導讀：下面一章內容，是關于光的衍射的文章。光的衍射現(xiàn)象幾百年前就發(fā)現(xiàn)了，但至今也有研究和學習的價值。對于光，對于量子力學來說，這是不可避免的研究課題。牛頓在這方面有貢獻，也有阻礙。
6、光的衍射
上一章我們講了《光的干涉》，這一章我們來認識光的衍射。光在傳播過程中，遇到障礙物或小孔時，光將偏離直線傳播的途徑而繞到障礙物后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象，叫光的衍射。光的衍射和光的干涉一樣證明了光具有波動性。
在適當情況下，任何波都具有衍射的性質。然而，不同情況中波發(fā)生衍射的程度有所不同。如果障礙物具有多個密集分布的孔隙，就會造成較為復雜的衍射強度分布圖樣。這是因為波的不同部分以不同的路徑傳播到觀察者的位置，發(fā)生波疊加而形成的現(xiàn)象。
衍射的形式論還可以用來描述有限波（量度為有限尺寸的波）在自由空間的傳播情況。例如，激光束的發(fā)散性質、雷達天線的波束形狀以及超聲波傳感器的視野范圍都可以利用衍射方程來加以分析。
光波遇到障礙物以后會或多或少地偏離幾何光學中直線傳播定律的現(xiàn)象。幾何光學表明，光在均勻媒質中按直線定律傳播，光在兩種媒質的分界面按反射定律和折射定律傳播。但是，光是一種電磁波，當一束光通過有孔的屏障以后，其強度可以波及到按直線傳播定律所劃定的幾何陰影區(qū)內，也使得幾何照明區(qū)內出現(xiàn)某些暗斑或暗紋?？傊苌湫沟谜系K物后空間的光強分布既區(qū)別于幾何光學給出的光強分布，又區(qū)別于光波自由傳播時的光強分布，衍射光強有了一種重新分布。衍射使得一切幾何影界失去了明銳的邊緣。
意大利物理學家和天文學家F.M.格里馬爾迪在17世紀首先精確地描述了光的衍射現(xiàn)象，150年以后，法國物理學家A.-J.菲涅耳于19世紀最早闡明了這一現(xiàn)象。
衍射形式包括：單縫衍射、圓孔衍射、圓板衍射及泊松亮斑衍射。衍射時產生的明暗條紋或光環(huán)，叫衍射圖樣。
很多可能會問：“光的干涉和衍射有什么區(qū)別？”美國物理學家、諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼指出：“沒有人能夠令人滿意地定義干涉和衍射的區(qū)別。這只是術語用途的問題，其實二者在物理上并沒有什么特別的、重要的區(qū)別。”
他還提到，如果只有少數的波源（例如兩個的時候），我們稱這現(xiàn)象為“干涉”，例如我們稱楊氏雙縫實驗實驗中雙縫所產生的兩束光源產生了干涉現(xiàn)象。
而當大量波源存在時，對應的過程被稱作是“衍射”。在實際情況中，衍射和干涉往往是同時出現(xiàn)的。有文獻這樣總結：干涉是有限多個波束“相加”的結果，而衍射則是無限多個波束“積分”的結果。
光的衍射效應最早是由弗朗西斯科·格里馬第，發(fā)現(xiàn)并加以描述，他也是“衍射”一詞的創(chuàng)始人。格里馬第觀察到的現(xiàn)象直到1665年才被發(fā)表，這時他已經去世。
他提出“光不僅會沿直線傳播、折射和反射，還能夠以第四種方式傳播，即通過衍射的形式傳播?！?/p>
艾薩克·牛頓對這些現(xiàn)象進行了研究，他認為光線發(fā)生了彎曲，并認為光是由粒子構成。在19世紀以前，由于牛頓在學界的權威，光微粒說在很長一段時間占有主流位置。
