其實科學發展到今天，也不好回答光的干涉和衍射的區別是什麼

導讀：本章摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》。此文旨在幫助大家認識我們身處的世界。世界是確定的，但世界的確定性不是我們能把我的。

光波遇到障礙物以後會或多或少地偏離幾何光學中直線傳播定律的現象。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後，其強度可以波及到按直線傳播定律所劃定的幾何陰影區內，也使得幾何照明區內出現某些暗斑或暗紋。總之，衍射效應使得障礙物後空間的光強分布既區別於幾何光學給出的光強分布，又區別於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。

義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象，150年以後，法國物理學家A.-J.菲涅耳於19世紀最早闡明了這一現象。

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，叫衍射圖樣。

很多可能會問：「光的干涉和衍射有什麼區別？」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別。這只是術語用途的問題，其實二者在物理上並沒有什麼特別的、重要的區別。」

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，發現並加以描述，他也是「衍射」一詞的創始人。格里馬第觀察到的現象直到1665年才被發表，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。」

艾薩克·牛頓對這些現象進行了研究，他認為光線發生了彎曲，並認為光是由粒子構成。在19世紀以前，由於牛頓在學界的權威，光微粒說在很長一段時間佔有主流位置。

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象，後人稱之為「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，當光穿過狹縫並照射到擋板後面的觀察屏上，可以產生明暗相間的條紋。他把這歸因於光束通過兩條狹縫後衍射產生的干涉現象，並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，他的結果分別於1815年和1818年被發表，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不斷地傳播出去……」

法國科學院曾經舉辦了一個關於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，那麼當光射向一個球的時候，將會在球後面陰影區域的中心找到亮斑。結果，評審委員會安排了上述實驗，並發現了位於陰影區域中心的亮斑（它後來被稱作泊松光斑）。這個發現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於光是粒子的理論。

在對衍射現象的探索過程中，人們也不斷積累了對於衍射光柵的認識。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象。他是第一個發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現。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製成了衍射光柵，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·夫琅禾費利用相似的裝置（每厘米127線）證明了托馬斯·楊關於衍射的公式，並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控制光柵的刻划過程，於1948年實現了這一想法。20世紀下半葉，由於激光、光刻膠等新技術的出現，光柵製造技術取得很大的進步，製造成本顯著降低，製造周期也得以縮短。

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衍射效應在日常生活中並不罕見。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光碟的表面，均勻地緊密排列著一系列的光軌，這些光軌相當於衍射光柵的作用。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）的光在大氣層發生衍射，從而形成光環。此外，當激光照射到粗糙的光學界面上時，也能夠發生衍射現象，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生衍射。此外，聲波在障礙物邊緣發生衍射，也是人站在障礙物（例如牆壁、樹木）後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象的發生，可以用惠更斯－菲涅耳原理和波的疊加原理對現象進行描述。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，這些次波就是後續時刻的波面。這個原理最早由惠更斯於17世紀提出，不過他並未慮及波的時空周期性（他認為光是一種非周期性的、無規則的脈衝。這是受當時的光學研究發展所限制的。）。

1818年左右，菲涅耳在巴黎科學院關於解釋衍射現象的有獎競賽中，吸收了惠更斯「次波」的思想，並加入了他對於干涉現象的理解，使上述理論得以發展和完善。後人將這個理論稱為「惠更斯－菲涅耳原理」。【行進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。在這裡大家要知道，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（即假定無後退次波）。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，這基礎是建立於波動方程和格林第二恆等式。】

根據這一理論，任意後續位置的波位移等於這些次波求和。求和並非簡單的代數和，而必須慮及這些波各自的相對相位以及振幅。因此，它們疊加之後的振幅範圍介於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的角落裡發出時，則處於房間B的人所聽到的這聲音有如是位於門口的波源傳播而來的。對於房間B的人而言，位於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，而以後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傳播的定性解釋，並且推導出反射定律與折射定律；但是他並不能解釋，為什麼當光波遇到邊緣、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，而不會朝後面方向傳播。他並沒有解釋為什麼會發生這種物理行為。惠更斯原理顯然是一種光波動說。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，由於艾薩克·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象。特別地，惠更斯－菲涅耳原理是建立衍射理論的基礎，並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，他又添加了一些關於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，也對於為什麼波只會朝前面方向傳播，而不會朝後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。「空間的各向同性」指的是在空間里，對於所有方向，物理性質都一樣。在各向同性空間（或各向同性介質）里足夠微小的區域內產生的任何波擾，必會從那區域以徑向傳播。由這波擾產生的波動，又會在其它區域形成波擾，如此這般繼續不斷。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。當對於所有可能路徑做積分計算時，若將波函數的相位因子正比於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象。

這裡大家有必要記住上面反覆出現的兩個人的名字，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。他是介於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，他對力學的發展和光學的研究都有傑出的貢獻，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，提出動量守恆原理，並改進了計時器。

菲涅耳(1788～1827)是法國土木工程兼物理學家。1788年5月10日生於諾曼底省的布羅意城的一個建築師家庭，當時法國革命即將爆發，自幼體弱多病。讀書時他的數學才智卻倍受教師注意。1806年畢業於巴黎工藝學院，1809年又畢業於巴黎路橋學院，並取得土木工程師文憑。大學畢業後的一段時期，菲涅耳傾注全力於建築工程。 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後的一位對光學研究有傑出貢獻的物理學家。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裡，我就要提問了：「你認為干涉和衍射的區別是什麼？」 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。我現在問的是你！

是這樣，如果你看的仔細，也認真的思考了。可以得出這樣結論。衍射發生的條件要比干涉「寬鬆」。但大家要注意，這是從現象上說的。也就是干涉條紋的出現。

但無論是干涉還是衍射，它們的本質是光的波動，光的波動統計結果。干涉現象的出現，一定伴有衍射。衍射現象的出現，不一定出現干涉條紋，但沒有出現干涉條紋，我們不能說沒有說出現干涉現象。這就是我為什麼在上面說衍射發生的條件比干涉「寬鬆」。

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」。那麼光作為物質波與其他波不一樣的地方是什麼呢？？ 無疑「速度」在這個時刻，就脫穎而出了。

後面的章節，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，就有過關於光的速度的論述。

在整個上一篇《光的干涉》和這一章《光的衍射》文章中，牛頓的名字出現了很多次，但這裡出現的時候並不是誇讚牛頓，而是說牛頓的權威在一定程度上阻礙的光學的進步。「權威」是一個很難為打破的詞，不知道為什麼，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，這一定是愛氏的願望。

摘自獨立學者靈遁者量子力學書籍《見微知著》

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