論光和電子的衍射與雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，及論如何突破光和電子的衍射極限提高光學(xué)及電子顯微鏡的分辨率

高國昌

（喜通天大酒樓，廣西 梧州543000）

我們都知道，幾百年來以至到目前現(xiàn)在為止。都沒有任何一種理論可以完美并客觀的來解釋光和電子的衍射與雙縫干涉實(shí)驗(yàn)到底是怎么一回事？為什么會這樣？衍射圖樣和干涉條紋到底是怎樣形成和產(chǎn)生的？為了解釋這種現(xiàn)象，科學(xué)家們做了很多實(shí)驗(yàn)，其中最著名的就是單光子和單電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。

人們發(fā)現(xiàn)即使是單個(gè)光子或是單個(gè)電子每次只有一個(gè)單獨(dú)通過雙縫，當(dāng)這樣一個(gè)一個(gè)光子或電子單獨(dú)通過雙縫一段時(shí)間后，神奇的干涉條紋還是出現(xiàn)了。這時(shí)科學(xué)家們都蒙了，光子或電子到底是經(jīng)過了那一條縫？左邊的還是右邊的？還是同時(shí)經(jīng)過兩條縫？

為了解釋這種現(xiàn)象，科學(xué)家們提出了單個(gè)光子或單個(gè)電子具有分身術(shù)同時(shí)經(jīng)過了雙縫。自己跟自己發(fā)生了干涉。但問題來了？我們都知道光子和電子都是不可再分的最小粒子。那為什么當(dāng)單個(gè)光子或單個(gè)電子經(jīng)過雙縫時(shí)就會發(fā)生分身術(shù)？那是不是代表所有大量的單個(gè)的光子或單個(gè)的電子經(jīng)過雙縫時(shí)都會發(fā)生分身術(shù)？

如果按這樣來說，每個(gè)獨(dú)立的單個(gè)光子或單個(gè)的電子都有分身術(shù)？都有感知能力？只要是雙縫或是有障礙物的地方都會分身同時(shí)經(jīng)過，而不會與縫的邊緣或障礙物的邊緣發(fā)生反射？如果真是這樣。那為什么在大霧或霧霾天氣中有的光可以通過而有的光不可通過？有的光會被吸收而有的光會被散射或反射掉？

我們都知道在大霧或霧霾天氣中都有大量的微小顆粒，而它們之間又形成大量的單縫和雙縫及多縫。如果每一個(gè)單個(gè)的光子或電子具有分身術(shù)，有感知能力和分身術(shù)同時(shí)穿過雙縫和避開障礙物的能力，那么它們應(yīng)該全部都可以穿過大霧或霧霾？可在現(xiàn)實(shí)中，為什么在大霧和霧霾天氣中會有能見度高低之分這種說法？你覺得呢？

所以說單個(gè)光子或是單個(gè)的電子具有感知能力和分身術(shù)同時(shí)穿過雙縫而自己跟自己進(jìn)行干涉這種說法是不完全正確和有問題的。但這卻是量子力學(xué)最好的解釋。也是目前為止人類的一個(gè)未解之迷。那怎么辦？我們是否可以換個(gè)角度來看待并解決和解釋這一世界難題？

實(shí)驗(yàn)結(jié)果是光子或是電子經(jīng)過單縫衍射或雙縫干涉而得到衍射圖樣及干涉條紋的。所以問題的關(guān)鍵是不是出在單縫或是雙縫的縫邊緣上面？光子或是電子在縫中到底發(fā)生了什么事情？是直接穿過去？從左邊或是從右邊穿過去？還是同時(shí)穿過去？我們都知道光和電子都具有波粒二象性。所以會不會是光或電子在縫的邊緣因?yàn)椴▌?dòng)性而發(fā)生正面反射和背面反射？從而偏離直線傳播？然后再在接收屏上進(jìn)行波的疊加從而形成衍射圖樣和雙縫干涉條紋？

我們都知道，創(chuàng)新的定義就是違規(guī)。因?yàn)榭茖W(xué)的很多發(fā)現(xiàn)都是和我們的常識是相違背的。

即然量子力學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)之間有矛盾同時(shí)也都不能很好的解釋光或電子的衍射和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。所以當(dāng)有些現(xiàn)象不能得到很好解釋時(shí)，就代表兩個(gè)理論都有問題。不是說完全不正確，而是代表它們還不夠完善。還存在一些疑惑和爭議。革命還沒成功，我們還需努力！最好的辦法就是突破原來的固有思想和認(rèn)知。

我們都知道，微觀粒子構(gòu)造出了大千世界，人類目前只能通過概率的形式了解微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，就好像上帝在擲骰子一樣，等著我們?nèi)ゲ聹y！微觀世界里我們只能用概率描述事件，這就是量子力學(xué)描述微觀世界的物理語言。

即然微觀粒子構(gòu)造出了大千世界。那么量子力學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)應(yīng)該有一些互通和共同點(diǎn)，對于經(jīng)典物理學(xué)，很多東西是可以測量和確定的，因?yàn)槟切┪覀兌伎吹囊?。但對于量子力學(xué)，所有粒子都沒有固定的運(yùn)行軌跡和位置及速度。因?yàn)槟切〇|西太渺小了，我們?nèi)庋鄹揪涂床坏?。所以只能通過儀器去測量，但它們的介入又會影響到實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果。所以我們目前只能通過概率的形式了解微觀粒子的運(yùn)動(dòng)。

所以我們可不可以試著把量子力學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的一些觀點(diǎn)聯(lián)系起來一起取長補(bǔ)短的去試著解釋光和電子的衍射和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。這時(shí)肯定有很多人會反對和不理解。因?yàn)榱孔恿W(xué)是研究和適用于微觀世界的。經(jīng)典物理學(xué)是研究和適用于我們看到的宏觀世界的。大量的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)生活中的很多例子和現(xiàn)象都能很好的說明這兩種理論是相互排斥和有矛盾的。雖然有些現(xiàn)象兩者都不能很好解釋，但是在各自領(lǐng)域里它們又是很適用的。

