有人把電子雙縫干涉實驗稱作世界十大經典物理實驗之首,認為這個實驗證明了微觀粒子(電子和原子)具有波粒二象性,為物質波理論的提出和量子力學的建立奠定了實驗基礎。我們認為,正確解釋雙縫干涉實驗涉及到當今物理最前沿的引力問題和光子內部結構問題。
第一節 波和粒子穿過障礙物的區別
關於波和粒子的根本區別,網上有一個講得比較好的例子:有一個房間,我們對著房門開了一槍,子彈從房門飛進去打在牆上形成一個點,這就是粒子,其主要特性是直線傳播;還是這個房間,你對著門口吼了一聲,裡面的人站在任何一個位置都能聽到,這就是波,其主要特性是非直線傳播,也就是波會繞過障礙物傳播。當然了這個例子也有不太恰當的地方,人在房間中任何位置都能夠聽到聲音,除了聲波的衍射現象外還有反射現象,這裡強調波的主要特性是可以繞過障礙物傳播。可以看出,波動和粒子是兩個不同的概念,粒子看得見摸得著其運動方式為沿著直線傳播,而波能夠拐彎,並且波的傳播則需要依賴介質才能夠進行。
粒子性的特點是透過雙縫後形成兩條條紋。上圖是用散彈槍發射出的小球穿過兩條窄縫形成的圖案,可以看到由於小球沿著直線運動必然在螢幕上形成兩條條紋,因為小球不會拐彎,人們把這一特性認為是粒子性,也就是說小球穿過雙縫會在螢幕上形成兩條條紋表現出了粒子性。據此,科學家給這兩條條紋貼上了粒子性的標籤,認為透過雙縫形成兩條條紋就表現出了粒子性。
波動性的特點是透過雙縫後形成寬度相等的明暗相間條紋。上圖中鐳射透過雙縫後形成寬度近似相等的明暗相間的條紋(實際上形成的只有明條紋,暗條紋是光子到達不了的地方,也就是說光透過雙縫後並沒有主動去"形成"暗條紋)。為了便於理解,科學家把光透過雙縫後形成的明暗相間條紋和水波形成的波動條紋進行了對比,發現兩者有相似的地方,於是把光透過雙縫後形成的明暗相間條紋稱為光的波動,認為光實是一種波,所以透過雙縫後會形成明暗相間的條紋。並據此認為如果某個粒子透過雙縫後形成了明暗相間的條紋則表現出波動性,表明大家潛意識裡把明暗相間的條紋和波動現象劃上了等號。
第二節 對雙縫干涉實驗的解釋
光透過雙縫後會形成明暗相間的條紋,對這個現象的主流解釋是光是一種波動,透過雙縫時會相互干涉從而產生明暗相間的條紋。另一種解釋是光的本質是粒子性,光子在引力作用下總是到達特定的位置從而形成明暗相間的條紋。光的波動理論無法解釋單個電子干涉實驗結果:1974年,皮爾·喬治·梅利在米蘭大學的物理實驗室裡成功的將電子一粒一粒的發射出來,當第一個電子到達螢幕以後過一段時間再發射第二個電子(以確保第一個發射的電子不會對第二個發射的電子產生干擾),經過足夠長時間之後螢幕上依然出現了寬度相等、明暗相間條紋,於是人們認為電子發生了干涉。既然電子發射源每次只發射一個電子,螢幕上依然產生了干涉條紋,表明單一電子也能夠發生干涉,它能跟誰幹涉呢?它在同一時刻到底透過哪條縫呢?為了搞清楚單個電子到底是從哪條縫經過的、電子有沒有同時透過雙縫,科學家們在雙縫後加了一個觀測儀器以便觀測電子到底通過了哪一條縫,但更神奇的事情發生了:不加裝探測裝置觀測的時候,電子錶現出波的特性(在螢幕上形成多條明暗相間的干涉條紋),而一旦加裝探測裝置電子就規規矩矩地表現出粒子性(在螢幕上僅形成兩條亮紋)。這個實驗實際上給光的波動理論判了死刑,但是由於沒有更好的解釋方法,科學家們用波函式的坍縮來解釋這個問題,但仍然沒有得到公認。我們用光的粒子性(電子的粒子性)很容易解釋上述問題,並且用光的粒子性解釋光電效應是非常合理的,但是由於用光的粒子性解釋光的干涉衍射現象之前沒有人做過,所以我們遇到的阻力很大,一些吃瓜群眾往往看到標題就開始噴,物理前沿探索總要有人做出新的嘗試,去突破前人的認識瓶頸。