先看看 《光不是电磁波 摩擦力不是电磁力》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/11360569.html ,
《我决定 发展推广 一个 物理学 学派 “逻辑物理学”》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/11413349.html ,
《用 双边干涉 来 计算 小孔衍射》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/11453689.html ,
《谈谈 麦克斯韦方程》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/11456124.html 。
在 上述 文章 中 已经 陆续 提出 建立 新的 光衍射 模型 的 思路 、方法 。 这些 思路 和 方法 不仅仅 用于 光衍射, 其实 对于 整个 物理学 和 科学, 也是 这样 。
这是一种 新的 科学 思想 和 方法论 。
接下来, 我们 继续 来 拓展 这种 新的 科学 思想 和 方法论 。
在 《用 双边干涉 来 计算 小孔衍射》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/11453689.html 中, 提出了 用 双边干涉 计算 小孔衍射 的 简单方法,
文中 的 计算 的 场景 比较简单 , 小孔 是 圆形, 所以 可以 根据 小孔 的 水平剖面 P 面 上 的 条纹 在 三维 投影屏 上 连成 同心圆 就可以得到 投影屏 上的 衍射条纹 。
那 对于 复杂 一些 的 场景, 比如 小孔 是 椭圆形, 怎么办 ?
很简单, 我们 再 取一个 剖面, 小孔 的 垂直剖面 Q, Q 面 和 P 面 、投影屏 垂直, Q 面 和 投影屏 相交 于 直线 k ,
用同样的 方法 可以 求得 在 Q 面 上 的 干涉条纹, 即 k 线 上 的 干涉条纹, 在 投影屏 上 把 m 线 和 k 线 上 的 条纹 用 平滑曲线 连成 同心椭圆 就可以了 。
也可以 这样说, 条纹 的 边 在 投影屏 上 有 2 组 端点, 分别是 上下 和 左右 。 上下 就是 条纹 的 边 在 k 线 上 的 2 个 端点, 左右 就是 条纹 的 边 在 m 线 上 的 2 个 端点, 这样就有 2 组 端点 ,或者 说 上下左右 4 个 端点 来 确定 椭圆 的 形状 。
为了 提高 精度, 或者说 更加 逼近 理论图案, 可以 多取一些 端点 , 比如 可以 取 一个 R 面 , R 面 也是 小孔 剖面, 与 投影屏 垂直, 在 Q 面 的 左侧, 与 Q 面 有 15 度 夹角, Q 面 与 投影屏 相交于 直线 j ,
然后 求得 Q 面 上 的 干涉条纹, 由此 求得 条纹 的 边 在 j 线 上 的 端点, 这样 就 多了 1 组 端点, 一共 3 组端点 , 或者说 6 个 端点 。
这组 端点 是 左上 、右下 。
同理, 还可以 求得 左下 、右上 端点, 这样 就有了 4 组 端点, 一共 是 上 、下 、左 、右 、左上 、右下 、左下 、右上 8 个 端点 。
把 这 8 个 端点 用 平滑曲线 连成 同心椭圆 就 可以 得到 投影屏 上 的 衍射条纹 了 。
显然, 4 组端点(8 个 端点) 比 2 组 端点(4 个 端点) 的 精度 更高, 更 逼近 理论图案 。
大家注意, 之所以 R 面 和 Q 面 的 夹角 取 15 度, 这是 假设 小孔 是一个 竖着的 椭圆, 所以 左上右下, 左下右上 这 4 个 端点 更 靠近 上下 2 个 端点, 这是因为 椭圆 的 形状变化 或者说 曲率变化 在 长轴端 附近 更大, 所以 把 端点 取在 长轴端 附近 。 端点 应该 取在 形状变化 大 的 地方 , 尤其 是 形状突变 的 地方 , 这对于 不规则 图形 很重要 。
如果 小孔 是一个 横着的 椭圆, 那么 应该 取 R 面 和 P 面 的 夹角 是 15 度 。
总的来说, 端点 取 的 越多, 精度越高, 越 逼近 理论图案 。
接下来 再 进一步 解决一个问题, 如果 光线 是 斜射入 小孔 又 怎么计算 ?
