杨氏双缝干涉实验的真正意义不是证明了光是一种波动,而在于发现了一个理论和事实间的矛盾,从而可以在矛盾中提炼出原理加入到原来的理论体系中去。
——摘要
1801年,英国物理学家托马斯杨成功的实现了光的干涉实验,首次有力的证明了光是一种波动。当时人们对光的本质属于探索初期,主要观点分为牛顿的微粒说和惠更斯等人的波动说。惠更斯的观点:光是一种波,光是机械振动在“以太”(ether)这种特殊介质中的传播,这种“波动”在当时仍属于机械波的范畴。杨证明了光是一种波动的另一种说法就是他认为用机械波可以解释光的干涉。这两种说法在当时是等价的。
不过杨氏的实验真的证明了光是一种波动吗?我认为没有。他真正证明了什么?光绝不是机械波!
运用反证法。假设光是一种机械波,则经过干涉无论是在光屏处加强还是减弱的两道光波,在光屏上发生反射后(逐点分析无所谓镜面反射还是漫反射),两道光波独立开来,互不干涉的进入人眼,总的来说就是光屏上各处反射的光波进入人眼的概率是一样的(经过反射后两道光波会因发射角的不同而分开,原本在光屏处干涉的两道光波不再互相干涉)。所以与光屏有一定距离的人眼(或其他仪器)决不会看到明暗相间的条纹,光屏上各处的状态在人眼看来是一样的。分析结果显然与人眼实际看到明暗相间条纹相矛盾。所以假设错误,光波绝不是机械波。
为什么这个实验不仅没有证明光是一种波动反而证明了光不是机械波呢?我认为就是因为忽略了光波的反射过程。本实验的研究对象是光,而人眼如何看到物体的原理也涉及到光,用人眼去观察实验结果,假若结果真的是互相干涉,那干涉出的明暗相间条纹在传播过程中就会发生变化。我们本不该看到明暗条纹,可实际有看到了,自相矛盾。
我们首先应该承认事实(假设人眼看到的为事实),然后去尝试着解释它。矛盾既然已经产生,则必然在已有的知识体系内推理难以自圆其说,此时就需要引入引入新的理论,而新的理论产生的方法就是从矛盾中提炼出原理加入到原来的理论体系中去。显然,此实验现象只用波(当时人们眼中的波)的观点是无法解释的。这就又涉及一个问题,我们是完全抛弃波的观点,转而用其他全新的观点来解释这个现象,还是对已有的波的观点加以补充(引入一种特殊的波,具有机械波所没有的一些性质,现在看来可以是电磁波)来使矛盾消失呢?
历史做出了选择!光的本质是电磁波;光具有波粒二象性。不过这些观点的产生已经是一百年之后的事了。
让我们用现在的观点进行分析看看如果当时加入哪个理论能够使矛盾化解。光是一种概率波,用概率波的观点来解释明暗相间条纹,那就涉及不到光波的干涉了,而是由于光波是一种概率波,于是大部分光子都打在了明条纹处,在暗处基本没有光子到达,即没有能量在暗处,那暗处也就无法再发出光进入人眼。
机械波经过干涉后能量会在波场中重新分配,但两道互相干涉的机械波分开后,能量又恢复为原来的状态。
所以,在当时,若用波的观点来解释人眼为什么看到明暗相交条纹的话,可以这样解释,光波在经过狭缝干涉后能量并没有被还原,各道光波并没有被独立开来(这与机械波有很大不同)。这样的解释可与概率波的解释吻合。
判断一个实验的正确性,应当在当时的理论体系范围内,按照实验者思路进行推导,看有无错误之处。判断过程中不能运用后来才有的知识。
当时托马斯杨认识的波就是机械波性质的波,而且他也明白人眼为什么看到物体(一个地方的明暗),所以在当时的理论体系内他应该推导出此实验即使有结果也无法用人眼来观察。即使光波像机械波似的发生了干涉,要确定发生了干涉也需要在光屏处直接测量(例如能量分布)。若是此实验用人眼(或其他与光屏有距离的仪器)观察而结果正确必须先肯定一点:能量在干涉处重新分配后并不能被还原,至少对光波如此。可当时并没有这个理论,他的知识原理处于自相矛盾状态,存在逻辑错误。
所以我说该实验的真正意义不是证明了光是一种波动,而在于发现了一个理论和事实间的矛盾,从而可以在矛盾中提炼出原理加入到原来的理论体系中去。
几百年来,波动说和粒子说一直进行论战,如今这种论战虽然已被波粒二象性所取代,但实际上,这种对立观点在表面的调和,在许多方面更增加了问题的复杂性,我们并没有找到完善的理论。理论总是在理论与事实的矛盾中不断补充,最后出现了"匪夷所思"的波粒二象性,这种补充什么时候为止?以后会不会补充成三象性、四象性?今天,光的本质的问题的意义仍和二百五十年前的牛顿时代一样伟大。
人类目前的整个理论系统仍然没有达到自圆其说的地步,当承认大部分理论正确的时候总有矛盾点,目前主要集中在光的本质这点。发现光的本质就是引入新的理论将矛盾消除。当然,有人会说我们永远无法去发现事物的本质,只能不断地去接近本质,问题就是我们如何尽快的达到那个极限。
为什么光的本质如此难以被发现呢?这是不是“上帝”的限制?人类真的能够发现光的本质吗?
物理学中的公理一般是在承认眼见为实的前提下确立的,在这些公理的基础上我们建立了一个完善的理论体系。对于一般事物,我们的理论就是对我们接收到的现象的解释,我们认为人眼接收到的现象就是事物本来的现象;但光却不同,在我们现有的理论体系中可以很明确的知道人眼接收到的现象绝不是它本来的现象。我们又想研究它本来的现象,并以此来建立新的理论,而在我们建立的这个理论体系又要求我们永远无法观察到它本来的现象,我们只能得到人眼或仪器接收到的现象。在理论建立的过程中我们无法完全的脱离人眼的观测。这是一个理论建立要求与理论系统建立前提之间的矛盾,这是一个永远无法调和的矛盾。就像测不准原理所说的,对于电子,我们永远无法同时测得它的位置和动量,这只有不在宇宙之中的“上帝”才可能无条件知道,因为“上帝”不用测量,人类只要测量,就无法做到,而不测量,更无法做到,这是一个不可调和的矛盾,人类只能做到适可而止。