Documento de experimento universitario
Ahora que otra fuente de luz coherente S2 se coloca cerca de S1, la situación cambia. En el plano perpendicular a las dos fuentes de luz, hay un círculo claro y oscuro que se alterna, y en el plano paralelo a las dos fuentes de luz, hay una franja clara y oscura que se alterna, como se muestra en la Figura 1. Esto es lo que la gente llama la interferencia de la luz. Dado que el fenómeno de interferencia es la característica más importante de las fluctuaciones, se ha convertido en una de las evidencias más poderosas de las fluctuaciones de la luz. Sabemos que las ondas mecánicas son la propagación de vibraciones en los medios. Cuando hay dos fuentes de ondas coherentes, la vibración en cualquier punto del medio es la superposición de las dos ondas que llegan a ese punto respectivamente. Cuando las dos ondas que llegan a ese punto están en la misma fase, la amplitud en ese punto es máxima. Si las dos ondas están desfasadas 1800 grados, las amplitudes de las vibraciones se anulan entre sí, formando franjas de interferencia regulares. La óptica clásica utiliza ondas mecánicas para demostrar las franjas de interferencia de la luz, pero se ha demostrado que el medio éter que propaga la luz no existe, por lo que es descabellado utilizar ondas mecánicas para demostrar las franjas de interferencia de la luz. La mecánica cuántica utiliza el método de las ondas de probabilidad para explicar las franjas de interferencia. Se cree que los lugares brillantes son lugares con más oportunidades para los fotones y los lugares oscuros son lugares con menos oportunidades para los fotones. El problema es que cuando hay una sola fuente de luz, los fotones se distribuyen uniformemente en la pantalla, y cuando hay otra fuente de luz coherente, según la teoría cuántica, los fotones se concentrarán en algunos lugares y no irán a otros lugares, y la explicación probabilística no es convincente. Einstein expresó una vez su disgusto por usar probabilidades para describir el comportamiento de partículas individuales diciendo que Dios no juega a los dados. Éstas son las dos explicaciones ortodoxas del fenómeno de interferencia de la luz. ¿Hay otros factores que no se han tenido en cuenta en nuestra comprensión de la naturaleza de la luz? ¿Existen otros métodos de prueba para unificar la dualidad onda-partícula de la luz, es decir, utilizar una explicación teórica para explicar las fluctuaciones y las propiedades de las partículas?
Para encontrar esta nueva teoría, tenemos que hacer algunas correcciones necesarias sobre la base de la teoría cuántica de luz existente, es decir, la energía de un solo cuanto de luz está cambiando, la energía y la masa de los fotones se convierten entre sí y la frecuencia de conversión es la frecuencia de la luz. Los fotones de frecuencia rápida tienen alta energía y poca masa. Por el contrario, los fotones de frecuencia lenta tienen poca energía y gran masa, por lo que la distancia recorrida por el fotón en el espacio forma una trayectoria ondulatoria. Antes de demostrar el fenómeno de interferencia de la luz, primero definimos la fuente de luz. Fuente puntual de frecuencia única: la frecuencia es única y todos los fotones están en el mismo estado (fase) cuando abandonan la fuente. La fuente de luz puntual de frecuencia única tiene dos características: en primer lugar, se encuentra en una determinada posición espacial alejada de la fuente de luz y el estado del fotón no cambia con el tiempo. El estado del segundo fotón cambia periódicamente con la distancia a la fuente puntual. La longitud de onda de la luz se refiere a la distancia que recorren los fotones a través del espacio durante un período de tiempo.
Configuramos dos fuentes de luz puntuales S1 y S2 en el eje X, como se muestra en la Figura 1. Sea P un punto en el plano vertical, y la diferencia de trayectoria óptica PS1-PS2 y S2 del punto P a S1 son múltiplos positivos de la longitud de onda (m = 1, 2, 3,...). de S1 y S2 llegarán al punto P en la misma fase y en el mismo estado. Supongamos que q es otro punto en el plano vertical y que la diferencia de trayectoria óptica de q a S1 y S2 también es ml. Dibuje una curva que pase por los puntos P y Q, de modo que la trayectoria de todos los puntos de la curva en el plano vertical que pasa por XO tenga la propiedad de que la diferencia de distancia entre cualquier punto de la curva y S1 y S2 sea constante. Por geometría analítica, sabemos que esta curva es una hipérbola.
Si imaginamos que esta hipérbola gira alrededor de la recta XO, se barrerá una superficie llamada hipérbola. Vemos que en cualquier punto de esta superficie, los fotones de S1 y S2 siempre están en fase (la diferencia de fase no cambia), se determina el estado de los fotones en cada punto de la superficie y el estado de cada punto a lo largo la superficie cambia periódicamente. Como la longitud de onda de la luz es muy corta, este cambio periódico de fotones a lo largo de la superficie curva no se observa fácilmente.
