分辨率是指,分辨從不同角度射來的光的能力，所以望遠鏡的分辨率其實是角分辨率。假如我們在地球觀測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, 因為人眼角分辨率不足，但用合適的望遠鏡你可以觀測到兩個物體。簡而言之，分辨率就是小視場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。

過去的學(xué)者已經(jīng)總結(jié)了這個分離角以及觀測時的光的波長還有望遠鏡直徑之間的關(guān)系，可以用一條簡單公式來描述這種關(guān)系：

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

明白了這個理論，我們再來看看它的實際應(yīng)用：接下來會比較幾個星體在不同望遠鏡下的觀測結(jié)果。第一臺是1000mm直徑的小觀測站的望遠鏡，然后 200mm直徑的業(yè)余愛好望遠鏡，第三個是24mm微型望遠鏡。它們都會看向距離2角秒的足夠遠的兩個星體，1000mm望遠鏡下看起來就是兩個小點，200mm望遠鏡也差不多，但是點變大了不少，最后24mm望遠鏡只能觀測到一個模糊的大白點，根本沒法看出來這其實是兩顆星星。

觀測太陽系中不同星球的表面也會受到同樣的影響。比如，24mm微型望遠鏡下觀測木星，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鏡只能看到一團糊。如果不是知道土星有環(huán)，你大概還在猜測它到底是什么形狀。總結(jié)一下, 對于望遠鏡來說，直徑確實重要，大望遠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鏡好的多。

為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？一個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)象的那個原理。惠更斯原理指出，對于波的傳播，波面上的每一點都是新的次級波面的波源。但惠更斯原理只描述了波的行為，卻完全沒有說明為什么會這樣。

如果真的想明白根本原因，還得看能量交換。仔細回想一下波出現(xiàn)的場景，你會發(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。比如說經(jīng)典的單擺模型，它做簡諧運動來源于它的動能和勢能之間來回的轉(zhuǎn)換。對于水面上的波也一樣，可以用動能產(chǎn)生水波，這個動能會和表面張力進行來回的轉(zhuǎn)換，這個過程發(fā)生在水面的每一個點上。

動能和表面張力的天然特性表明，如果沒有物理邊界，我們就困不住波。的確，在一個通道中我們可以創(chuàng)造平直向前的波面，但是邊界一旦消失，能量就會向波面以外的地方傳播，因為表面張力會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點會創(chuàng)造新的波，而是波面上每個點都會向它的臨近處傳播能量。

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

現(xiàn)在，詹姆斯·韋布望遠鏡成為了科學(xué)界焦點。它最大直徑長達6.6m，比哈勃望遠鏡2.4米要大的多。但是有一點不同，韋布望遠鏡是分塊的，每塊之間的間隔比光的波長要大的多。剛開始我很擔(dān)心這些間隔，因為每個間隔都會讓能量向錯誤方向傳播，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，這讓韋布望遠鏡的分辨率變成了哈勃的2.7倍。

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

審核編輯：劉清