有一句名言說的好：只有想不到，沒有做不到。所以我不怕有人說我的想法太夸張不合實(shí)際。而我只想說：正是因?yàn)闆]有人敢大膽的去聯(lián)想和突破常規(guī)的去思考。所以那么多年過去了，關(guān)于光子和電子的衍射和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)至今都沒有得到完美和客觀的解釋。事在人為啊！

又有一句名言說的好：謊言重復(fù)一千遍就是真理。所以我覺得，有時(shí)無知并不可怕，只要你有心去鉆研去學(xué)習(xí)，什么都會懂的。最怕的就是看起來什么都懂，而又什么都不能解決，只能紙上談兵。因?yàn)槠渲凶钆碌木褪亲约憾挠行┦清e(cuò)誤的，而又沒有人能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，所以經(jīng)過很多人大量的宣傳后，不知不覺中每個(gè)人又都相信他是對的。這就像是一只無形殺手一樣，無時(shí)無刻的影響著并抹殺著我們每一個(gè)人的思想和智慧，從而導(dǎo)至很長時(shí)間內(nèi)都沒有任何突破和建樹。所以雖然我們大家每一個(gè)人都很努力很拼搏，但卻也都很困惑很迷茫也難以找到方向。

我們現(xiàn)在都知道光和電子及一切微觀粒子都具有波粒二象性。也就是說它們既能像波一樣向前傳播，有時(shí)又表現(xiàn)出粒子的特征?？墒窃诠饩哂胁６笮詣偺岢龊筒⒈淮蠹宜邮芮?。人們并不知道光和一切微觀粒子都具有波粒二象性。通過光的反射和折射的現(xiàn)象，很多人都確定光就是粒子。而后來人們又發(fā)現(xiàn)了光的衍射和雙縫干涉現(xiàn)象，又?jǐn)喽ü饩褪且环N波。因?yàn)楣饽馨l(fā)生衍射和干涉就是波動(dòng)說的最好證明??！

那怎么辦？光到底是粒子還是波？這總要有一個(gè)解釋結(jié)果??！所以那時(shí)的人們開始了長達(dá)幾百年的爭論，誰都不服輸，誰也不認(rèn)錯(cuò)，誰也不放過誰。誰都覺得自己就是對的。但是誰又完全說服不了對方。那怎么辦？是實(shí)驗(yàn)出問題？還是理論有問題？還是我們的思想和思考方式出問題？

為什么我們都很難能成為像世紀(jì)偉人愛因斯坦一樣的天才。或許就是因?yàn)樗褪撬?，他就是敢想敢干敢和常人不一樣?/p>

所以你想當(dāng)普通人？還是想當(dāng)一個(gè)和常人不一樣的但卻像愛因斯坦一樣的天才？所以讓我們靜下心來，重新去思考和整合并聯(lián)想以下這些問題。不管過去它們在我們的認(rèn)知記憶里是對是錯(cuò)，是好是壞，都讓我們一起笑看風(fēng)云。用不同于常人和以往的想法和胸懷，或許我們就真的能像愛因斯坦一樣發(fā)現(xiàn)新的和完全不一樣的全新的世界。

當(dāng)然，我們現(xiàn)在都知道光具有波粒二象性。所以只能說當(dāng)時(shí)人們關(guān)于光是粒子的說法還是波的說法都對也都不全對，只是各對一半而已。

同樣的，關(guān)于我們對光或電子的衍射和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的解釋，對于量子力學(xué)的解釋和經(jīng)典物理學(xué)的某些理論解釋同樣是各有對錯(cuò)，從不同的角度去看去分析就像盲人摸象一樣，都會得到各自不同的結(jié)果和論證。或許只有像把光的粒子性和波動(dòng)性結(jié)全在一起形成波粒二象性才能解釋光的本性一樣。

同樣的，或許只有我們將經(jīng)典物理學(xué)的某些觀點(diǎn)和量子力學(xué)的某些解釋結(jié)合在一起才能真正的完美的并客觀的解釋光或電子的衍射和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)到底是怎么一回事。畢竟世上只有想不到，沒有做不到。

其中量子力學(xué)中說道，量子力學(xué)認(rèn)為物質(zhì)沒有確定的位置，它表現(xiàn)出的宏觀看起來的位置其實(shí)是對幾率波函數(shù)的平均值，在不測量時(shí)，它出現(xiàn)在哪里都有可能，一旦測量，就得到它的平均值和確定的位置。

量子力學(xué)里，不對易的力學(xué)量，比如位置和動(dòng)量，是不能同時(shí)測量的，因此不能得到一個(gè)物體準(zhǔn)確的位置和動(dòng)量，位置測量越準(zhǔn)，動(dòng)量越不準(zhǔn)。這個(gè)叫不確定性原理，當(dāng)然即使不測量，它也存在。

所以量子力學(xué)說微觀粒子沒有確定的位置和動(dòng)量及運(yùn)行軌道。這是和經(jīng)典物理學(xué)中的確定論是最大的矛盾。水火不容??！要相容只差一個(gè)容器，那就是我們要有像愛因斯坦一樣的智慧和胸懷及遠(yuǎn)見！

其中量子力學(xué)里有一個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)叫（薛定諤的貓），人們對它討論也爭論了很久直到現(xiàn)在。而我只想說的是，在箱子沒有打開前，貓或許是死的也有可能是活的，或者就像量子力學(xué)中所說的處于又死又活的疊加態(tài)。而當(dāng)打開箱子后，知道貓是死是活的人始終是知道的，不知道的人始終是不知道并帶有疑惑的。就像中國有句老話說的好：旁觀者清，當(dāng)局者迷。一旦迷底揭開才恍然大悟。疊加態(tài)就消失了，所以說這是相對于不同情況的人而言的。

