9、光的干涉与衍射

9、光的干涉与衍射1909年泰勒曾做了一个很奇特的实验。他先在强光下拍摄了一根细针的衍射像，然后减弱光束的强度，延长曝光时间，有一次达三个月之久。当他把光束衰减到只有一个光了进入仪器时，所得到的衍射像与强光短时拍摄的完全相同。A：惠更斯——菲尔衍射图像B:介质衍射原理及其图像C:惠更斯衍射原理A:mediumdiffractionprincipleandimage泰勒的实验表明，干涉与衍射，并不象人们通常认为的那样，是多个光子同时存在并相互作用而产生的，相反，单个的光子也能产生干涉与衍射。此后，他又作了单光子的双缝干涉试验，结果相同。1970年狄拉克明确表明，对于单个光子干涉现象，完全可以用几率幅的概念作出回答。当光子射向双缝屏时，每一个光子穿过每一个缝都有一个几率幅，而在光屏上的每一点也将对应一定的几率幅，这些几率幅的叠加，就形成了干涉图样。激光出现以后，曼德尔等人进行了独立光束干涉试验。他们用两只脉冲式红宝石激光器作为两个独立的光源。为了保证条纹的可见度，采用了光电符合技术以消除各种频率漂移使信号产生的干扰。结果获得了条纹可见度为15%的干涉图样。经过改进，完成了高度减弱的两束独立激光之间的干涉。在这一试验中，高度减弱的两束独立激光每一束中一次只能有一个光子入射。也就是说，当一束激光发出一个光子时，另一束激光发光子的几率仅有万分之一。1971年，拉德罗夫又用另外的方法完成了类似的试验。独立光束干涉试验给光的粒子说带来一个致命的问题。因为独立光束的“单光子干涉”发生的是双光干涉，当第一个激光器发出的光束中仅有一个光子奔向控制器时，第二个激光器还未发出光子，第一个光子就已经与第二个尚未到来的光子发生了干涉效应。然而，当把一束激光关掉时，这种干涉就消失了。吕锦华先生认为：二台激光器之间的相互作用属于度作用，度作用是以真空光速（C∞=80万公里/秒）传播，但光子却以相光速（C=30万公里/秒）传播。从而，我们看第二台激光器的光子还没从激光器发出，它却已与第一台激光器发出的光子发生了干涉效应！事实上，第二台激光器的光子已经产生，只是还没从激光器发出而已。用这个实验也可检验真空光速C∞是否是80万公里/秒。这就要建立一个自动的高速光电计时器或高速摄影器，测定干涉发生与第二光子到达干涉点的时间差（⊿t）以及第二台激光器发生光脉冲到第二光子到达干涉点的时间t。r/C∞=t-⊿t，r/C=t，C∞=Ct/（t-⊿t），⊿t/t=5/8，或t=1.6⊿t。可是这些观点需要实验的检验。D:惠更斯原理E：杨氏双缝干涉实验D:HuygensprincipleE:young'sdouble-slitinterferenceexperiment现代物理学认为光波是平面波。平面波的波动方程可用复数表示成如下形式：[()/](,)cos()sin()ipxEtxtekxtikxt…(3.1)。其中，,pkE。式中1i。凡是有electriccharge的地方，四周就存在着electricfield，即任何electriccharge都在自己周围的空间激发electricfield。带电体在电磁场中运动时若能级发生变化，则会辐射electromagneticfield以保持电磁质量不变，存在Maxwell理论中的脱离物体的携带能量的electricfield，所以electromagneticfield具有电磁质量，displacementcurrent与传导电流本质上都是电磁质量的传播。Newton本人已经准备接受他的图象中躲藏在光的神秘行为后面的深刻问题。在物理学中因为看出了互不相关的现象之间有相互一致之点而加以类推，结果竟得到很重要的进展。【1】萨格纳克效应（sagnac效应）——1911年，Sagnac发明了一种可以旋转的环形干涉仪。实验原理如图4.3所示。将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉。萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比。二十世纪末英国科学家戴维多伊奇根据单光子衍射试验提出了平行宇宙的假设。参考文献：【1】Einstein和英费尔德著周肇威译.《物理学的进化》上海科学技术出版社1962年