直觉思维与物理学的发展

2022年5月15日11:34:02直觉思维与物理学的发展已关闭评论

(二)直觉思维可启迪新的发现

直觉,或者称为灵感,就是偶尔在头脑中闪过的对问题的某种特别具有独创性的设想。它往往是人们对某个问题研究已久,绞尽脑汁,百思不得其解,正当处于“山重水复疑无路”的困境中时,突然因某种刺激而引起联想得到启发,茅塞顿开,从而找到了解决问题的新的策略方法。1971年诺贝尔物理学奖授予了英国伦敦帝国科技学院的匈牙利裔物理学家丹尼斯·伽博(Dennis Gabor),以表彰他发明和发展了全息术。伽博是在激光器还未出现前的20世纪40年代发明全息术的,当时他正在一家公司的研究室里工作,该公司旨在提高电子显微镜的分辨率。当时电子显微镜的分辨能力已比最好的光学显微镜提高了一百倍,但仍不足以分辨晶格,其中球差和衍射差是限制分辨率的主要因素,要减少衍射差就要加大孔径角,若把孔径角增加一倍,衍射差就会减少一半,但这时球差则增加了8倍。为了兼顾两者,不得不把电子透镜的孔径角限制为0.005弧度,从而算得分辨率的理论极限约为0.4nm。而分辨晶格起码要0.2nm。面对这样的难题,伽博苦苦思索。

1947年的一天,天空晴朗,伽博在网球场等待一场球赛时脑子里突然出现一道闪念,想到:“为什么不拍摄一张不清楚的电子照片,使它包含全部信息,再用光学方法去校正呢?”他考虑到电子显微镜永远不会完善,若把它省去,利用相干电子波记录相位和强度信息,再利用相干光再现无像差的像,这样一来,电子显微镜的分辨率就可以提高到0.1nm,达到观察晶格的要求了。伽博就是从这一思想出发,发明了全息术。

应该说,全息术的基本概念是波动光学的产物。17世纪末,惠更斯建立了光的波动说,即惠更斯原理,指球形波面上的每一点(面源)都是一个次级球面波的子波源,子波的波速与频率等于初级波的波速和频率,此后每一时刻的子波波面的包络就是该时刻总的波动的波面,这是理解波前和衍射的有力武器。19世纪初,托马斯·杨用惠更斯原理解释他的双缝干涉实验,菲涅耳用光的干涉思想补充了惠更斯原理,完善了光的衍射理论。应该说,在这样的基础上,早就该有人发明全息术了。

可是,为什么要等到20世纪中叶,才由一位研究电子显微镜的专家无意中发明全息术呢?关键在于,伽博抓住了全息术的核心思想:波前重建。为什么伽博会把握住这一关键呢?他解释说:“在进行这项研究时,我站在两个伟大的物理学家的肩膀上,他们是劳伦斯·布拉格和泽尔尼克。”也就是说,促使伽博的直觉思维发现的全息术的思想也是建立在他平时深厚的知识积累上的。

在发明全息术的前几年,伽博看过劳伦斯·布拉格的《X射线显微镜》一书,布拉格采用两次衍射使晶格的像重现。尽管X射线无法利用透镜成像,但原子的间距与X射线的波长同数量级,周期性排列的原子对入射X射线散射的相互干涉,会产生衍射点阵,用相干光对这种衍射图样作第二次衍射,便可恢复晶格的像,这就是伽博两步成像法的由来。然而他注意到,布拉格的方法还不足以记录傅里叶变换的全部信息。为了解决相位的记录问题,伽博想到了泽尔尼克在研究透镜像差时使用过的“相干背景”。

他认为:如果没有什么东西作为比较,丢失相位是不可避免的,但加上一个标准,即用“相干背景”作为参考波,那么参考波与衍射波相互干涉,用照相底片记录干涉图样,便可得到包含相位信息在内的干涉图像。衍射波应该是包含相位信息在内的干涉图,伽博称之为“全息图”。在全息图上,两个波相位相同处产生极大,相反处产生极小。若制作的是正片,则仅在极大处透光。因透光的狭缝处参考光与物波的相位相同,故用参考光照明全息图可重建衍射波的波前。由于过去没有人掌握波前重建的概念,因此直到1947年,伽博的脑子里萌生“波前重建”时,全息术才有了被人们发明的可能。