所以在箱子還沒打開前，是死是活只有貓自己知道。這就像微觀粒子有沒有固定的運(yùn)行規(guī)律和運(yùn)行軌跡，有沒有固定的位置和動(dòng)量也只有它自己清楚。我們一旦觀測就會影響到它的當(dāng)前狀態(tài)，因此測量只是得到它當(dāng)時(shí)的信息和狀態(tài)而已。

量子力學(xué)還說，當(dāng)你看到月亮?xí)r它就存在，你不看時(shí)它或許就真的不存在。而我想說的是，那么多人都看到它存在，就你不看就說它不存在，并有可能存在任何地方？請問這是誰的問題？有沒有點(diǎn)像掩耳盜鈴一樣？

其實(shí)不管你有沒有去觀測月亮，我們都知道它是存在的，并且以自己固有的規(guī)律和運(yùn)行軌道在運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)你沒看它時(shí)，但它卻一直在默默的守護(hù)著并欣賞著你啊。這有沒有點(diǎn)像微觀世界一樣，不可能因?yàn)槟銢]有能力和辦法去觀測并了解它然后就主觀的否決它的客觀存在一樣？

請問在戰(zhàn)場上。是不是你看不到敵人就可以說他不存在？請問這時(shí)你是危險(xiǎn)還是不危險(xiǎn)？有還是沒有槍在瞄準(zhǔn)你？下一刻你是會受傷還是不會受傷？是生還是死？結(jié)果是輸還是贏？

那在量子力學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)中什么是確定的？什么又是不確定的？我們都知道所有微觀粒子包括光子，電子都具有波粒二象性。他們的衍射與雙縫干涉又是同樣的原理和表現(xiàn)結(jié)果。所以只要我們能分析出光的衍射與雙縫干涉實(shí)驗(yàn)到底是怎樣一回事？是怎樣形成和產(chǎn)生的？就可以同時(shí)知道電子和其它微觀粒子的衍射與雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的成因了。

那就讓我們放松心情，放下過去的成見，懷著空杯的心態(tài)，不管過去的對與錯(cuò)，好與壞，因?yàn)檫@些都以不再重要了。就讓我們重新出發(fā)，敞開胸懷，試著挑戰(zhàn)并試著接受以下這些觀點(diǎn)。我不敢保證我的觀點(diǎn)和認(rèn)知全對，或許你有更好的想法和看法。但我相信，我的這些思想一定會對你有所幫助，會讓你有所思考，有全新的靈感和認(rèn)知并碰撞出不一樣的火花！正所謂百花爭鳴，求同存異，共謀發(fā)展。

如果要將量子力學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)結(jié)合起來解釋光的衍射和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，就必需將兩者結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，各求所需，求同存異。

我們都知道光具有波粒二象性。在經(jīng)典物理學(xué)中，因?yàn)槲覀內(nèi)庋劭梢姡杂X得一切物體都是有固定的位置和動(dòng)量及運(yùn)行軌跡的。就像我們?nèi)祟惼綍r(shí)發(fā)射的衛(wèi)星和導(dǎo)彈攔截及行駛中的汽車。只要我們知道它們開始的動(dòng)態(tài)就可預(yù)知未來。而在量子力學(xué)中，因?yàn)槲覀內(nèi)庋劭床坏剑脙x器測量又會影響觀測結(jié)果，那就不能同時(shí)準(zhǔn)確的知道它的動(dòng)量和位置信息。就是所謂的不確定性原理。因?yàn)椴豢芍灾荒苡酶怕什▉砻枋觥?/p>

我們都知道：聲波、繩波、水波、縱波、橫波及所有機(jī)械波都需要介質(zhì)和媒介才能傳播，因此會產(chǎn)生受迫振動(dòng)，因此我們看到的是連續(xù)向前推進(jìn)起伏變化的波。正是因?yàn)槭芷日駝?dòng)的影響，所以我們看不到單一固定軌道向前運(yùn)行的繩波和水波。或許正是因?yàn)檫@樣，我們都誤以為光波也是一樣是連續(xù)向前推進(jìn)起伏變化的波。因此我們誤以為每一個(gè)光子都沒有固定的運(yùn)行軌跡，也沒有固定的位置和動(dòng)量。所以這種錯(cuò)誤的想法和認(rèn)知一直影響著我們不能有所突破，因此過去這么多年，我們都不能很好并客觀的解釋光或電子的衍射和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。

那到底是為什么呢？我們都知道，光具有波粒二象性，光是一種電磁波同時(shí)也是橫波。光和電磁波可以在真空中傳播，是周期變化的電磁場的傳播。由于光可以在真空中傳播，所以在傳播的過程中可以不需要介質(zhì)和媒介，因此不會產(chǎn)生受迫振動(dòng)。同時(shí)因?yàn)楣獾牧Ｗ有?，我們都知道光是一份一份傳播的，并不是連續(xù)的，我們簡稱光子。橫波的特點(diǎn)是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直。

因此當(dāng)光子從光源的原子中發(fā)射出來的那一刻，每一個(gè)獨(dú)立的光子它的初始位置都是確定的。因?yàn)楣饩哂胁６笮裕瑫r(shí)光也是橫波。也就是說每個(gè)光子都是獨(dú)立的從光源出發(fā)并沿著以質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波形中以直線傳播。即每個(gè)光子都是獨(dú)立的，并且有屬于自己的運(yùn)行軌道。

所以說我的這種說法是與量子力學(xué)完全相違背的。因?yàn)榱孔恿W(xué)說一切微觀粒子都沒有固定的位置動(dòng)量和運(yùn)行軌跡。量子力學(xué)認(rèn)為物質(zhì)沒有確定的位置，它表現(xiàn)出的宏觀看起來的位置其實(shí)是對幾率波函數(shù)的平均值，在不測量時(shí)，它出現(xiàn)在哪里都有可能，一旦測量，就得到它的平均值和確定的位置。

