关于光量子传播规律的深入研究

1、关于光量子传播规律的深入研究论文关键字：光量子传播宽度偏转半波损失光程论文摘要：1947年goos和h nchen两位物理学家发 现：光束在两种介质界面上发生全反射时，反射点相对于入 射点在相位上有一突变，而反射光线相对于入射光线在空间 上有一段距离。这一现象称为：古斯一汉申位移。另外，光 束在两种界面上发生全反射时，入射波的能量不是在界面处 立即反射的，而是穿透到另一介质一定深度后逐渐反射的, 而且在此深度内能量流还沿界面切向传播了一个波长数量 级的距离。人们把这样一种波称为隐失波。再次，掠入射时， 光从光疏介质到光密介质时反射光有半波损失，从光密介质 到光疏介质时反射光无半波损失，在任何情

2、况下透射光都没 有半波损失。以上各种现象表明对于光量子仍有一些性质不 为我们所掌握。如果我们抛弃了光量子的没有形状的观点而认为光量 子在传播过程中始终存在宽度，就能很好的理解以上这些现 象。按照这种假设，光从光源发出后，每个光量子在均匀的 各向同性介质中传播时的路径就不能简单的看作一条直线 或一列波，而是时刻保持一定宽度的'波带'的直线传播过 程。下面我将叙述一下我的假设性观点，援引并解释一下能 用此观点解释的一些事实，我希望我的这个观念对一些研究 工作者在他们的研究中或许会显得有用。1用惠更斯原理论证光的反射定律和折射定律时需要的 条件和忽略的事实我们首先通过惠更斯原理论证光

3、的反射定律和折射定 律。如图1所示，设想有一束平行光线以入射角由介质1射 向它与介质2的界面上，其边缘光线1到达点。作通过点的 波面，它与所有的入射光线垂直。光线1到达点的同时，光 线2、3、n到达此波面上的点、点。设光在介质 1中的速度为，则光线2、3、n分别要经过一段时间、 后才能到达分界面、各点，每条光线到达分界面上时 都同时发射两个次波，一个是向介质1内发射的反图1射次波，另一个是向介质2内发射的透射次波。设光在 介质2内速度为，在第n条光线到达的同时，由点发射的反 射次波面和透射次波面分别是半径为和的半球面。在此同时, 光线2、3、传播到、各点后发出的反射次波面的半 径分别为、，而透

4、射次波面的半径为、。这些次波 面一个比一个小，直到处缩成一个点。根据惠更斯原理，这 些总扰动波面是这些次波面的包络面。不难证明反射次波和 透射次波的包络面都是通过的平面。设反射次波总扰动的波 面与各次波面相切于、各点，而透射次波总扰动的波 面与各次波面相切于、各点，联接次波源和切点，既 得到总扰动的波线，亦即，、为反射光线，、为折 射光线。由于，直角三角形和全同，因而=,由图1不难看出，= 入射角，二反射角，故得到这样便导出了反射定律。由图1还可以看出二折射角， 因此此外，于是由此可见，入射角与折射角正玄之比为一常数，这样我 们便通过惠更斯原理导出了折射定律。用惠更斯原理论证光的反射定律和折射

5、定律是以1、2、3、n条平行光线为研究对象，这就是论证需要的条件。 如果不以多条平行光线为研究对象，而只给定一个光量子, 比如此量子沿光线1传播，以上论证中将无法确定点和点的 位置，就不能确定次波的总扰动波线，就无法确定反射光线 和折射光线，再用惠更斯原理来解释这一个光量子在界面处 的反射定律和折射定律，将显得无从下手。所以说，用惠更斯原理论证光的反射定律和折射定律至 少需要两个或两个以上的光量子，这就是用惠更斯原理解释 光的反射定律和折射定律时需要的条件。另外如果考虑到古斯一汉申位移和半波损失，用惠更斯 原理作出的光的反射光线将不是光的实际路线，而是反射光线的平行光线，虽然不影响论证光的反射

6、定律，但是这也确 实是它忽略的一个事实。2用光量子的传播宽度解释光的折射定律如果假设光量子在传播过程中始终保持一定的宽度，此 宽度远大于原子直径，并且光量子传播过程中的每个边缘都 平行等光程且能体现光量子在介质中传播的所有特性，那么 折射定律就可以做如下论证：如图2设想有一个光量子以入射角，由介质1射向它与 介质2的分界面上，光量子边缘1到达介质分界面上，同时边 缘2到达，联接，则即为光量子的传播宽度且垂直边缘1和 边缘2,设光在介质1中速度大于光在介质2中速度，当光 量子边缘1由进入介质2后速度突变为，边缘2速度仍为, 由于光量子传播宽度的边缘必须保持同等光程，于是光量子 传播方向向法线方向

