光的干涉：通识物理中的重要成果

波动光学是一门以波动理论研究光的传播及作用的光学分支，其主要包括光的干涉、衍射和偏振等内容，波动光学无论是理论还是应用都在物理学中占有非常重要的地位。

干涉现象是波的最基本特征，在日常生活中，我们就很容易观察到水波所形成的干涉条纹。比如：我们将两块石头同时扔到湖水中，会泛起两个同心圆的波纹，而这些波纹在相遇时会出现波动加强或者减弱的现象，也就是水波的干涉现象。而光的本质既然是电磁波，那么在理论上，两束光波在相遇区域也会形成稳定的、有强有弱的光强分布，从而出现明暗相间的光波干涉条纹。然而，在现实生活中，一方面光波的波长太短（人眼不可分辨的纳米级别）；另一方面，也较难获得完全一样的相干光波，且观测干涉现象需要满足一些特定条件，所以我们平时在普通的灯光下很难直接看到光波的干涉现象。比如，即便我们在一个房间里打开两盏完全相同的灯，我们也绝不会看到有的地方的光会变得特别亮，而有的地方的光则变得比一盏灯还要暗的奇怪现象。可是，光既然是电磁波，就一定会有干涉现象，那么我们究竟要怎样才能观察到光的干涉条纹呢？而这又是关系到光的波动性的关键证据。

针对无法观察到光波的干涉现象的难题，如图11.11 所示，英国著名物理学家托马斯·杨在1801年设计了一个非常巧妙的光学实验。他用强光照射一个非常小的小孔，并以小孔作为点光源发出球面光波（惠更斯原理）。然后，在离开小孔一定距离的地方放置了刻有两条窄缝的遮光板，从而将前面小孔发出的球面波分离开来，以获得两束完全相同的相干光波。当这两束相干光波同时照射到光屏上时，我们就可以观察到明暗相间的光波干涉条纹，这就是著名的“杨氏双缝干涉实验”。在实验中，托马斯·杨用相干光波的叠加原理解释了所看到的光波的干涉现象，同时他还利用自己的相干光波的干涉理论成功地解释了牛顿环的光波干涉现象。此外，托马斯·杨还根据双缝干涉原理设计了新的干涉实验，以测定红光和紫光的波长，并最终计算出它们的波长分别是650 nm 和442 nm。1802 年，根据这些实验结果，托马斯·杨发表了著名的论文《光和色的理论》，首次明确指出：“宇宙中充满了以太，光是发光体在以太中激起的波动，而光的颜色则取决于光波动的频率。”这个观点虽然很好地揭示了光的波动性，但由于将“以太”作为传播介质，所以托马斯·杨对光本质的认识仍然处于“机械波”而非“电磁波”的阶段。不过无论如何，“杨氏双缝干涉实验”都堪称近代物理最重要的光学实验之一，其不仅成为光的波动说的最有力证据，还为波动学的发展奠定了基础。

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图11.11　托马斯·杨和“杨氏双缝干涉实验”

其实，除了典型的“杨氏双缝干涉现象”，我们平常在阳光下见到油膜、肥皂泡所呈现的彩色斑纹也是一种光波的干涉现象，而这种现象则一般被称为“薄膜干涉”。通常来说：单色光的干涉图案是明暗相间的条纹；而白光由于包含丰富的色光，所以白光的干涉图案是彩色条纹。但是有一个问题：我们知道干涉条纹一般源自至少两束相干波的叠加，那薄膜干涉的两束相干波来自哪里呢？原来，与双缝干涉不同，油膜浮在水面，会形成与空气接触的上表面以及与水接触的下表面。而薄膜干涉的两束相干光波，就来自薄膜上、下两个表面分别对光波的反射。这两束相干光波在人眼中叠加，有些地方红光得到加强，有些地方绿光得到加强……就这样在人眼中呈现出彩色的干涉条纹。类似的现象还出现在照相机镜头、眼镜镜片的镀膜层上；劈尖和牛顿环等物理实验装置呈现的也是薄膜干涉条纹。

人类对“光的干涉现象”最经典的应用当属“全息照相”。全息照相意为“全部信息的照相”，它是由英国物理学家伽柏在1948年首先提出的。全息照相利用相干光的干涉效应，将从物体各点发出的光波的振幅和相位同时如实记录下来，并在观看时利用光的衍射效应重新使光波按照原来的振幅和相位再现。全息照片不仅有明暗之分，而且有三维远近逼真的立体感。全息照片的另一特点是不可复制性。由于拍摄全息照片时记录下来的是高度密集、极其复杂的干涉条纹，其精度高达纳米级别，所以伪造者几乎不可能完整重现出原拍摄场景。因此，全息照片具有无可比拟的防伪功能，而利用这点人们已经发明了“全息防伪术”。可分割性则是全息照片的又一新奇特点，一张全息照片可以按任意形状分割为许多张较小的全息照片，而每张小全息照片都能独立地再现原拍摄场景，其原因是：拍摄时，拍摄物上每一点的信息都由各自发出的子波传递到全息照片上，所以照片上任意一点都曾接收到物体上所有的信息，并以光波干涉条纹的形式记录下来。根据全息照相的可分割性，全息印刷技术和全息信息存储等高科技均已成为现实，并具有普通印刷和存储技术所无法媲美的优越性。此外，全息照片还具有多次记录的特性，即同一底片上可以重复记录许多物体的全息图，因为这种信息记录不会覆盖原有信息，而只是按照“光的干涉原理”改变光波的干涉条纹，理论上两束光波和一百束光波的干涉条纹除了细节并没有本质的区别，而再现时则可同时看到所有物体重叠在一起的原象。