但你要知道，微觀世界的粒子我們根本就不能用肉眼看到并確定。那是因?yàn)槲覀兡芰τ邢藓驼J(rèn)知不夠的原因而導(dǎo)致的，所以只能對它進(jìn)行猜測和用概率波來解釋。因此那是我們自己的問題并不是微觀世界的錯(cuò)。我們都知道量子力學(xué)的確能解釋很多事情，并給我們生活帶來很多便利。

但它卻不能解釋光或電子的衍射和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。所以我并不是說否定量子力學(xué)，而是說它還不夠完善。我們還有很多事要做，還有很多思想要進(jìn)行斗爭。所以我們能不能試著引入一些新的觀點(diǎn)。

也就是說每一個(gè)光子的運(yùn)行軌道都是固定的，只是每一個(gè)光子從光源中由于每一個(gè)原子的空間位置排列的不同而導(dǎo)致每個(gè)光子的出發(fā)點(diǎn)不同而已。所以大量的光子看起來沒有確定的軌道和位置及動(dòng)量，觀測起來出現(xiàn)在那都有可能。這也就是量子力學(xué)中所謂的概率波的解釋和成因。所以，只要每一個(gè)光子的軌道是固定的，關(guān)于光的衍射和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)就能得到很好的解釋了。

當(dāng)然，關(guān)于每一個(gè)光子的運(yùn)行軌道是固定的這種想法并不是憑空想像的。而是有理論依據(jù)的。

我們都知道激光的特點(diǎn)：單色性好、方向性好、相干性好、亮度高。其中相干性好就是說激光的振動(dòng)、頻率、相位都高度一致。

產(chǎn)生干涉的一個(gè)必要條件是,兩列波(源)的頻率以及振動(dòng)方向必須相同并且有固定的相位差。

所以激光中大量的光子在傳播過程中就像閱兵場上的士兵走路一樣整齊統(tǒng)一步伐一致。如果每一個(gè)光子的運(yùn)行軌道都不是確定的，就像量子力學(xué)中所說光子出現(xiàn)在那都有可能，沒有確定的軌跡。請問？如果每一個(gè)獨(dú)立的光子都沒有確定的運(yùn)行軌跡，就像路上亂走的行人一樣，請問激光的振動(dòng)、頻率、相位都還能高度一致嗎？那激光和普通光源又有什么區(qū)別？

如果經(jīng)過雙縫的兩束光它們的每一個(gè)光子都沒有確定的運(yùn)行軌跡？請問每一個(gè)光子之間它們的振動(dòng)方向會相同嗎？如果振動(dòng)方向都不能相同那又那來的相位差恒定？所以量子力學(xué)對于光的解釋都與要產(chǎn)生光的雙縫干涉的必要條件產(chǎn)生矛盾沖突，所以你覺不覺得那么多年過去了，為什么光的衍射和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)都沒能得到正確和客觀的解釋？是不是因?yàn)槲覀兊恼J(rèn)知出現(xiàn)了錯(cuò)誤？從而導(dǎo)致我們沒有任何突破和成就？

因此我們可以確定的是每個(gè)光子的運(yùn)行軌道都是確定的。不確定的就是因?yàn)楣庠粗忻恳粋€(gè)原子的空間位置排列的不同，比如上下、前后、左右的分布不同。及原子中由于電子躍遷釋放出光子時(shí)的空間位置的不確定性從而導(dǎo)致每一個(gè)光子的出發(fā)點(diǎn)不同，所以這就是量子力學(xué)中概率波的解釋和成因。

即每個(gè)單獨(dú)的光子從光源中那個(gè)空間位置發(fā)射出的可能性都有。從而導(dǎo)致我們量子力學(xué)認(rèn)為物質(zhì)沒有確定的位置，它表現(xiàn)出的宏觀看起來的位置其實(shí)是對幾率波函數(shù)的平均值，在不測量時(shí)，它出現(xiàn)在哪里都有可能，一旦測量，就得到它的平均值和確定的位置。

所以下面我們就一起試著用全新的理念來重新解釋光的單縫衍射和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)：即每一個(gè)光子的運(yùn)行軌道都是確定的，但是每一個(gè)光子從光源的不同的原子中的出發(fā)點(diǎn)是不確定的，即所謂的概率波。

我們都知道光的單縫衍射圖樣（如圖8）和雙縫干涉條紋（如圖13）都是因?yàn)楣馔ㄟ^單縫和雙縫后產(chǎn)生的。而單縫或雙縫之間的縫與縫之間的形狀距離大小又直接影響到衍射圖樣和干涉條紋的樣子。所以最直接的問題就是發(fā)生在單縫和雙縫的縫邊緣上面。到底當(dāng)光經(jīng)過單縫和雙縫時(shí)光與縫之間發(fā)生了什么？為什么光會偏離直線傳播到障礙物的陰影后面去？為什么衍射圖樣和雙縫干涉條紋又是如此的穩(wěn)定？又漂亮又迷人同時(shí)又那么讓人難以猜測？

我們都知道當(dāng)縫和小孔或障礙物的尺寸比光波的波長小，或者跟波長差不多時(shí)，光才能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。世上也沒有完全絕對平整的物體，把它放大來看也是會有點(diǎn)凹凸不平的。

所以我們平時(shí)做實(shí)驗(yàn)中所用到的單縫或雙縫及小孔或障礙物的邊緣也不是絕對平整的，它的中間是凸起來的。并且頂尖的大小也跟光的波長差不多，或許大一點(diǎn)也或許小很多。

所以當(dāng)光經(jīng)過障礙物邊緣時(shí)（如圖3），由于每個(gè)光子的運(yùn)行軌道是固定的，但是每個(gè)光子的出發(fā)點(diǎn)不同。