這樣的情況直到19世紀幾項理論和實驗結果的發(fā)表，才得以改變。1803年，托馬斯·楊進行了一項非常著名的實驗，這項實驗展示了兩條緊密相鄰的狹縫造成的干涉現(xiàn)象，后人稱之為“雙縫實驗”。上一章中我們有過詳細的論述。
在這個實驗中，一束光照射到具有緊挨的兩條狹縫的遮光擋板上，當光穿過狹縫并照射到擋板后面的觀察屏上，可以產生明暗相間的條紋。他把這歸因于光束通過兩條狹縫后衍射產生的干涉現(xiàn)象，并進一步推測光一定具有波動的性質。
奧古斯丁·菲涅耳則對衍射做了更多權威的計算研究，他的結果分別于1815年和1818年被發(fā)表，他提到“這樣，我就展示了人們能夠通過何種方式來構想光以球面波連續(xù)不斷地傳播出去……”
法國科學院曾經舉辦了一個關于衍射問題的有獎辯論會，菲涅耳贏得了這次辯論。作為反對光波動說的西莫恩·德尼·泊松提出，如果菲涅耳聲稱的結論是正確的，那么當光射向一個球的時候，將會在球后面陰影區(qū)域的中心找到亮斑。結果，評審委員會安排了上述實驗，并發(fā)現(xiàn)了位于陰影區(qū)域中心的亮斑（它后來被稱作泊松光斑）。這個發(fā)現(xiàn)極大地支持了菲涅耳的理論。他的研究為克里斯蒂安·惠更斯發(fā)展的光的波動理論提供了很大的支持。他與楊的理論共同反駁了牛頓關于光是粒子的理論。
在對衍射現(xiàn)象的探索過程中，人們也不斷積累了對于衍射光柵的認識。17世紀，蘇格蘭數學家、天文學家詹姆斯·格雷戈里（James Gregory）在鳥的羽毛縫間觀察到了陽光的衍射現(xiàn)象。他是第一個發(fā)衍射光柵原理的科學家。
在1673年5月13日他寫給約翰·科林斯（John Colins）的一封信中提到了此發(fā)現(xiàn)。1786年，美國天文學家戴維·里滕豪斯用螺絲和細線第一次人工制成了衍射光柵，細線的密度達到每英寸100線，他用這個裝置成功地看到了陽光的衍射。
1821年，約瑟夫·夫瑯禾費利用相似的裝置（每厘米127線）證明了托馬斯·楊關于衍射的公式，并對衍射進行了許多重要研究。
近代的阿爾伯特·邁克耳孫提出利用干涉伺服系統(tǒng)控制光柵的刻劃過程，于1948年實現(xiàn)了這一想法。20世紀下半葉，由于激光、光刻膠等新技術的出現(xiàn)，光柵制造技術取得很大的進步，制造成本顯著降低，制造周期也得以縮短。
衍射效應在日常生活中并不罕見。許多有關光的衍射實例都可以用肉眼觀察到。例如在CD或DVD光盤的表面，均勻地緊密排列著一系列的光軌，這些光軌相當于衍射光柵的作用。如果以一定的角度觀察它們，會看到光在盤面表現(xiàn)出類似彩虹的彩色圖樣。
還有地球的大氣層是由微小粒子組成的，因此它也能夠使空間光源（例如太陽或者月亮）的光在大氣層發(fā)生衍射，從而形成光環(huán)。此外，當激光照射到粗糙的光學界面上時，也能夠發(fā)生衍射現(xiàn)象，產生散斑。上述所有例子都是光具有波動性的結果。
衍射是一切波的固有屬性。即使是宏觀的海浪，在防波堤或其他障礙物附近也能夠發(fā)生衍射。此外，聲波在障礙物邊緣發(fā)生衍射，也是人站在障礙物（例如墻壁、樹木）后面仍然能夠聽到聲音的原因之一。
光波或其他波造成衍射現(xiàn)象的發(fā)生，可以用惠更斯－菲涅耳原理和波的疊加原理對現(xiàn)象進行描述。這個理論認為，可以把波前的每一點考慮為次波（球面波）的點波源，這些次波就是后續(xù)時刻的波面。這個原理最早由惠更斯于17世紀提出，不過他并未慮及波的時空周期性（他認為光是一種非周期性的、無規(guī)則的脈沖。這是受當時的光學研究發(fā)展所限制的。）。