7、发生偏转，当边缘2经过时间到达介质 分图2界面上时边缘1到达，又因为边缘2速度和边缘1速度 之比为定值且光量子宽度不变，所以边缘1的路径和边缘2 的路径是以延长线上某点为圆心的同心圆弧，且同等圆心角，所以延长线定过心。边缘2经过后进入介质2速度突变为,与边缘1变为同速，光量子传播方向不再偏转，边缘1和边 缘2分别沿、上、点的切线方向传播，可以看出光量子完全 进入介质2后边缘1和边缘2依然平行。设边缘1在介质2 内以后的路径上有一点，我们过点向下作法线的平行线并取 这条线上下方一点，则垂直于介质分界面，且为光量子的折 射角，设为，再过作分界面的垂线交与分界面于点。在图2中不难证明：和又有于是由于

8、相等圆心角的同心圆弧半径之比等于弧长之比，又 得到于是我们得到由此可见，对于任意一光量子的入射角与折射角的正玄 之比为一常数，这样我们便通过光量子宽度的假设用一个光 量子导出了光的折射定律。3在光的全反射现象中用光量子传播宽度解释古斯一汉申位移、隐失波以及光的反射定律和折射定律 光从光密介质射向光疏介质时，当入射角增大至某一数值时, 折射光线消失，光线全部反射，这种现象称为全反射，此时 的入射角度称为全反射临界角。如图3,设想有一光量子以全反射临界角入射，由介质 2射向它与介质1的分界面上，设光在介质1中的速度大于 光在介质2中速度，当光量子边缘1到达介质分界面上时， 边缘2到达，联接，则即为

9、光量子的传播宽度且垂直于边缘 1和边缘2,当边缘1通过进入介质1后速度突变为，边缘2 速度仍为，由于光量子传播宽度的边缘必须保持同等光程， 于是光量子传图3播发生偏转，当边缘2经过时间到达分界面时，光量子 边缘1到达，因为边缘1速度和边缘2速度之比为定值且光 量子宽度不变，所以、是以延长线上某点为圆心的同心圆弧， 又由于为全反射临界角，所以此时恰好与分界面相切与点， 也就是说此时光量子边缘1与边缘2传播方向都与分界面平 行。此后光量子的传播可能发生两种情况：1、发生反射，反射光线发位移如果边缘2速度没有发生突变，就是说边缘2恰好与分 界面相切于介质2的界面上一点，则光量子传播就会继续偏 转，当

10、边缘1经过时间到达分界面上一点时，边缘2到达， 边缘1经过点后重新回到介质2,速度又突变为，与边缘2 同速，光量子传播方向不再发生偏转。因为此前边缘1速度 和边缘2速度之比为定值且光量子宽度不变，所以、同样是 以为圆心的同心圆弧，此后光量子的边缘1和边缘2分别沿 着、上、点的切线方向直线传播。此后的光量子路径就相当 于入射光线的反射光线路径，由此我们可以看到反射光线相 对于入射光线发生了从到的位移，并找出了发生位移的原因, 通过光量子宽度的假设我们还可以求出位移的长度。如图3不难看出、同圆八同圆，我们再设光量子传播宽 度为。由相等圆心角的同心圆弧半径之比等于弧长之比，得到不难看出垂直界面于点，

11、于是有又有由以上三式我们得到不难看出所以在光以全反射临界角入射并发生全反射时发生的 位移长度为此位移或许就是我们所说的古斯一汉申位移，如果是这 样我们便能通过光量子传播宽度的假设在光的全反射现象 中解释发生古斯一汉申位移的原因并求出位移的长度。2、发生折射，折射光线急剧衰减如果此时边缘2的速度发生突变，就是说边缘2与分界 面恰好切于介质1界面上一点时，边缘2速度突变为，与边 缘1同速，则光量子传播不再偏转，边缘1和边缘2分别沿、 在、点的切线方向传播，且分别为折射光的两个边，而此时 两切线刚好平行于分界面，所以折射光平行于分界面，所以 此时折射角为。一般来说我们做实验所用的介质1与介质2 的分