De manera similar, suponiendo que T es otro punto en el plano vertical (no se muestra en la figura), la diferencia de trayectoria óptica TS1-TS2 desde el punto T a S1 y S2 es l/2×(2m 1) veces Longitud de onda (m = 1, 2, 3,...). Las dos columnas de fotones que parten de S1 y S2 llegarán al punto T con una diferencia de fase de 1800. Suponiendo que V es otro punto en el plano vertical (no se muestra en la figura), la diferencia de trayectoria óptica de V a S1 y S2 también es l/2×(2m 1) veces la longitud. Trace una curva que pase por T y V de modo que la diferencia entre cualquier punto de esta curva y dos puntos fijos S1 y S2 sea constante. Esta curva también es una hipérbola, y al girar alrededor de XO también se barre un hiperboloide. La diferencia es que la diferencia de fase entre los fotones de S1 y S2 que llegan a cualquier punto de esta superficie es siempre 1800, y el estado final después de la superposición es un valor constante.
La Figura 1 se dibuja en un caso simple donde la distancia de S1 a S2 es 3l y la diferencia de trayectoria óptica del punto P es PS1-PS2=2l (m=2). La hipérbola de m=1 es la trayectoria de puntos con diferencia de trayectoria óptica L en el plano vertical. La trayectoria de cada punto donde la diferencia de trayectoria óptica es cero (m=0) es una línea recta que pasa por el punto medio de S1S2. Será un avión que girará alrededor de XO. La figura también muestra la hipérbola con m= -1 y m= -2. En este caso, estas cinco curvas giran alrededor de XO para producir cinco superficies curvas, que dividen el campo de energía formado por las dos fuentes de luz S1 y S2 en seis espacios de energía que se extienden infinitamente y que son simétricos a izquierda y derecha. Aparecerán líneas brillantes en la pantalla dondequiera que la pantalla cruce esas curvas del hiperboloide. Si la distancia entre dos fuentes de luz es de muchas longitudes de onda, entonces habrá muchas superficies curvas donde los fotones se realzan entre sí. Por lo tanto, en la pantalla se formarán muchas franjas de interferencia hiperbólicas (casi rectas) de luz y oscuridad alternas, paralelas a la línea que conecta las dos fuentes de luz. En una pantalla perpendicular a la línea que conecta dos fuentes de luz, se formarán muchas franjas circulares de interferencia de luz y oscuridad alternas. La relación entre dos franjas brillantes adyacentes es que la diferencia de trayectoria óptica es l, y la diferencia entre la franja oscura y la franja brillante adyacente es l/2. El cambio de fase de las franjas de interferencia de brillante a oscuro y luego a brillante es de en fase a 1800 desfasado y luego en fase.
Para probar si la hipótesis anterior es correcta, aquí diseñé un experimento simple que combina el experimento de interferencia de luz y el experimento de efecto fotoeléctrico. El primer paso es utilizar un interferómetro óptico para generar franjas de interferencia claras y oscuras. En el segundo paso, las fotocélulas se colocan en diferentes posiciones, desde franjas brillantes hasta franjas oscuras. Por supuesto, la frecuencia de la fuente de luz monocromática debe estar por encima de la frecuencia umbral para observar la energía cinética de los fotoelectrones. Según la teoría cuántica de la luz existente, la energía cinética de los fotoelectrones debe ser constante, porque la energía de los fotones solo está relacionada con la frecuencia de la luz y no tiene nada que ver con el brillo de la luz, y la frecuencia de la luz no cambia después interferencia, por lo que el fotoelectrón medido La energía cinética debe ser constante desde las franjas claras hasta las oscuras. Desde la perspectiva de la teoría cuántica, la probabilidad de que aparezcan fotones en lugares brillantes es alta y la probabilidad de que aparezcan fotones en lugares oscuros es pequeña. La única diferencia entre la luz y la oscuridad es el número de fotones por unidad de área, y la energía cinética de los fotones no cambia, por lo que la conclusión es que la energía cinética de los fotoelectrones no cambia. Mi conclusión es que el número de fotones en la franja de interferencia de brillante a oscuro es el mismo, y la energía cinética de los fotoelectrones generados cambia continuamente de grande a pequeña.
Si los resultados experimentales son consistentes con mi inferencia, también podríamos extender esta conclusión a todas las partículas físicas, porque las partículas físicas también tienen dualidad onda-partícula, es decir, la energía y la masa de todas las partículas físicas. Cambian constantemente entre sí, esta es la imagen objetiva de la realidad de las partículas en el mundo microscópico descrita por la función de onda de la mecánica cuántica.