1818年左右，菲涅耳在巴黎科學院關于解釋衍射現(xiàn)象的有獎競賽中，吸收了惠更斯“次波”的思想，并加入了他對于干涉現(xiàn)象的理解，使上述理論得以發(fā)展和完善。后人將這個理論稱為“惠更斯－菲涅耳原理”?！拘羞M中的波陣面上任一點都可看作是新的次波源，而從波陣面上各點發(fā)出的許多次波所形成的包絡面，就是原波面在一定時間內所傳播到的新波面。在這里大家要知道，惠更斯-菲涅耳原理不是嚴格的理論產物，較大程度上是憑樸素的直覺而得到的，對傾斜因子無法給出具體的函數形式 ，菲涅爾只對它作了某種猜測：θ=0時傾斜因子為1，θ=90時下降到零（即假定無后退次波）。惠更斯－菲涅耳原理能夠正確地解釋與計算波的傳播。基爾霍夫衍射公式給衍射提供了一個嚴格的數學基礎，這基礎是建立于波動方程和格林第二恒等式?！?/p>
根據這一理論，任意后續(xù)位置的波位移等于這些次波求和。求和并非簡單的代數和，而必須慮及這些波各自的相對相位以及振幅。因此，它們疊加之后的振幅范圍介于0（相互完全抵消）和所有次波振幅的代數總和之間。我們可以通過光學實驗，觀察到光波的衍射圖樣。光的衍射圖樣通常具有一系列明暗條紋（分別對應光波振幅的最大值和最小值）。
給大家舉一個例子來解釋這原理：假設有兩個相鄰房間A、B，這兩個房間之間有一扇敞開的房門。當聲音從房間A的角落里發(fā)出時，則處于房間B的人所聽到的這聲音有如是位于門口的波源傳播而來的。對于房間B的人而言，位于門口的空氣振動是聲音的波源。
惠更斯原理：波前的每一點可以認為是產生球面次波的點波源，而以后任何時刻的波前則可看作是這些次波的包絡。
這個原理不是嚴格真理，也就是說這個“每一點可以認為是產生球面波的點波源”的思想是為了解釋衍射而提出的思想。
借著這原理，他可以給出波的直線傳播與球面?zhèn)鞑サ亩ㄐ越忉?，并且推導出反射定律與折射定律；但是他并不能解釋，為什么當光波遇到邊緣、孔徑或狹縫時，會偏離了直線傳播，即衍射效應。
惠更斯假定次波只會朝前面方向傳播，而不會朝后面方向傳播。他并沒有解釋為什么會發(fā)生這種物理行為?；莞乖盹@然是一種光波動說。這假說是根據1664年羅伯特·胡克的提議。胡克本人公開批評牛頓的光微粒說。兩位大師爭吵不休。在那時期，由于艾薩克·牛頓在其它物理領域的成功，他被公認是光本質爭論的贏家。
菲涅耳在惠更斯原理的基礎上假設這些次波會彼此發(fā)生干涉，因此惠更斯－菲涅耳原理是惠更斯原理與干涉原理的結晶。用這種觀點來描述波的傳播，可以解釋波的衍射現(xiàn)象。特別地，惠更斯－菲涅耳原理是建立衍射理論的基礎，并指出了衍射的實質是所有次波彼此相互干涉的結果。為了符合實驗結果，他又添加了一些關于次波的相位與波幅的假定。這些假定引導出的預測與許多實驗觀察相符合，包括上面提到的泊松光斑，也對于為什么波只會朝前面方向傳播，而不會朝后面方向傳播這問題給出一個定量的解釋。
惠更斯原理可以視為空間的各向同性的結果?！翱臻g的各向同性”指的是在空間里，對于所有方向，物理性質都一樣。在各向同性空間（或各向同性介質）里足夠微小的區(qū)域內產生的任何波擾，必會從那區(qū)域以徑向傳播。由這波擾產生的波動，又會在其它區(qū)域形成波擾，如此這般繼續(xù)不斷。所有波動的疊加形成了觀察到的波動傳播圖樣。
