波在空间中相遇时，会发生叠加现象，如下图所示。

干涉（interference）属于波的叠加中的特殊现象，其特点是，振动在空间上稳定分布。

振动的稳定分布意味着什么呢？

简单地说就是，空间各点的振幅不随时间改变。

如果是机械波，空间各点振动恒定，幅度大的，幅度始终大，幅度小的，幅度始终小，如下图所示的是水波干涉的效果。

如果是光波，空间各点的光强维持不变，当你让干涉光照射到屏上时，屏上亮的地方始终是亮的，暗的地方始终是暗的。

由于波的强度与振幅的平方成正比，故干涉时，波的强度在空间的分布是稳定的，形成所谓稳定的干涉图样。

注意，稳定的干涉图样，并不意味着实际图像也是纹丝不动的。对机械波来说，一般频率较低，振动本身是可见的，所以实际图像是动态的。但对光波来说，由于频率很高，人眼无法看到光的振动。

那么，什么样的波才能形成干涉呢？

能形成干涉，要求波的频率相同，相位差恒定，且振动方向相同，这叫相干条件，满足相干条件的波叫相干波。

最好理解的是振动方向，它是振动的物理量的方向，对机械波来说，它就是质点振动的方向，对光波来说，它就是电场强度的方向；频率就是指波动的快慢节奏，它是由振源的振动快慢决定的，是波的整体属性；相位是描述不同点当前的振动状态，对机械波来说即位置和速度，如果有两点的状态相同，那它们的相位相同，简称同相。

例如，你用绳子系一个铁球，让它反复击打水面，水面就会跟着波浪起伏，水面各点振动方向沿竖直方向。你每秒钟击打的次数 f 就叫振动频率，所形成的水波就按这个频率产生，具体表现为，每秒钟水面往外扩散 f 个波浪。对水面的某点来说，它在经历上下振动，不同时刻，它在竖直方向的位置不同，速度大小和方向也都不同，这些就由相位来决定。

那么，为什么只有相干波才能形成干涉呢？

我们想象路上有两个行人。假设他们的步长不同。

若他们的迈步频率相同，若开始时他们迈出同一只脚，此后他们的步调始终保持一致。若一开始时他们迈出不同的脚，则此后任何时刻他们迈腿都不同，若他们一个比另一个迈腿晚半步，后面他们之间始终差半步。

但若这两个人的迈步频率不同，无论一开始情况如何，他们此后不可能保持某种步调间的一致关系。

著名的牛顿摆波很好的演示了这一点，正如下面视频所示，这些摆的摆长不同，所以频率不同，越长的摆摆动越慢。一开始它们同步开始摆，但之后，除了某个特定时刻，它们不会同时处于一条线上，很难再出现同步。

可见，两个振动的频率必须相同，它们的状态之间的关系才会固定，典型的如同步。

那你可能会问，这种振动状态间的固定关系意味着什么？这和波的稳定叠加有什么关系？

用物理学名词来说，状态间的关系就是相位关系，确切的说就是相位差。

前面说过，相位决定振动的状态，它记录了振动随时间积累的信息，通过它，你可以获得振动的物理量的值以及时间变化率。两个状态之间具有固定的关系，意味着他们的相位之间具有固定的差值。

如下图所示，下面的细线代表两种典型的相位差的振动，它们的叠加情况用上面的粗线表示。左边的两个振动同相，所以叠加后振动最强，振幅等于二者之和；右边的两个振动反相，振幅等于二者之差，所以叠加后振动完全消除了。

实际上，只要两个同频率的振动的相位差固定，叠加后必然呈现为一个振幅固定的振动，例如下图所示，蓝色线和红色线代表的振动叠加后对应黑色线表示的振动，它具有确定的振幅。

如果两个振动的相位差不恒定，会怎么样？

假设用随时间移动来表示不断改变的相位，下图中的第二个振动就是如此，它与第一个振动之间的相位差随时间变化，我们看到，它们叠加后的振动也在随时间变化，说明叠加后的振动的振幅随时间不断变化！

现在你知道了，只要两个同频振动的相位差恒定，它们叠加后就能得到一个具有确定振幅的振动。

那么，说到波动呢？波动是什么？

空间中沿某个方向，有无数个紧密排列的点，在振源的策动下，它们依次而持续的振动，这就在空间中形成了波动。

很显然，如果每个点都是稳定的振动，也就是具有确定的振幅，那么所得到的波动就是稳定的。

因此，根据上述形成稳定的叠加振动的条件，如果两个波的频率相同，相位差恒定，那必然导致波中每个点的振动的叠加也是稳定的，那波动自然就是稳定的！

上面废了一番功夫来说明为什么相干波需要相同的频率和恒定的相差。其实，若你事先了解波的相位的数学表达式，这事本来非常简单！

相位是由3个部分组成，分别是时间部分、空间部分和初始值（即初相位）。只要频率 f 相同，且两个波一直都持续而没有间歇——保证初相位不变，则时间部分总是 ，那么显然，相位差必然与时间无关，只与位置有关，自然导致稳定的振幅了！