我 推测 斜射入 小孔 产生 的 条纹形状 和 直射 一样, 只不过 因为 斜射 ,加入 是 从上向下 斜射 的 话, 小孔 上方 衍射 出去 的 光子 要 少一些, 光强 弱 一些, 小孔 下方 衍射 出去 的 光子 多一些, 光强 强一些, 所以 衍射条纹 的 上半部分 比较 暗淡, 下半部分 比较 明亮 , 但 条纹形状 和 直射 相同 。
为什么 认为 斜射 和 直射 的 条纹 一样, 是 因为 不管 斜射 还是 直射, 光 衍射 越过 小孔 边缘 向 投影屏 散射 这个 模型 是 一样 的,
所以, 斜射 和 直射 的 条纹 一样 。 但是 斜射 的 话, 衍射 越过 小孔 边缘 的 光子 数量 与 光线 射入 小孔 的 角度 有关,
比如 光 从上向下 射入 小孔, 则 从 小孔 下方 衍射 出去 的 光子 较多, 光强 较强, 从 小孔 上方 衍射 出去 的 光子 较少, 光强 较弱 。
由此 也 造成了 上半部分 条纹 比较 暗淡, 下半部分 条纹 比较 明亮 。
如果 从 二维特例 来看 衍射 干涉 发生 的 情形, 也许 可以 更直接 。
比如 从 小孔 的 剖面 P 面 上 来看, P 面 可以看作是一个 二维特例 。
因为 P 面 是 二维平面, P 面 上 的 小孔 就是 P 面 与 小孔圆周 相交 得到的 2 个点 A 、B 间 的 空白处,
光 直射 射向 小孔, 在 A 点 和 B 点 发生 衍射, 形成了 2 列 子波, 相当于 是 2 束 发散光 射向 投影屏,
当然 这里 的 投影屏 也是 二维 的, 就是 P 面 与 投影屏 的 相交线 m 线,
如果 光线 是 斜射入 小孔, 即 AB 之间, 同样 也是 在 A 点 和 B 点 发生 衍射, 形成 2 列 子波, 相当于 是 2 束 发散光 射向 投影屏 (m 线),
从 A 、B 两点 衍射 出去 的 光子 数量 和 光线 射入 的 角度 有关, 设 A 在 左边, B 在 右边,
光线 从左向右 射入, 则 从 A 衍射 出去 的 光子 较少, 光强 较弱, 从 B 衍射 出去 的 光子 较多, 光强 较强 。
所以, 从 二维特例 上 可以 更清楚 的 看出 斜射 的 衍射 干涉 模型 。
从 二维特例 看来, 应该是 可以认为 光线 射入角度 不影响 条纹, 但是 影响 条纹 在 不同位置 的 亮度 。
即 光线 从 不同 角度 射入 小孔 产生 的 条纹 都一样, 但是 条纹 在 不同位置 的 亮度 不同 。
再进一步, 如果 投影屏 和 小孔孔面 不平行 怎么计算 ?
那就 先 计算 投影屏 和 小孔孔面 平行 时 的 条纹, 就是 上文 的 方法, 再 把 条纹 投影 到 实际的 投影屏 上 。
当然, 这个 投影, 也是 按 端点 投影, 先 把 端点 投影 过去, 再用 平滑曲线 连起来, 就行了 。
这个 对 端点 的 投影 其实 就是 按照 光线 的 方向 从 端点 作 射线 与 实际的 投影屏 相交, 交点 就是 端点 的 投影 。
其实 就是 光线 经过 端点 后 继续 前进 然后 落在 实际的 投影屏 的 位置 。
到这里, 小孔衍射 的 计算问题 基本上 就 完成了 。
我在 《数学家 程序员 哲学家 艺术家》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/11482887.html 中 这样说 :
“
所以, 我 接下来 将 提出一个 以 直观 和 逻辑思辨 为 主导 , 而不是 以 数学 为 主导, 包容 数学 , 但 不局限于 数学 的 新的 科学架构 。
”
本文 提出 的 新的 科学 思想 和 方法论 就是 以 直观 和 逻辑思辨 为 主导 , 而不是 以 数学 为 主导, 包容 数学 , 但 不局限于 数学 的 新的 科学架构 。
还可以看看 《数学 怎么用?》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/11478339.html , 文中 这样说 :
“
从 现在 到 未来, 直观方法 会 大量 涌现, 直观方法 在 计算机模拟 的 帮助下 会 发挥 出 高效 、巨大 的 作用 。
直观方法 是不是 数学方法 ? 尺规作图 是 古老 的 直观方法, 有些问题 可以用 尺规作图 来 解, 也可以用 数值计算 来 解, 可以看到, 尺规作图(直观方法) 和 数值计算 是 2 个 维度 的 方法, 站在 2 个 维度 看待 问题 。
”
说到 直观方法 和 模拟, 上文 中 计算 小孔衍射 条纹 的 方法 中 涉及到 作图模拟, 作图模拟 可以是 纸笔勾画 、实物模型 、计算机模拟 等等 。
说到 纸笔勾画 、实物模型 、计算机模拟 , 我就想起了 3D 投影 、增强现实 、混合现实 、3D 打印 、激光全息 等等 技术, 这些 技术 未来 可要 派上 大用场 了 。
本文 的 课题 “建立一个 新的 光衍射 模型” 是一个 科学开源项目 , 有关 科学开源项目 , 见 《科学爱好者 可以 借鉴 软件 开源 的 理念》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/11402670.html 。
为什么 要 发展 科学开源项目, 我们看看 科学发展史, 可以看到, 科学理论 、科学知识 、科学体系 不是一个人 独创 的, 是 一群人 接力合作 的 成果 。
所以 我们 要 发展 科学开源项目 。
对于 “建立一个 新的 光衍射 模型” 这个 课题, 本文也只是 开了个 头, 欢迎 科学爱好者 们 参与 。