12、界面不可能是一个严格的平面，所以边缘2沿介质1的 分界面表面传播时一旦遇见分界面的凹点时就会再次进入 介质2,速度突变为，使光量子的传播再次发生偏转，从而 使光量子再次进入介质2传播，折射光强度就会急剧衰减, 但是由于凹点的位置及大小的随机性较大，所以再次进入介 质2的光很难再进行准确测量。这里的折射光也许就是我们所说的隐失波，此时波的穿 透深度可以用光量子的传播宽度来表示。3、光的反射定律的论证在图3中，不难看出于是我们就不难求出即反射角等于入射角，这样在光的全反射现象中我们用 光量子传播宽度的假设用一个光量子论证了光的反射定律。4、光的折射定律的论证由于折射角等于，所以折射角的正玄值为1于

13、是由图不难看出又有由相等圆心角的同心圆弧半径之比等于弧长之比，得到 于是得到即入射角与折射角的正玄之比为一常数，这样我们又通 过光量子宽度的假设在光的全反射现象中用一个光量子论 证了光的折射定律。5、关于在反射过程中的半波损失的解释1、掠入射时，光从光密介质到光疏介质时反射光无半 波损失的解释。在图3中我们可以看到光量子边缘1的实际路径大于边 缘2的实际路径，使得两个边缘出现路程差，但由于边缘1 的实际速度大于边缘2的实际速度，使得边缘1从传播到与 边缘2从传播到用的时间相等，也就是说光量子的两个边缘 虽然路程不等但是光程相等。这里需要指出：在此论文以前 我们通常计算的几何光程没有考虑到光量子

14、的传播宽度，但 是要考虑的到光量子的传播宽度，这种计算方法有时就是不 准确的。光的实际光程要以光量子的远边的光程来决定。在 研究光从光密介质到光疏介质时反射光时我们计算的几何 光程等于光边缘2的光程也等于光的实际光程，然后再通过 几何光程计算预期的相位与观测到的相位相符，所以我们就 说光的反射光没有出现半波损失。2、掠入射时，光从光疏介质到光密介质时反射光有半 波损失的解释。如果在图3中，介质1的绝对折射率大于介质2的绝对 折射率，当光掠入射时，由于光量子的两边缘速度的差异, 光量子本应该偏转进入介质2,但是由于介质2内的一些性 质使得光并没能进入介质2,反而被反射回介质lo但是在 这种情况下

15、假设了光量子的传播宽度将比较好理解反射光 的半波损失。在反射过程中光量子边缘1的实际路径大于边 缘2的实际路径，两边缘出现路程差，由于边缘1在介质1 中传播速度突然变慢为，但是如果边缘2的速度不发生突变 仍为的话，的边缘1和边缘2将出现光程差，但是由于两边 缘传播的同时性，光程差将是不被允许的，这就意味这边缘 2必须降低到一个比更低的速度，也许只有这样该光量子才 能不过被吸收，而是被反射。这样以来，光的光程将变长并 等于光边缘1的实际光程，也等于变慢后的边缘2的实际光 程，但是大于我们通过以前的方法求得的几何光程半个波长 的时间。这时问题就出现了，由于我们求得的几何光程小于 光线的实际光程半个

16、波长时间，然后再通过几何光程计算预 期的相位就会与观测到的相位出现不符，但我们坚信这种计 算方法没有错误，于是我们就把这种现象描述为光经过反射 后发生了相位跃变，同时反射光有半波损失。其实光并没有 发生波长损失，只是延迟了半个波长的时间。3、任何情况下，透射光都没有半波损失的解释。由图1,光量子的光线边缘1的实际路程小于边缘2的 实际路程，出现路程上的差异，但是边缘2的实际速度大于 边缘1的实际速度，使得边缘2从传播到所用时间与边缘1 从传播到所用时间相等，就是说两边缘路程虽然不等但是光 程相等，我们通过以前方法求得的几何光程等于光线边缘1 的几何光程，就等于光的实际光程，通过几何光程计算预期 的相位与观测到的相位相符，所以我们就说透射光没有半波 损失。如果我的见解是符合实际的，那么很多像以上援引的光 学现象将都比较好理解，并希望这一观点能给一些研究工作 者带来一些方便。另外，关于质量和能量如何扭曲时间的？我认为：引力场的扰动使时间流逝。一战过后，爱丁顿率领一个观测队到西非普林西比岛观 测1919年5月29日的日全食，拍摄日全食时太阳附近的星 星位置，根据广义相对论理论，太阳的重力会使光线弯曲, 太阳附近的星星视位置会变