例如，两个相向而行的波形成的驻波，就是一种典型的波的相干现象。注意：与上面那个图不同，这个图是波的叠加，各点振幅是恒定的，而上面那个图是振动的叠加，振幅随时间变化。

你可能会注意到，在上述讲解中，没有解释振动方向的问题，为什么相干条件中要求振动方向相同呢？

我们在学习力和速度这些矢量时，明白一个道理——不在同一个方向的物理量，无法直接相加！尤其是当两个矢量是垂直的时候，它们彼此之间是无关的。

如果我们要将两个不平行的矢量加起来，需要将它们中的第一个沿平行和垂直于第二个矢量的方向正交分解，之后再把平行的分量加到第二个矢量上去，至于剩下的那个垂直分量，它是完全独立的，没法再加了。

所以，两个振动，只要它们的方向不完全垂直，其实是可以叠加的，只是有一部分没参与叠加。

但正因为损失了一部分垂直分量，当振动方向不平行时，其合振动的振幅不可能等于二者之和，没法形成所谓的振动加强。基于这一点，人们一般只考虑同方向振动的波的干涉，这就是为什么相干条件中要求“振动方向相同”的原因。

好了，解释完相干波的条件，再来看这些条件如何才能达到呢？

用振动器驱动水中的物体振动，便可形成满足相干条件的水波。甚至，仅靠人手简单的同步动作，我们就能轻松获得相干波，例如像下面这样。

下图给出了清晰的解释。左边波源发出的波用红色表示，右边的用蓝色表示。图中只画出波峰（或波谷），它们的交点就是振动加强的位置，如图中粉色线所示，这些点维持最强的振动。

对于上图中那些绿色的线，其实它标识的是振动最弱的点。为了看清这一点，我们在下图中用实线和虚线分别代表波峰和波谷，上图中标出的6条绿色线刚好经过波峰与波谷相遇的点，显然那些地方叠加后振动最弱。

对于机械波，一般来说相干条件很容易满足，因为确定频率的机械振动是很容易产生的，且一旦产生，能轻松在较长的时间内维持。

总之，对机械波来说，要形成干涉，是很容易的。

然而，对光来说，这件事就非常难了！

同样是波，为什么轮到光，干涉就那么难呢？

这需要先了解一下光的电磁本性。

大家都知道，光是电磁波。其振动物理量有两个，分别是电场强度和磁场强度。它们振动方向垂直，频率相同，相位也相同。

由于视觉主要依赖于电场强度，因此电场强度也被称之为光矢量。人眼看到的光的强度 与光矢量的振幅之间满足正比关系 。

自然界中天然的发光物体，即普通光源，包含大量的原子。当原子发生能级跃迁——从高能级回到低能级，它在这一瞬间发出一段光波，也叫波列。

波列可以看作一段简谐波。之所以它只有一段长，因为原子发光并不是持续的，而是间歇的，原子单次发光持续多久(一般大约为0.01个微秒)，这个波列的长度就是光速乘以这个发光时长。

这有点像一个人张嘴不断发出“啊啊啊啊”的声音，他就发出一个扇形的声波波列，他持续啊多久，波列的长度就是他啊的时长乘以声速。

在原子的发光时间结束的瞬间，波列整体就离开原子向外飞出，有点像一条蜿蜒前进的蛇。

很多时候，人们用一条波形曲线来表示波列，像下面这样，看起来就像一个个波连成的列车（wave train），故得此名。

按照量子理论，原子发出的波列的频率由能级的间隔决定，但对自发辐射来说，波列的相位，行进方向以及光矢量的方向都是随机的。

由于普通光源的原子发光是自发辐射，发出的波列都是随机的，所以普通光源发出的光是由无数个随机波列混合而成的。所以普通光源的发光没有方向性，各种不同的光波以光源为中心向外射出。