由于光具有波粒二象性。所以有的光會直接繞射過去繼續(xù)向前直線傳播（如圖7）。

有的光會繞射并撞擊到障礙物邊緣的正面形成正面反射（如圖5），從而反射出垂直于障礙物邊緣上方的光。

同時(shí)有的光會繞射并撞擊到障礙物邊緣的背面形成背面反射（如圖6），從而反射出垂直于障礙物邊緣下方的光（即陰影區(qū)）。從而形成一條離開直線路徑繞到障礙物陰影里去的光線。

因此對于光的單縫衍射（如圖8）的解釋就是當(dāng)光通過單縫時(shí)，縫兩邊的邊緣由于每個(gè)光子的出發(fā)點(diǎn)不同，所以導(dǎo)致每個(gè)縫的邊緣都會產(chǎn)生正面反射（如圖5）和背面反射（如圖6）。然后大量經(jīng)過單縫的光子會被反射從而偏離直線傳播到縫的背面和陰影區(qū)。最后通過波的疊加形成衍射圖樣。

所以對于光的雙縫干涉條紋（如圖13）的解釋也是一樣的。大量出發(fā)點(diǎn)不同的光子在雙縫的縫邊緣上發(fā)生正面反射（如圖5）和背面反射（如圖6），從而形成偏離直線傳播的光，通過波的疊加就形成干涉條紋。也就是每個(gè)縫先發(fā)生衍射，然后雙縫再發(fā)生干涉。從而形成光的雙縫干涉條紋。

那為什么當(dāng)每次只有單個(gè)光子或單個(gè)電子經(jīng)過雙縫時(shí)經(jīng)過時(shí)間的積累還能形成干涉條紋呢(如圖13)？其實(shí)這并不是像量子力學(xué)中解釋單個(gè)光子或單個(gè)電子同時(shí)經(jīng)過雙縫從而自己跟自己進(jìn)行干涉那樣。這種解釋是錯(cuò)誤的。那又是為什么呢？

我們現(xiàn)在都知道了每個(gè)獨(dú)立的光子都有自己固定的運(yùn)行軌道，但它們每一個(gè)光子的出發(fā)點(diǎn)都是不確定也是不同的。因此即使每次只有一個(gè)光子通過雙縫，它都有可能在雙縫的任何一條縫的邊緣上發(fā)生正面反射（如圖5）或是背面反射（如圖6），從而被反射到雙縫的背面和陰影區(qū)的不同位置。

因?yàn)殡p縫的形狀大小距離是確定的，但是每個(gè)光子的出發(fā)點(diǎn)不同，所以不同出發(fā)點(diǎn)的光子經(jīng)過雙縫時(shí)都會被正面反射（如圖5）或背面反射（如圖6）到雙縫后的任何位置任何點(diǎn)，即量子力學(xué)中所謂的概率波。

因此就是說，每個(gè)單獨(dú)經(jīng)過雙縫的光子都有可能被正面反射或背面反射到雙縫的后面和陰影區(qū)的不同位置。即使每次只有一個(gè)光子通過，但它們卻被反射并分布到接收屏或感光膠片的不同位置或任何點(diǎn)。所以經(jīng)過時(shí)間的積累和波的疊加，干涉條紋還是出現(xiàn)了。

所以，因?yàn)楣夂碗娮蛹耙磺形⒂^粒子都具有波粒二象性，所以我們可以確定的是它們的運(yùn)行軌道都是確定的，只是出發(fā)點(diǎn)不同而已，即量子力學(xué)中所謂的概率波。因此電子和所有微觀粒子的衍射和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的原理的解釋現(xiàn)象都是和光的衍射和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的原理和機(jī)制是一樣的。你覺得呢？

下面讓我們來討論光或電子的衍射及論如何突破光的衍射極限，提高光學(xué)及電子顯微鏡的分辨率。

我們都知道：

a.光是沿直線傳播的。

b.光波是橫波。即質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直。

c.光具有波粒二象性。也就是說每個(gè)光子都是獨(dú)立的從光源出發(fā)并沿著以質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波形中以直線傳播。即每個(gè)光子都是獨(dú)立的，并且有屬于自己的運(yùn)行軌道。(如圖1)

d.激光的特點(diǎn)：單色性好、方向性好、相干性好、亮度高。其中相干性好就是說激光的振動(dòng)、頻率、相位都高度一致。所以說激光是能突破光的衍射極限的最好的光源。

光的衍射：光波遇到障礙物以后會或多或少地偏離幾何光學(xué)中直線傳播定律的現(xiàn)象。包括：單縫衍射（如圖8）、圓孔衍射（如圖2）、圓板衍射及泊松亮斑。

小孔或障礙物的尺寸比光波的波長小，或者跟波長差不多時(shí)，光才能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。由于可見光波長范圍為4×10-7m 至7.7×10-7m 之間，所以日常生活中很少見到明顯的光的衍射現(xiàn)象。

光在傳播過程中，遇到障礙物（如圖3）或小孔（窄縫）時(shí)，它有離開直線路徑繞到障礙物陰影里去的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象叫光的衍射。衍射時(shí)產(chǎn)生的明暗條紋或光環(huán)，叫衍射圖樣。

產(chǎn)生衍射的條件是：由于光的波長很短，只有十分之幾微米，通常物體都比它大得多，所以當(dāng)光射向一個(gè)針孔、一條狹縫、一根細(xì)絲時(shí)，可以清楚地看到光的衍射。用單色光照射時(shí)效果好一些，如果用復(fù)色光，則看到的衍射圖案是彩色的。

衍射極限是指一個(gè)理想物點(diǎn)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像，由于衍射的限制，不可能得到理想像點(diǎn)，而是得到一個(gè)夫朗和費(fèi)衍射像。