從認識論的角度來講,光透過雙縫後形成了明暗相間的條紋,這個問題有兩種考慮方法,一種是認為光形成明暗相間的條紋是光的本質屬性的反映,體現了光的波動性,至於這個波動性是怎樣形成的、需要不需要傳播介質則並沒有從根本上解決。另一種考慮方法是認為光的本質是粒子,光子透過雙縫後到達不同位置是光子與引力子相互作用的結果,採用這種分析方法能夠很容易解釋單個光子(單個電子)形成明暗相間的干涉條紋的原因:一個電子在透過雙縫時能且只能透過雙縫中的一條縫(左縫或者右縫),在透過縫的同時由於電子吸收了特定數目的引力子(成為極不穩定的"超臨界狀態"的電子),吸收了不同數量引力子的電子將發生不同的偏轉角度併到達螢幕上不同的位置,根據電子吸收引力子數量的不同有可能到達第一條亮紋處、也可能到達第二條亮紋處、還可能到達第三條亮紋處……甚至到達第n條亮紋處。處於"超臨界狀態"的電子和引力子的結合力是極其微小的,外界任何輕微的擾動都會讓處於"超臨界狀態"的電子立即"裂變"放出特定數量引力子從而改變其原來的運動狀態。我們在雙縫後安裝探測儀器後,探測儀器發出的光子與處於"超臨界狀態"電子發生碰撞,光子對電子的衝擊將會使處於"超臨界狀態"的電子立即"裂變"放出特定數量的引力子,這樣就抹去了引力加在電子上的調製資訊,從而使電子錶現出粒子性特徵。從物理研究的認識論的角度來講,把光作為波的屬性來考慮問題,分析問題只有一個因素那就是光的本身,用這種分析方法我們無法瞭解光的結構;而從光子內部結構與引力相互作用的規律來考慮,這裡有兩個因素:光子內部結構和光子與引力的作用規律,這種考慮問題的方式更加全面,也更加符合我們對物理規律的認識。用光透過縫後形成的條紋來分析縫的引力作用,從方法論的角度來看完全沒有任何問題,並且其分析結果與宏觀中我們觀測到的星系引力造成的引力透鏡現象的結果完全一致,並且與引力紅移現象的結果也完全一致:引力場中總是能量大的光子偏移量小而能量小的光子偏移量大,正是由於微觀粒子在引力場中的運動規律與宏觀物體完全不同,為我們深入認識引力問題的起源問題提供了契機。認真研究清楚這個問題,比空談引力子是不存在的,引力作用是靠引力波傳遞的要實際得多。
第三節 干涉衍射現象揭示的引力特徵
牛頓提出了萬有引力定律,指出任何質量不為零的物體周圍都會產生引力場。如果我們把光透過單縫或者雙縫後形成的圖案當成揭示物質引力場的秘密的話,又能夠發現微觀引力作用和宏觀引力作用的巨大區別:宏觀中物體在引力場中的加速度與其質量無關,比如伽利略比薩斜塔實驗表明在引力場中的物質在引力作用下的加速度與物質的質量大小無關,物質在地球表面受到的引力作用可以用數學公式G=mg來表示,G為物質受到的引力,m為物質的質量,g為常數。比如,如果沒有空氣阻力的影響,則10千克重的鐵球和1千克重的鐵球從同一高度下落時一定是兩個鐵球同時著地;同樣10千克重的鐵球和10千克重的木球從同一高度下落時也一定是同時著地;同樣10千克重的鐵球和10克重的羽毛從同一高度下落時也一定是同時著地。但是在微觀中完全就不是這麼回事:在相同單縫或者雙縫引力作用下,總是質量小的光子偏移量大而質量大的光子偏移量小,這和宏觀中的引力作用結果截然不同。有吃瓜群眾指出:以上觀點沒有實驗依據,事實上科學家們早就發現:當星系發出的光遠離星系時要擺脫星系引力做功,此時能量越大的光子能量減小較小而能量越小的光子能量減小越大(引力紅移現象),充分表明微觀中引力場的引力作用和微粒的質量密切相關,引力加速度不再是常數。由此深入研究,我們發現引力場並不是保守力場,也就是說引力場是有限場,引力場也存在"多譜勒效應",並且發現相互運動的兩個物體之間的引力作用並不在兩個物體質心的連線上,由此就能夠正確解釋上帝第一推動力的存在。
基於以上考慮,我們認為雙縫干涉實驗至少涉及以下兩個物理前沿話題:一是光子內部結構及與引力子的作用規律;二是引力場對微觀粒子的作用規律及引力場的特性。