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一支鏡頭，哪怕每一片玻璃都磨得完-美無缺、裝配分毫不差，拍出來的照片仍然不可能和實(shí)物一模一樣。顏色會(huì)串、邊緣會(huì)虛、直線會(huì)彎。這些偏差有個(gè)統(tǒng)一的名字：像差。有意思的是，像差不是做工問題。它來自成像本身的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)——只要用球面玻璃去彎折光線，就一定會(huì)有。這篇文章講的是：像差從哪來，長(zhǎng)什么樣，以及工程師是怎么跟它周旋的。先說個(gè)直覺：光學(xué)設(shè)計(jì)里有個(gè)「近軸」的假設(shè)，認(rèn)為光線都貼著光軸、張角很小。在這個(gè)假設(shè)下，成像完-美。可一旦視場(chǎng)變大、孔徑變大，這個(gè)假設(shè)就不成立了——像差由此而生。所以...

把一束光拆成兩半，讓它們各走一段路再合起來，屏幕上就會(huì)出現(xiàn)明暗相間的條紋。這個(gè)現(xiàn)象叫干涉，看起來簡(jiǎn)單，卻是人類手里最-靈-敏的一把尺子——靈敏到能測(cè)出質(zhì)子直徑萬(wàn)分之一的位移。這篇文章講的就是這件事：條紋怎么來的，什么條件下才會(huì)有，以及它憑什么能測(cè)那么準(zhǔn)。先說個(gè)直覺：為什么干涉能這么靈敏？因?yàn)榭梢姽獾牟ㄩL(zhǎng)本身就極短——幾百納米。把位移換算成「波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)」，等于用一把刻度為半微米的尺子去量東西；再借助條紋細(xì)分，讀出二十分之一、一百分之一條并不難，于是分辨力輕松越過納米。這把尺子不...

我們都知道一束白光穿過棱鏡，出來就攤成了一把彩色的扇子，非常好看。這個(gè)實(shí)驗(yàn)很多人小時(shí)候都見過，印象里它是個(gè)漂亮的物理現(xiàn)象。但它背后藏著一件決定了現(xiàn)代通信上限的事：不同顏色的光，在同一種介質(zhì)里跑得不一樣快。這件事有個(gè)名字，叫色散。它在彩虹里是美的，在光纖里就成了一個(gè)必須處理的麻煩——而處理它的辦法，又反過來成就了另一項(xiàng)技術(shù)。一、棱鏡：把一束白光攤成一把扇子先看現(xiàn)象本身。白光斜著射進(jìn)棱鏡，出來時(shí)不再是一束，而是一系列朝不同方向偏折的彩色光。紫光偏得最多，紅光偏得最少，中間依次排開...

按下快門的一瞬間，機(jī)器里其實(shí)發(fā)生了四次變身：光子變成電子，電子變成電壓，電壓變成數(shù)字，數(shù)字拼成圖像。整個(gè)過程快到察覺不到，但每一環(huán)都有各自的物理限制和工程妥協(xié)。這篇文章就順著這條鏈路走一遍，看看一束光是怎么被「記賬」下來的。一、一個(gè)光子換一個(gè)電子相機(jī)傳感器的核心材料是硅。硅有個(gè)關(guān)鍵屬性叫帶隙——電子要從價(jià)帶跳到導(dǎo)帶（變成可以自由移動(dòng)、被收集的電荷），得先拿到約1.12電子伏特的能量。光子帶的能量是E=hc/λ，波長(zhǎng)越短能量越高。把1.12eV代進(jìn)去反算，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)大約是110...

1960年，美國(guó)一家實(shí)驗(yàn)室里，有人把一根摻鉻的紅寶石棒塞進(jìn)螺旋形閃光燈管中間，通電的一瞬，一束深紅色的光從棒的一端射了出來。這就是人類第一束激光。它只持續(xù)了很短的瞬間，能量也談不上驚人，但這束光有個(gè)此前所有光源都沒有的脾氣：里面的光子，步調(diào)完-全一致。這句話聽著輕巧，做起來卻花了人類四十多年。難點(diǎn)不在于「造出很強(qiáng)的光」，而在于讓無數(shù)個(gè)原子在同一個(gè)時(shí)刻、朝同一個(gè)方向、以同一個(gè)相位發(fā)光——這在自然狀態(tài)下幾乎不會(huì)發(fā)生。一、愛因斯坦埋下的伏筆故事要從1917年說起。愛因斯坦在推導(dǎo)黑體...

星星為什么會(huì)眨眼？不是星星在動(dòng)，是頭頂那層大氣在翻滾。空氣冷熱不均，折射率就跟著起伏，星光穿過時(shí)被反復(fù)折射，到達(dá)地面時(shí)，原本整齊的波前已經(jīng)皺得不成樣子。望遠(yuǎn)鏡看得越大，這件事就越扎眼。對(duì)付它的技術(shù)叫自適應(yīng)光學(xué)（AdaptiveOptics，AO）。思路樸素得近乎直白：既然波前被揉皺了，那就先量出它皺成什么樣，再找一面能變形的鏡子，實(shí)時(shí)把這道褶皺反向掰平。一、大氣湍流：一層不停翻滾的透鏡太陽(yáng)曬熱地面，熱空氣上升，冷空氣下沉，風(fēng)再把它們攪在一起。溫度一變，空氣密度就變，折射率也跟...

1873年，恩斯特·阿貝在耶拿算出了一個(gè)不太討喜的數(shù)字：無論把透鏡磨得多完-美，光學(xué)顯微鏡能分清的兩個(gè)點(diǎn)，間距總在200納米上下。再小，就糊成一團(tuán)。這個(gè)數(shù)字不是工藝問題，是物理定律。鏡頭再貴也躲不開——因?yàn)楣馐遣āＲ弧⒁粋€(gè)點(diǎn)，成像后不是一個(gè)點(diǎn)把一顆熒光分子放在顯微鏡下，它在相機(jī)上留下的不是一個(gè)像素，而是一團(tuán)光斑：中間最亮，外面套著一圈圈迅速變暗的環(huán)。這團(tuán)東西叫艾里斑，得名于英國(guó)天文學(xué)家喬治·比德爾·艾里，他最早把它算了出來。為什么會(huì)這樣？因?yàn)楣庖┻^有限大小的孔徑。波遇到邊緣...

太陽(yáng)光、燈光、屏幕光，看上去都差不多。可要是手里有一片偏振片，事情立刻變得不一樣：轉(zhuǎn)著它看天空，亮度會(huì)變；轉(zhuǎn)著它看水面，某一刻反光會(huì)憑空消失。光并沒有變，是篩選發(fā)生了。被篩掉的那個(gè)屬性，叫偏振。它是橫波才有的自由度——聲波沒有這回事，因?yàn)樗駝?dòng)的方向被鎖死在前進(jìn)方向上，無從挑起。光不一樣，電場(chǎng)矢量的振動(dòng)落在垂直于傳播方向的平面里，于是就留下了「往哪個(gè)方向振」的選擇權(quán)。一、偏振：橫波專屬的那一點(diǎn)自由光是橫波：電場(chǎng)E、磁場(chǎng)B與傳播方向三者兩兩垂直。既然電場(chǎng)的振動(dòng)被限定在一個(gè)平面內(nèi)...