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如何正确解读物理实验结果系列之十一——彩虹与薄膜干涉现象

2019/11/19   维加斯新闻报
彭晓韬

        [文章摘要]：彩虹与薄膜干涉现象是最常见的一种自然物理现象。人们对其产生机理也已经十分清楚了。 但对其真正的物理意义并未获得人们应有的重视与关注。其最主要的物理意义是明确地告诉人们：光为变 化的电磁场而非单一频率的光粒子，光更不可能是所谓的波粒二象性的怪物。本文通过重点叙述光在薄膜 干涉过程中的变化过程来认证光非单一频率的光子或携带与频率成正比动能和能量的光量子。
一、彩虹与薄膜干涉现象及其产生机理
从上图一和二可知：在太阳光照射下，空气中分布较均匀且界面较平顺的微小水滴群可使 太阳光产生干涉并形成类似薄膜干涉一样的彩虹现象。其机理是：水滴表面的散射光与入射进 水滴并被水滴内表面反射出来的透射光合并并照射到人眼时，其复合后的光的主频会因入射进 入水滴内部再被反射而透射出来的光程差主要与视角度有关而出现不同颜色的光带：波长与光 程差相同或相近或成倍数关系的光将得到加强，其它波长的光将变弱甚至消失。光程差小的 复合后得到加强的光的频率偏高而呈现出蓝色光带，反之呈现出红色光带。视高度大于太阳 半视高度线的水滴产生的光程差随视高度减小而变小，因此，红光带在下方，蓝光带在上方； 而视高度小于太阳半视高度线的水滴产生的光程差随视高度增大而变大，因此，红光带在上方， 蓝光带在下方。这就是彩虹为什么会出现上下颜色颠倒的原因所在。 2
上图三和四为薄膜干涉图像，其原理与彩虹完全相同：薄膜表面的散射光与进入薄膜并被 薄膜另一侧面反射回来的透射光合并后进入人眼或照相机后就会因不同视角度的光程差不同 而呈现出不同的颜色。当薄膜厚度基本相同时，则因光程差仅与视角度有关，因此，相同视角 度上的复合光的颜色相同，从而随视角度不同形成光同颜色的光带。 需要指出的是：同时刻的彩虹或薄膜干涉条纹会因观测者的位置不同而不同。即：站立在 不同位置上的人看到的彩虹或薄膜干涉条纹的位置或高度是不尽相同的。
二、三原色与颜色合成
从上图五可知：当三原色为红、蓝、绿且其强度（振幅）基本相同时，则有：红+蓝形成 洋红、红+绿形成黄、蓝+绿形成青、红+蓝+绿形成白色。 按照波长从长到短（或频率从低到高）对可见光进行排序则有：红、橙、黄、绿、青、蓝、 紫，其波长范围为：红光：760~622 纳米；橙光：622~597 纳米；黄光：597~577 纳米；绿光： 577~492 纳米；青光：492~450 纳米；蓝光：450~435 纳米；紫光：435~390 纳米。 根据上述波长范围的上下限数据计算可得： 红+蓝上限下平均值分别为：605、528.5 纳米； 红+绿上限下平均值分别为：668.5、557 纳米； 绿+蓝上限下平均值分别为：513.5、463.5 纳米； 红+蓝+绿则成为白光，其频率范围即为可见光范围。 从下图六可知：三原色中的任意两种颜色混合后得到的总是介于两色之间的第三种颜色。
三、彩虹和薄膜干涉及颜色合成机理分析
1、彩虹的形成机理 彩虹是由漂浮在空中的雾状水滴使太阳光在水滴表面的反射光与水滴内表面反射并透射 出来的透射光同时到达观测者眼中而形成的干涉图像：部分频率合适的光会得到加强，而其他 频率的光则受到削弱，从而导致观测到的是某一颜色的单色光。因不同视高（视角度）的水滴 表面及内表面反射光的光程差不同，因此就形成了不同颜色的光带而成为彩虹景像。 2、薄膜干涉的形成机理 薄膜干涉的形成机理与彩虹完全一样：薄膜表面的反射光与经薄膜另一侧内表面反射并透 射出来的透射光同时到达观测者眼中而形成干涉图像。当薄膜厚度基本相同时，则观测不同视 角度上的干涉图像时就会因薄膜内、外反射光的光程差不同而形成不同颜色的干涉条纹。 