顯微鏡的分辨率定義是能夠分辨的兩個(gè)點(diǎn)的最小距離。距離越小，分辨率越大。

光學(xué)顯微鏡的分辨率是受限于可見光的波長，就是說當(dāng)被觀察的物體小于可見光波長1/2 時(shí)，就無法在被觀察到。因此光學(xué)顯微鏡的分辨率是200nm。若要提高分辨率就要選擇更小波長的電子顯微鏡，分辨率可達(dá)0.5nm。

當(dāng)我用一束激光射向一片薄刀片的邊緣時(shí)發(fā)現(xiàn)在垂直于刀片邊緣的上方和下方（即陰影區(qū)）各出現(xiàn)一條亮線，其中中間區(qū)域最亮（如圖4）。因?yàn)榈镀吘壓鼙。愿R面反射不同，我們可以把刀片邊緣的正面與背面分成由多個(gè)不同角度的小平面連接而成。根據(jù)光的波粒二象性：由于每個(gè)光子從光源中出發(fā)的位置不同，所以導(dǎo)致每個(gè)光子的運(yùn)行軌道不同。

所以當(dāng)大量的光子從激光器中射出經(jīng)過刀片邊緣時(shí)，其中有一部分光子繞射并撞擊到刀片邊 緣正面的不同位置從而反射到垂直于刀片邊緣的上方形成一條亮線（如圖5）。有一部分光子繞過刀片邊緣繼續(xù)向前直線傳播（如圖7）。有一部分光子繞射并撞擊到刀片邊緣的背面不同位置 從而反射到刀片的下方（即陰影區(qū)）從而形成一條離開直線路徑繞到障礙物陰影里去的光線。（如圖6）

當(dāng)我用一束激光射向用兩片刀片形成的一個(gè)小狹縫（如圖8）和一條頭發(fā)絲（如圖9）時(shí)發(fā)現(xiàn)，在其垂直于兩片刀片邊緣及頭發(fā)絲的上方和下方出現(xiàn)了明暗條紋，這說明由于大量光子經(jīng)過每片刀片邊緣和頭發(fā)絲的上下邊緣的時(shí)候，由繞射過障礙物邊緣繼續(xù)向前直線傳播 的光及由每個(gè)邊緣的正面和背面反射出的垂直于邊緣的上方及下方的光（即光波遇到障礙物以后會或多或少地偏離幾何光學(xué)中直線傳播的光）在屏幕上相疊加而形成的明暗條紋的衍射圖樣。

為什么只有當(dāng)小孔或障礙物的尺寸比光波的波長小，或者跟波長差不多時(shí)，光才能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象？為什么光學(xué)顯微鏡的分辨率是受限于可見光的波長，就是說當(dāng)被觀察的物體小于可見光波長1/2 時(shí)，就無法在被觀察到？

由以上實(shí)驗(yàn)可知：當(dāng)小孔（窄縫）或障礙物的尺寸比光波的波長小，或者跟波長差不多時(shí)，光子容易繞過障礙物繼續(xù)向前直線傳播，或者光子繞射并撞擊到障礙物的邊緣的正面或背面形成反射從而形成偏離幾何光學(xué)中直線傳播的光，并在屏幕上相疊加形成的明暗條紋的衍射圖樣。

為了更加深刻的認(rèn)識光的衍射。我們可以做個(gè)比喻：把光的一個(gè)波長比喻成一條公路的寬度，障礙物的寬度比喻是小車的寬度。當(dāng)小車的寬度大于公路的寬度的時(shí)候，由于空間不夠，車輛不能通行過去。就好比是障礙物的寬度大于光波的波長，光子繞不過障礙物。所以光的衍射不明顯。當(dāng)小車的寬度小于或等于公路的寬度時(shí)，車輛可以通行過去，或者還能同時(shí)通行小的物體或行人或其它的小車。就好比當(dāng)障礙物的寬度小于或等于光波的波長時(shí)，光子容易繞射過去繼續(xù)向前直線傳播或繞射并撞擊到障礙物邊緣的正面或背面形成反射從而形成偏離幾何光學(xué)中直線傳播的光，并在屏幕上相疊加形成的明暗條紋的衍射圖樣。

為什么光學(xué)顯微鏡的分辨率是受限于可見光的波長，就是說當(dāng)被觀察的物體小于可見光波長1/2 時(shí)，就無法在被觀察到（如圖10）？就好比是當(dāng)車輛的寬度剛好等于或大于公路的寬度的1/2 的時(shí)候，由于空間不夠，不能同時(shí)通行兩輛寬度都大于或等于公路寬度1/2 的小車，但可以通行其中的一輛或同時(shí)通行其它一輛小于公路寬度1/2 的小車。這就好比當(dāng)兩個(gè)障礙物的尺寸或大小及間距大于或等于光波的波長的1/2 時(shí)，光子或許可以繞射過第一個(gè)障礙物但是繞不過第二個(gè)障礙物，由于光子繞不過去，所以我們不受衍射光的干擾，可以分辨出這兩個(gè)物點(diǎn)（如圖10）?？墒钱?dāng)兩輛車的寬度各自同時(shí)都小于公路的寬度的1/2 時(shí)，這時(shí)兩輛車可以同時(shí)通行，或許還能同時(shí)通行其它小的物體或行人自行車。這就好比是當(dāng)兩個(gè)障礙物的尺寸或大小及間距小于光波的波長的1/2 時(shí)，這時(shí)有一部分光子可以同時(shí)繞射過這兩個(gè)障礙物繼續(xù)向前傳播（如圖10），或繞射并撞擊到障礙物邊緣的正面或背面形成反射從而形成偏離幾何光學(xué)中直線傳播的光，并在屏幕上相疊加形成的明暗條紋的衍射圖樣。由于受到衍射光的干擾，所以我們不能分辨出兩個(gè)尺寸或大小及間距都小于光波波長1/2 的物點(diǎn)。