讲到这里，我相信你明白了普通光源没法直接干涉的原因了吧！

没错，普通光源发出的光不是某种纯净的波，这些随机的波相遇在一起，只是一种混乱的叠加，并不会在空间形成稳定的强弱相间的光强分布。

很多人对原子发光有一个显著的误解。

他们头脑中的原子发光是这样的：原子的每次发光都是原子为中心，波向四面八方传播，所到之处，电磁振动就传到那里。

这看起来没错吧？好像是这样！

但他们进一步认为：凡是与原子距离相同的空间点，振动同时到达，所以这些点的振动状态完全相同。

而我们知道，振动状态完全相同的点构成的面叫波阵面，也简称波面，而垂直于波面的方向就是波的传播方向，即波线！

因此，很多人认为，原子每次发出的光的波面是一个球面，那么自然的他们就认为原子的每次发光都是沿着四面八方行进的。

如果用圆表示波列的波面，很多人想象的波列的剖面图大概就是下面这个样子。没错，在他们的眼里，这每次发光对应的那个波列是一个三维的球体模样！

但其实，对原子的单次发光来说，它发出的是像上面的那条飞蛇一样的波列，原因很简单，原子的单次发光是有确切的方向的，而不是兼顾四面八方的！

然而，神奇的事情来了，物理学上一个绝世天才发现，从原子发出的每条飞蛇，在行进途中，真的会向四面八方迸发出无数个与自己一样的小蛇！从而形成一个球形的波列！

提出这个绝妙想法的人是荷兰著名物理学家惠更斯(Christiaan Huygens，1629—1695)，而这个神奇的物理原理叫惠更斯原理。

惠更斯原理的意思是：空间中传播的波，在任意时刻经过的每一点，都会形成一个次级球面子波，此后时刻的波面，就是由此刻空间中无数的点的球面子波的包络面。

如下图所示，假设有很多同样的波列并排走，他们的前端每时刻都在一个平面上，这样就形成了一个平面波，如下图中左边所示，由于惠更斯原理，经过 的时间后，该波前移到右边的位置，但形状保持一致——还是平面波。

若假设有很多同样的波列从某点向四周射出，它们除了方向不同，其他的特征完全相同，那么它们的前端每时刻都在一个球面上，这样就形成了一个球面波。如下图中右边所示，根据惠更斯原理，波面也始终保持为球面。

在空旷无物的空间中，惠更斯原理的这种特性能保持波面的形状不变，使光波沿着原来的方向前进。原来是平面波，那就一直是平面波，原来是球面波，那就一直是球面波。

但若碰到障碍物，或者孔洞，惠更斯原理就会导致一个有趣的现象——波面形状变了，光线跟着拐弯了！

为什么会这样呢？

就拿一个开有一个针孔的挡板来说吧，平面波在推进到这个挡板处时，按照惠更斯原理，光就以各点为中心，向四周发出球面子波。但只有在这个细孔处的球面子波才被放行了。

这个球面子波向外扩展的过程中，没有与之同行的其他球面波相伴，所以没有所谓的包络面，也就无法保持原来的平面波，而是在小孔处向右冒出一个球面波了！

当然，如果这个透光的缝比较大，往右扩展的球面波就有很多个，它们沿着缝彼此错开，它们的共同包络面是平面，再加上两端的部分球面，形成一种新奇的波面。

我们还是回到前面那种情况，假设一个波列在途中碰到了一个挡板，它穿过了挡板上的一个无限小的孔。

神奇的事情发生了！这个波列本来只是水平向右运动，但在穿过小孔时，它像孙悟空一样，掏出一根毫毛一吹，顿时，与自己一模一样的小猴子向四面八方飞出。

这些向四面八方飞出的子波列，具有与母体同样的属性（除了飞行方向有别），它们的最前端以同样的速度向外推进，形成一个球面。

没错，经过障碍物的无限小的孔后，一个波列蜕变成了一个球面波！虽然它本来是来自于发光的那个原子，但现在它看起来就像是在这个小孔处迸发而生的。

换句话说，小孔具有复制波列的作用，所以导致了一个由无数个完全相同的波列构成的球面波！这就是惠更斯原理的神奇作用！

这个球面波它就像一个内径和外径不断增大的球壳，在其内部，波沿径向不断滚动，形成一番波涛翻滚的景象！

假设你沿着它的赤道切出一个面，得到一个中空的圆盘，再沿圆盘的径向切出一个薄片，你将得到沿该方向的一个球面波的切片，它像下面这个样子。

这个波列切片具有与整个波列相同的属性——振动方向和频率。另外，切片上面的某个点，只要与整个波列上某些点在同一个波阵面上，则必然具有同样的相位！

如果球面波已经飞离原子很远，它的内径和外径已经非常大了，波列的前端和后端的球面几乎可看作是平面，它的局部就像下面这样，同步振动的点都落在一条条的直线上，这就是平面波。