而這也是量子電動力學的關鍵，量子電動力學的關鍵基礎之一就是空間的各向同性。在這空間里，任意物體的波函數會沿著所有未被阻礙的可能路徑傳播。當對于所有可能路徑做積分計算時，若將波函數的相位因子正比于路徑距離這因素納入考量，則波函數與波函數彼此之間的相互干涉會正確地預測出實驗觀察到的各種現(xiàn)象。
這里大家有必要記住上面反復出現(xiàn)的兩個人的名字，菲涅爾和惠更斯。
惠更斯全名克里斯蒂安·惠更斯，1629年04月14日—1695年07月08日)荷蘭物理學家、天文學家、數學家。他是介于伽利略與牛頓之間一位重要的物理學先驅，是歷史上最著名的物理學家之一，他對力學的發(fā)展和光學的研究都有杰出的貢獻，在數學和天文學方面也有卓越的成就，是近代自然科學的一位重要開拓者。他建立向心力定律，提出動量守恒原理，并改進了計時器。
菲涅耳(1788～1827)是法國土木工程兼物理學家。1788年5月10日生于諾曼底省的布羅意城的一個建筑師家庭，當時法國革命即將爆發(fā)，自幼體弱多病。讀書時他的數學才智卻倍受教師注意。1806年畢業(yè)于巴黎工藝學院，1809年又畢業(yè)于巴黎路橋學院，并取得土木工程師文憑。大學畢業(yè)后的一段時期，菲涅耳傾注全力于建筑工程。 從1814年起，他明顯地將注意力轉移到光的研究上。菲涅耳在1823年被選為法國科學院院士。1825年被選為英國皇家學會會員。
顯然菲涅爾是牛頓之后的一位對光學研究有杰出貢獻的物理學家。他在惠更斯的基礎上，建立了上面提到的惠更斯—菲涅爾原理。
你如果堅持看到了這里，我就要提問了：“你認為干涉和衍射的區(qū)別是什么？” 這個問題其實上面一開始，就有諾貝爾物理學家費曼回答過。我現(xiàn)在問的是你！
是這樣，如果你看的仔細，也認真的思考了?？梢缘贸鲞@樣結論。衍射發(fā)生的條件要比干涉“寬松”。但大家要注意，這是從現(xiàn)象上說的。也就是干涉條紋的出現(xiàn)。
但無論是干涉還是衍射，它們的本質是光的波動，光的波動統(tǒng)計結果。干涉現(xiàn)象的出現(xiàn)，一定伴有衍射。衍射現(xiàn)象的出現(xiàn)，不一定出現(xiàn)干涉條紋，但沒有出現(xiàn)干涉條紋，我們不能說沒有說出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。這就是我為什么在上面說衍射發(fā)生的條件比干涉“寬松”。
如此說來，光波作為物質波的一種，它是與其他波有共性的。這也是大自然造物的“公平”。那么光作為物質波與其他波不一樣的地方是什么呢？？ 無疑“速度”在這個時刻，就脫穎而出了。
后面的章節(jié)，我們會講到光的速度的實驗。其實在我的另一本科普書籍《變化》中，就有過關于光的速度的論述。
在整個上一篇《光的干涉》和這一章《光的衍射》文章中，牛頓的名字出現(xiàn)了很多次，但這里出現(xiàn)的時候并不是夸贊牛頓，而是說牛頓的權威在一定程度上阻礙的光學的進步?！皺嗤笔且粋€很難為打破的詞，不知道為什么，我永遠不希望科學界有權威！ 即使有，我希望科學界也不要懼怕權威，就像托馬斯·楊，菲涅爾，愛因斯坦那樣去做。所以今天，大家也不要把“愛因斯坦”當作權威，這一定是愛氏的愿望。
摘自獨立學者，詩人，作家，國學起名師靈遁者量子力學書籍《見微知著》第六章。
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