為什么光子和電子都是粒子，但卻由于其具有波粒二象性，使其受到波的衍射的限制，讓光學(xué)或電子顯微鏡的分辨率受限于其波長的1/2（如圖11）？為什么光學(xué)顯微鏡的分辨率只有其波長的1/2 即200nm？為什么電子顯微鏡的分辨率卻可達(dá)到其波長的1/2 即0.5nm？我們都知道其原因是受到波的衍射的限制。波長越長，越容易發(fā)生衍射，所以用之前的方法，若要提高顯微鏡的分辨率只能選擇波長更短的電子。

衍射極限：是指一個(gè)理想物點(diǎn)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像，由于衍射的限制，不可能得到理想像點(diǎn)，而是得到一個(gè)夫朗和費(fèi)衍射像。

那什么是光的衍射？什么是繞射？以上已經(jīng)給出答案：即當(dāng)小孔（窄縫）或障礙物的尺寸比光波的波長小，或者跟波長差不多時(shí)，光子容易繞過障礙物繼續(xù)向前直線傳播，或者光子繞射并撞擊到障礙物的邊緣的正面或背面形成反射從而形成偏離幾何光學(xué)中直線傳播的光，并在屏幕上相疊加形成的明暗條紋的衍射圖樣。

即然我們知道了光的衍射的成因。如果我們有什么好辦法可以避免光的衍射的產(chǎn)生？避免光子繞過障礙物繼續(xù)向前直線傳播？避免光子繞射并撞擊到障礙物的邊緣的正面或背面形成反射從而形成偏離幾何光學(xué)中直線傳播的光？我們都知道每個(gè)光子都有屬于自己的運(yùn)行軌道，如果我們可以讓障礙物或標(biāo)本一直處于同一或相近的光子軌道上。用什么辦法過濾掉其它不同軌道沒有用的光子？讓有用的光子一直照射到障礙物或標(biāo)本上？是不是就可以避免光子繞過障礙物繼續(xù)向前直線傳播？是不是就可以避免光子繞射并撞擊到障礙物的邊緣的正面或背面形成反射從而形成偏離幾何光學(xué)中直線傳播的光？沒有了光的衍射的發(fā)生，我們是不是就可以順利的突破光的衍射極限？從而大幅度的提高光學(xué)及電子顯微鏡的分辨率？

我們都知道每個(gè)光子都有屬于自己的運(yùn)行軌道，所以當(dāng)大量的光子經(jīng)過小孔（窄縫）或障礙物及標(biāo)本時(shí)。由于每個(gè)光子在空間上的運(yùn)行軌道不同，所以有一部分光子直接撞擊到障礙物或標(biāo)本的正面形成反射從而形成可以被我們觀察到有關(guān)物體表面信息的光。同時(shí)也會導(dǎo)致有一部分光子繞過障礙物或標(biāo)本繼續(xù)向前直線傳播。有一部分光子繞射并撞擊到障礙物的邊緣的正面或背面形成反射從而形成偏離幾何光學(xué)中直線傳播的光。并在屏幕上相疊加形成的明暗條紋的衍射圖樣。

由于受到光的衍射的限制，所以目前的光學(xué)及電子顯微鏡的分辨率都受限于其波長的1/2。我們難道除了尋找更小波長的粒子外，我們就沒有其它可以突破衍射極限的辦法嗎？

如果我們可以過濾掉其它不同軌道的會產(chǎn)生衍射的光，就讓過濾出的同一或相近軌道運(yùn)行的光子一直照射到障礙物或標(biāo)本的正面形成反射出可以被我們觀察到有關(guān)物體表面信息的光。沒有了衍射光的限制和干擾，我們是不是就可以突破衍射極限，從而提高光學(xué)及電子顯微鏡的分辨率！

我們都知道光具有波粒二象性。也就是說每個(gè)光子都是獨(dú)立的從光源出發(fā)并沿著以質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波形中以直線傳播。即每個(gè)光子都是獨(dú)立的，并且有屬于自己的運(yùn)行軌道。所以說：雖然光子和電子同時(shí)是粒子但又具有波動(dòng)性。但每個(gè)光子或電子的運(yùn)行軌道都是固定的。所以說這就好辦了。

只要我們過濾掉其它不同軌道的沒有用并且會發(fā)生衍射的光。只選擇同一或相近軌道的光去照射障礙物或標(biāo)本，不就可以避免光的衍射，從而突破衍射極限，提高光學(xué)及電子顯微鏡的分辨率。（如圖12）

我們可以做個(gè)比喻：把光子的運(yùn)行軌道比做是一列火車的運(yùn)行軌道。光子就比做是火車。障礙物或標(biāo)本就比做是火車運(yùn)行軌道上的大石頭或一根針絲。只要大石頭或針絲不在火車的運(yùn)行軌道上，火車就不會與大石頭或針絲發(fā)生碰撞。就好比障礙物或標(biāo)本不在某一條光子的運(yùn)行軌道上。不會形成反射從而不會被我們觀察到。但會被其它軌道的光子繞射過去或光子繞射并撞擊到障礙物或標(biāo)本的邊緣的正面或背面形成反射從而形成偏離幾何光學(xué)中直線傳播的光。并在屏幕上相疊加形成的明暗條紋的衍射圖樣。

但當(dāng)石頭或針絲剛好在火車的運(yùn)行軌道上時(shí)，這時(shí)不管石頭或針絲有多大或是多么小，都會被火車撞到并被反射出去。就好比我們過濾掉其它軌道沒有用的光及會發(fā)生衍射的光，就讓過濾出的某一條或相近的固定軌道運(yùn)行的光子一直照射到障礙物或標(biāo)本上，這時(shí)不管障礙物或標(biāo)本是大于光波的1/2 還是遠(yuǎn)小于光波的1/2，只要障礙物或標(biāo)本一直處于在這條固定或相近的光子運(yùn)行軌道上，就只有反射沒有繞射和衍射。（如圖12）