现在我们可以进入文章标题中的第二个部分了——普通光源是如何形成干涉的？

在1801年，横空出世的托马斯·杨（Thomas Young，1773~1829）利用普通光源实现了光的干涉，成就了物理学史上那个伟大的“光的双缝干涉实验”。

他是如何实现的呢？

普通光源每时刻发出无数个不同的波列，每个波列发出后，都在沿着它的行进方向飞行。

如果观察者在光源前方某个很小的一点A上看，因为只有到达这个点A的光才能被观察到，但由于光源有比较大的尺寸，所以，到达点A的光应该具有各种不同的方向。

如果在光源前面放一个小孔，只有通过小孔的光才能达到人的眼睛了。

你可能会问：小孔看起来不可能无限小，但那些波列排成的光线是无限细的，那么从小孔中出来的光其实有无数条？

没错，完成正确！

你甚至还会认为：人观察的那个点其实也不是无限小，到达那里的光波其实也很多？

当然是这样。

但只要尽可能地控制小孔，让它足够小，经过的光波的种类就会尽可能地少。而在观察位置，如果不是人眼直接观察，而是光投射到屏幕上，我们就可用非常细致的刻度线把你要关心的位置标出来，精确的把光达到的位置限制起来。

上面这些方法能尽量减少抵达目标点的光波的种类。

当然你知道，无论如何，都没法只剩下一种光波的！那就假设还有1000种？如果你嫌不够，那就10000种？都可以的。

为什么这样也行？

因为你记得吗？不同的光波之间没有干涉，因为它们不具备干涉条件，所以它们多了多少，都是无关痛痒的！

我们现在想办法，让这些光波中的每一个的自身与自身干涉就行了！

什么？与自己干涉？

既然自然光中的每一条都各不相同，想办法让光波自己与自己叠加，这才是普通光源唯一可行的干涉途径啊！

可是，自己与自己叠加？

这听起来似乎是荒谬的，一个光波利转瞬即逝，如何能做到呢？

回想下前面刚刚讲到的惠更斯原理，只要碰到一个小孔，孙猴子就会复制无数个小猴子，也就是光波会自动复制自己，这就不提供了机会吗？

是的！托马斯·杨就是这么做的——

他首先利用一个开有一条小缝的挡板放在光源前面，如上图所示。

当光线穿过这个缝隙时，光线中每个依次经过的波列，按照惠更斯原理的机制，都会形成一个个向右方扩展的球面波，而这每个球面波的每个径向都舞动着一条完全相同的小蛇——它们具有相同的频率和相位。

注意这里的一个细节，球面波不止一个，有很多个，因为一条光线过来时，有无数个波列，每个都会形成一个球面波。对每个球面波来说，它沿不同径向的部分都是相同的，它们构成一个球形的波列！

接着，托马斯·杨在挡板后放一个开有两条细缝的挡板，两条细缝的中心与前面挡板的缝隙对齐。

根据惠更斯原理，前面的缝隙产生的球面波扩散到后面挡板上的缝隙处时，又会再次发生波列的自我复制，产生两个新的球面波列，它们具有相同的特征。

如上图所示，第二个挡板处的两个缝隙处，球面波列源源不断地产生和扩散，但只要它们源于前面挡板缝隙的同一个波列，它们必然具有相同的特征，它们是相干性的！

对于屏幕上的某点来说，它同时接收到的波列是有很多很多的，但只要这个点到第二个挡板的两条缝隙之间的距离相差不太大，来自两个缝隙的相干波列就有机会在此相遇。

到此你大概明白了，屏幕上某点其实接受了很多不同的波列，但它们基本上是成对的，每一对彼此之间都是相干的，虽然不同的波列没法都相干，但每个波列都会碰到一个相干的对象，他俩都来源于同一个母体复制而来！

你可能会说，干涉不是要求相遇的点，波都是相干的才行吗？

其实，在激光出现之前，只有机械波才能达到这种要求，因为机械波很好控制。对于普通光源来说，不可能做到这一点。

但你可能会有个疑问，那些不相干的波列相遇，会有影响吗？会导致那些相干的波列之间的干涉图样变得模糊吗？

答案是：不会！反而会使之更加清晰！

为什么？

打个比方，有10对夫妻在一起干农活，每对夫妻合作一起做事，但不同夫妇之间没有任何合作。假设不同日期，每对夫妇的配合程度都一样好或一样差。

那么很显然，不同的日期，整体配合情况与单对夫妇之间的合作情况一样好或差。即使再有10对夫妻加入，也不会改变合作情况与日期之间的对应关系。

就光波叠加来说，因为屏幕上确定的点，对所有的相干波列来说，它们的初相位本来就一样，相遇时的相位差只与该点到两个缝的距离差有关，所以，它们叠加时的情况都是一样的！

既然每一对光波波列在屏幕上某点的叠加情况一样，例如是某个亮度A，若亮度A代表干涉加强的那种高亮，那它的若干倍也自然也是最亮的；而若亮度A代表干涉相消的那种至暗，那若干个黑暗加起来还是最暗的。

所以，相干的波列干涉后，再相互之间加在一起时，亮度的分布还是一样的，只是每个地方的亮度相对来说变大了而已，看起来更亮，也就是更清晰！

到此为止，全部问题都解释完了，你明白了吗？

来源：物含妙理（作者：薛德堡）