3、颜色合成机理 当两种或两种以上不同频率的光同时或相隔很短暂的时间先后进入观测者眼中时，人眼中 的视网膜将受到光产生的变化电磁场的作用而产生特定的电信号并传输到大脑，使大脑产生特 定颜色和几何形成的图像。需要指出的是：人们日常观测到的图像都非单一频率的光波产生， 而基本上都是复合频率的光产生的图像。即使是目前使用的激光，虽然其频率基本单一，但经 过空气和人眼中的玻璃体作用出，其频率也会有所改变与发散。就如上面介绍的七种颜色的光 中的每一种都是频率非单一的光一样。 3.1、两种或两种以上不同频率的光同时到达时，复合光产生的变化电磁场将通过人眼玻璃 体的作用而成为新的合成变化电磁场并照射到视网膜上，其产生的电信号并非进入人眼前的复 合光。也就是说：进入人眼前的光可以是二种或二种以上频率的可见光波的合成光，但经人眼 玻璃体作用（类似一个滤波器）后并照片到视网膜上的光与入射光的频率组合并不相同。这就
是二种不同颜色的光同时进入人眼后会形成新的颜色的光的原因所在。 3.2、两种或两种以上不同频率的光先后到达（时间间隔足够小）时，由于人眼中的视网膜 的响应速度有限，使得间隔足够小的前后二种不同频率或复合光产生的电信号会存在叠加效应。 即前一个光信号产生的电信号还未完成，后一个光信号已经到达，这样就产生了信号叠加，其 产生的电信号将即不是前一个光信号的，也不是后下个光信号的，而是两个光信号的复合结果。 这就是不同颜色旋转时产生复合光的原因所在。 四、彩虹和薄膜干涉及颜色复合现象预示着光不可能是粒子 1、彩虹和薄膜干涉图像位置变化规律证明光非粒子 无论是彩虹还是薄膜干涉，当观测者处于不同的位置或高度上时，所观测到的彩虹和薄膜 干涉图像是不同的。也就是说：同一空间位置上产生的复合光在不同位置或高度上观测时其频 率是不同的。这是因为观测者所在位置的不同导致光程差的不同所导致的。如下图七所示：观 测者 1 和观测者 2 看到的干涉图像是完全不同的。因此，如果光是单一频率的光量子的话，则 就不会因为光程差的不同而改变频率或颜色了。
2、彩虹和薄膜干涉图像产生条件——水滴直径和薄膜厚度必须足够小证明光非粒子 只有空气中的水滴直径或薄膜的厚度满足一定条件时才会出现彩虹或薄膜干涉现象，这就 证明了即使是同一频率的光，其相位或初相位也是不稳定的。当水滴直径或薄膜厚度大于一定 程度后，水滴或薄膜内、外表面反射光的光程差也大于一定程度时，则即使是同时到达人眼， 它们也不能形成干涉。如果光是单一频率的光量子，则应该不会出现此类现象。因为，只要是 频率相同，即使是光程差再大，两个光量子也应该发生干涉现象才对（因为光量子没有相位和 初相位之说）。 3、颜色复合规律证明光非粒子 从以上介绍的三原色可复合出其它颜色的规律可知：不同频率的光同时到达并通过人眼玻 璃体后会改变成为某一新的频率的光，而不是原来的多种频率的光的简单组合。因此，如果光 是单一频率的粒子，则通过人眼玻璃体的作用必须使多种频率的光子合成为一个全新的不同频 率的光粒子。也就是说：即使是光是单一频率的光粒子，经过介质作用后也不会保持原来的单 一频率了。这也是光为什么遇到介质界面或在不均匀介质内部时会成为新的次级光源而产生反 射/散射、折射/透射和转换/热辐射的原因所在。 4、光在薄膜内、外表面分解为反射/散射和折射/透射光证明光不具粒子性 我们知道，肥皂泡的厚度一般为 300~700 纳米左右，与可见光波长很近似。而水面的油膜 厚度甚至可达分子直径的 0.1 纳米级，远小于可见光波长。如果光是携带与其频率成正比能量 和动量的粒子，则光子应该直接穿透肥皂泡而不可能在其内、外表面产生反射/散射、折射/透 射甚至转换/热辐射而形成干涉现象。更不可能在比肥皂泡薄得多的水面油膜层表面及与水接 触面产生反射/散射、折射/透射而形成干涉现象。 总之，通过以上分析可知：光是变化的电磁场，遇到介质界面会产生反射/散射、折射/透 射和转换/热辐射而成为运动方向、速度、振幅、相位和频率不同的新的光波。光不可能是携 带与其单一频率成正比能量和动量的粒子。