伽博以重建波前的方法考虑他的电子显微镜方案,提出了两步过程的建议。第一步为电子分析,即用电子束来照明物,被物衍射的电子束与相干背景(即入射电子束的未衍射部分)之间产生干涉,再记录在底片上;第二步为光学综合,即用光学系统来再现并校正电子光学的像差,然后在照相底片上拍摄再现的像。伽博和他的助手威廉斯首先在光学的范围里进行全息实验。他们用汞灯作为光源,经滤光片使入射光单色化,借助一个针孔滤光器使这束光达到所要求的空间相干性。

他们的实验是很不容易做的,因为高压水银灯提供的单色光仅有0.1mm的相干长度,也就是只有200个条纹。但是,为了得到空间相干性,他们必须用一根水银谱线照明直径为3μm的针孔,这光足以制作直径为1cm的物体的全息图。他们用直径为1mm的显微照片作实验物体,由于光源很弱,用当时最灵敏的照相乳胶也要几分钟曝光时间。相干长度小,迫使他们把每件东西都布置在同一轴线上,根据这个特征,这种实验被称为同轴全息实验,但在当时,这是唯一可行的方案。

他们在相干长度和强度这两个互相矛盾的因素中力图找到最佳的折中方案。然而,再现的图像不大理想,照片中尚有系统性缺陷。另外,同轴全息术还会受到不可避免的孪生像的干扰。伽博力图用聚焦来分离同轴的孪生像,但是不可能完全消除。尽管如此,伽博的这次实验首次实现了全息记录和重建波前,得到了第一张全息照片。

由此开始,物理学界出现了研究全息术的第一次热潮。罗杰斯制作了第一张相位全息图,对全息理论做了全面论述,他还提出全息术也适用于无线电波,可用于检测电离层。巴兹进行了X光全息术实验。然而在全息术早期的工作中,人们最关注的还是其在电子显微镜中的应用。从1950年开始,海恩、戴森和马尔维等从事这方面的研究,伽博当顾问,可是由于当时还没有理想的相干光源,因而受到伽博同轴全息孪生像的干扰,有成效的工作很少。因此,20世纪50年代中期,全息术的研究工作处于停顿状态,几乎没有新的进展。当时,只有美国密歇根大学的利思还在把波前重建的理论用于雷达工作。苏联也有一些科学家继续进行着新的探索。

1960年,激光器的出现给全息术带来了新的生命。1963年,利思和乌帕特尼克斯发表了第一张激光全息图,立刻引起了轰动,全息术突然“复苏”了。由于激光的相干长度比水银灯大几千倍,实验中不受同轴全息术的限制而采用“斜参考波”法,从而创造了离轴全息术,实验者很容易就消除了孪生像的干扰。另外,由于激光的强度超过水银灯几百万倍,在适当的曝光时间内便可用很细颗粒的和低速的照相乳胶制作大的全息图,并取得非常好的再现效果。

利思等第一次发表的黑暗背景上透明字的全息照片、景物照片和肖像照片等,图像都很清晰。1964年,他们又用漫射照明制作全息图,成功地得到三维物体的立体再现像。利思的成功不仅是由于有了激光,也要归功于他从1955年就开始的理论准备。他把通信理论和全息概念结合起来,用于侧视雷达的研究,实际上就是电磁波的两维全息术。

在激光出现以后,利思便把他所提出的斜参考波法应用于激光全息,至此,全息术取得了重大突破,在社会生产和生活实践中有了广泛的应用。然而,这一切开始的渊源则要归功于科学家的直觉思维。

  • 版权声明:本篇文章(包括图片)来自网络,由程序自动采集,著作权(版权)归原作者所有,如有侵权联系我们删除,联系方式(QQ:452038415)。