相交波形变后的弯曲程度也影响着明暗条纹的成型，波前变形弧度越大，或者波后变形越平缓，则聚光效果越好。反之，波前变形弯曲弧度越小，或者波后变形弧度越大，则聚光能力越弱。这和凹凸镜反射光线后的聚光散光作用基本相似。只要条件足够，波前、波后弧度和波长的弧度、距离恰当，几乎可以聚集绝大部分光子在亮条纹处。本文的双缝干涉形成波的交融变形，仅和之前的波形叠加学说光子移动方式有所区别，但形成明暗相间条纹位置却与之相同，即两波峰（或波谷）相遇处为亮条纹，波谷和波峰相交处为暗条纹，如图5。

图5

其实，这种波与波交汇时产生的交融变形也很常见，比如两道水波相交时，我们看到的也是波形交融变形后的样子，波形相交处都很圆润，而不是生硬的波形拼接。

另外，很多前辈伟人的实验证明了不单是光，还有电子、中子、质子、原子等粒子都能形成波，在做双缝干涉实验时，也能形成明暗相间的条纹[3]。如1961 年，蒂宾根大学的克劳斯·约恩松（Claus Jnsson）用双缝实验来检试电子的物理行为，发现电子也会发生干涉现象[4]。

对于电子等微粒来说，它们和光的情况相似，都拥有粒子和波特性，只是质量比光子大得多，更多的时候表现为粒子特性，在做双缝干涉实验时，能产生干涉现象，说明是它们在运动时方向也发生了改变，而波的交融变形，更能解释其电子聚集成明暗条纹的缘由。

所以，我认为，双缝干涉出现明暗条纹的原因，是两列波交会时产生了交融变形，相互影响，改变了交汇处的波形，导致光子运动方向发生改变，从而让光子在波形变形量较大的区域聚集，波形变化量少或者未变形区域形成暗条纹，从而最终形成明暗相间的条纹。