分辨率是指,分辨從不同角度射來(lái)的光的能力，所以望遠(yuǎn)鏡的分辨率其實(shí)是角分辨率。假如我們?cè)诘厍蛴^測(cè)天空中相近的兩顆星星，如果用肉眼觀察，也許只能看到一顆星星, 因?yàn)槿搜劢欠直媛什蛔?，但用合適的望遠(yuǎn)鏡你可以觀測(cè)到兩個(gè)物體。簡(jiǎn)而言之，分辨率就是小視場(chǎng)角下分辨物體的能力，能觀察到的分離角越小, 分辨率也就越高。

過(guò)去的學(xué)者已經(jīng)總結(jié)了這個(gè)分離角以及觀測(cè)時(shí)的光的波長(zhǎng)還有望遠(yuǎn)鏡直徑之間的關(guān)系，可以用一條簡(jiǎn)單公式來(lái)描述這種關(guān)系：

最小間隔角度 (θ) 等于一個(gè)常數(shù)乘以光的波長(zhǎng), 再除以望遠(yuǎn)鏡直徑。公式中的常數(shù)決定于能接受兩個(gè)物體之間光照強(qiáng)度下降多少，一個(gè)廣為接受的標(biāo)準(zhǔn)是瑞利極限。這個(gè)極限下，強(qiáng)度衰減約為26%。如果采用瑞利極限作標(biāo)準(zhǔn), 常數(shù)K就等于1.22。我們嘗試進(jìn)行一個(gè)計(jì)算，如果望遠(yuǎn)鏡直徑 200mm，而且觀測(cè)的是可見(jiàn)光譜, 波長(zhǎng)就大概是0.5 μm，那么分離角大概是 3x10^-6 弧度，這真的非常小。

明白了這個(gè)理論，我們?cè)賮?lái)看看它的實(shí)際應(yīng)用：接下來(lái)會(huì)比較幾個(gè)星體在不同望遠(yuǎn)鏡下的觀測(cè)結(jié)果。第一臺(tái)是1000mm直徑的小觀測(cè)站的望遠(yuǎn)鏡，然后 200mm直徑的業(yè)余愛(ài)好望遠(yuǎn)鏡，第三個(gè)是24mm微型望遠(yuǎn)鏡。它們都會(huì)看向距離2角秒的足夠遠(yuǎn)的兩個(gè)星體，1000mm望遠(yuǎn)鏡下看起來(lái)就是兩個(gè)小點(diǎn)，200mm望遠(yuǎn)鏡也差不多，但是點(diǎn)變大了不少，最后24mm望遠(yuǎn)鏡只能觀測(cè)到一個(gè)模糊的大白點(diǎn)，根本沒(méi)法看出來(lái)這其實(shí)是兩顆星星。

觀測(cè)太陽(yáng)系中不同星球的表面也會(huì)受到同樣的影響。比如，24mm微型望遠(yuǎn)鏡下觀測(cè)木星，木星的衛(wèi)星已經(jīng)消失而且木星的大紅斑也不怎么看的清。土星也一樣，不管放大多少倍小望遠(yuǎn)鏡只能看到一團(tuán)糊。如果不是知道土星有環(huán)，你大概還在猜測(cè)它到底是什么形狀。總結(jié)一下, 對(duì)于望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，直徑確實(shí)重要，大望遠(yuǎn)鏡不僅通光量更足能看到暗物體，而且理論上角分辨率比小望遠(yuǎn)鏡好的多。

為什么會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象？一個(gè)通常解釋是光是一種波，以惠更斯-菲涅耳原理傳播，就是解釋衍射現(xiàn)象的那個(gè)原理。惠更斯原理指出，對(duì)于波的傳播，波面上的每一點(diǎn)都是新的次級(jí)波面的波源。但惠更斯原理只描述了波的行為，卻完全沒(méi)有說(shuō)明為什么會(huì)這樣。

如果真的想明白根本原因，還得看能量交換。仔細(xì)回想一下波出現(xiàn)的場(chǎng)景，你會(huì)發(fā)現(xiàn)總是有連續(xù)完整的從某種形式的能量到另一種形式能量的轉(zhuǎn)移。比如說(shuō)經(jīng)典的單擺模型，它做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)來(lái)源于它的動(dòng)能和勢(shì)能之間來(lái)回的轉(zhuǎn)換。對(duì)于水面上的波也一樣，可以用動(dòng)能產(chǎn)生水波，這個(gè)動(dòng)能會(huì)和表面張力進(jìn)行來(lái)回的轉(zhuǎn)換，這個(gè)過(guò)程發(fā)生在水面的每一個(gè)點(diǎn)上。

動(dòng)能和表面張力的天然特性表明，如果沒(méi)有物理邊界，我們就困不住波。的確，在一個(gè)通道中我們可以創(chuàng)造平直向前的波面，但是邊界一旦消失，能量就會(huì)向波面以外的地方傳播，因?yàn)楸砻鎻埩?huì)沿表面向四面八方傳播。本質(zhì)上，惠更斯原理不是指波面的每一個(gè)點(diǎn)會(huì)創(chuàng)造新的波，而是波面上每個(gè)點(diǎn)都會(huì)向它的臨近處傳播能量。

現(xiàn)在，如果我們用0.3mm直徑的顯微鏡做個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)圖像邊緣有一圈圈漣漪，這是衍射所造成的。所有這些漣漪都會(huì)造成焦平面上清晰度的下降。

現(xiàn)在，詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡成為了科學(xué)界焦點(diǎn)。它最大直徑長(zhǎng)達(dá)6.6m，比哈勃望遠(yuǎn)鏡2.4米要大的多。但是有一點(diǎn)不同，韋布望遠(yuǎn)鏡是分塊的，每塊之間的間隔比光的波長(zhǎng)要大的多。剛開(kāi)始我很擔(dān)心這些間隔，因?yàn)槊總€(gè)間隔都會(huì)讓能量向錯(cuò)誤方向傳播，在波面上造成漣漪。但使用一些干涉特技, 很明顯可以繞過(guò)這種現(xiàn)象，讓分辨率仍然只決定于直徑的總大小。綜上，這讓韋布望遠(yuǎn)鏡的分辨率變成了哈勃的2.7倍。

韋伯望遠(yuǎn)鏡分辨率的主要挑戰(zhàn)其實(shí)還是在于它的目標(biāo)光譜。再看一下上面分辨率的公式，波長(zhǎng)也很重要。韋布望遠(yuǎn)鏡將會(huì)觀測(cè)紅外光譜，也就是比可見(jiàn)光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光。由于宇宙膨脹，要想看得更遠(yuǎn)，所使用的波長(zhǎng)就會(huì)越長(zhǎng)。而根據(jù)公式，這會(huì)造成分辨率下降。

審核編輯：劉清