沒有了光子繞射過去，沒有了光的衍射的干擾。只有光在障礙物或標(biāo)本上形成反射，那么我們是不是就可以清楚的看清并分辨出小于光或電子波長1/2 以下的物體或標(biāo)本。從而突破衍射極限，大大的提高光學(xué)或電子顯微鏡的分辨率！

那么我們怎樣才能過濾出同一或相近軌道的有用的光子呢？怎樣才能過濾掉沒有用并且會發(fā)生繞射和衍射的光子呢？

其實(shí)很簡單，就是利用繞射本身。我們都知道，當(dāng)障礙物或標(biāo)本的尺寸或大小及間距小于光波的波長的1/2 時(shí)，因?yàn)橛幸徊糠止庾涌梢岳@過這兩個(gè)障礙物繼續(xù)向前直線傳播，有一部分光子繞射并撞擊到障礙物邊緣的正面或背面形成反射從而形成偏離幾何光學(xué)中直線傳播的光。并在屏幕上相疊加形成的明暗條紋的衍射圖樣。由于繞射和衍射的干擾所以限制了我們不能分辨出兩個(gè)尺寸或大小及間距小于光波波長1/2 的障礙物或標(biāo)本。

所以反過來思考？我們是不是可以利用這個(gè)原理？過濾出空間上運(yùn)行軌道同一或相近固定的運(yùn)行的有用的光子。讓光子一直照射到障礙物或標(biāo)本上形成反射出可以被我們分辨出物體表面信息的光！并過濾掉其它軌道沒有用并會發(fā)生繞射及衍射的光！從而避免光的繞射及衍射！從而突破衍射極限！大幅度的提高光學(xué)及電子顯微鏡的分辨率！（如圖12）

所以我們可不可以這樣做？使用激光做為光源。因?yàn)榧す獾奶攸c(diǎn)具有：單色性好、方向性好、相干性好、亮度高。其中相干性好就是說激光的振動(dòng)、頻率、相位都高度一致。所以說激光是能突破光的衍射極限的最好的光源。

首先在激光器前放一片偏振片，過濾出光子的振動(dòng)方向垂直于濾光片的偏振光。第二計(jì)算出激光的波長。然后使用四片（或更多）不透明的濾光片，每片濾光片的寬度剛好小于光波波長的1/2。分上下兩組，每組由兩片濾光片前后并列而成，前后相距大約光波的波長的1/2，讓它可以讓所要選擇的空間上同一或相近固定軌道運(yùn)行并有用的光子剛好可以繞射過去并繼續(xù)向前直線傳播，并過濾掉其它一些不同軌道并且沒用的光子。然后上下兩組濾光片相距幾個(gè)nm 并前后錯(cuò)開幾個(gè)nm。就讓所要選擇的空間上同一或相近固定軌道運(yùn)行并有用的光子剛好可以繞射過去并繼續(xù)向前直線傳播。（如圖12）

經(jīng)過上下前后兩組共四片濾光片的過濾，后面的濾光片把前面的下面或上面的濾光片形成繞射并撞擊到濾光片邊緣的正面或背面從而形成反射出形成偏離幾何光學(xué)中直線傳播的光給過濾掉。從而過濾出剛好可以繞射過這四片濾光片繼續(xù)向前直線傳播的光。

過濾掉其它不同軌道的沒有用的光。就讓同一或相近固定運(yùn)行軌道的光子一直照射到障礙物或標(biāo)本上。就好像高速公路上兩邊的圍欄，把外面想要經(jīng)過的行人或車輛給擋住不給經(jīng)過，只讓在此公路軌道上行駛的車輛經(jīng)過。因此我們可以過濾出的光子運(yùn)行軌道的寬度越窄越小，照射到障礙物或標(biāo)本上的光子所受衍射的影響就越小，顯微鏡的分辨率就越高。

所以只要我們過濾掉其它軌道沒有用的光及會發(fā)生衍射的光，就讓過濾出的某一條或相近的固定軌道運(yùn)行的光子一直照射到障礙物或標(biāo)本上，這時(shí)不管障礙物或標(biāo)本是大于光波的1/2 還是遠(yuǎn)小于光波的1/2，只要障礙物或標(biāo)本一直處于在這條固定或相近的光子運(yùn)行軌道上，就只有反射沒有繞射和衍射。沒有了光子繞射過去，沒有了光的衍射的干擾。只有光子在障礙物或標(biāo)本上形成反射，那么我們是不是就可以清楚的看清并分辨出小于光子或電子波長1/2 以下的物體或標(biāo)本。從而突破衍射極限，大大的提高光學(xué)或電子顯微鏡的分辨率?。。。ㄈ鐖D12）

因此，只要我們對光學(xué)顯微鏡的光源要求高一點(diǎn)就可以了。突破衍射極限，大幅度提高光學(xué)及電子顯微鏡的分辨率的辦法就這么簡單！

如果光學(xué)顯微鏡中光源使用單色光照射效果不太好，可以同時(shí)使用多種單色光照射或同時(shí)使用光的三原色紅綠藍(lán)同時(shí)照射效果可能會更好。

光學(xué)顯微鏡及電子顯微鏡的分辨能力是受限于其波的衍射的限制的。即受限于其波長的1/2。但每個(gè)光子或電子的運(yùn)行軌道都是固定的。所以只要我們用以上辦法避免光的繞射及衍射的影響不就可以突破衍射極限。從而提高顯微鏡的分辨率。并且治標(biāo)治本。

因?yàn)闆]有了衍射的限制，從而可以提高各種遠(yuǎn)場及近場光學(xué)顯微鏡及電子顯微鏡的分辨率。因此能讓新一代的光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡能觀察到比光或電子波長更小的細(xì)胞、細(xì)菌、病毒、微粒及分子、原子的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而讓我們能更深入的去了解并利用它們來造福全人類。從而給現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、納米材料科學(xué)及工業(yè)等帶來一場新的革命。謝謝觀看！