千年之光

王杰婷

2012年10月28日，颶風(fēng)桑迪（Hurricane Sandy）橫掃了美國(guó)東海岸，使美國(guó)東部地區(qū)出現(xiàn)了狂風(fēng)暴雨、暴雪及洪水等災(zāi)害。曼哈頓下城的夜晚也由于災(zāi)害的到來(lái)而陷入寂靜。街燈和交通信號(hào)燈全部熄滅，公共區(qū)域一片黑暗。只有少量汽車(chē)燈光給空蕩的街道帶來(lái)了片刻的閃爍。公寓中，人們點(diǎn)起蠟燭，圍坐一團(tuán)，想起人們習(xí)以為常的燈火通明的情境，這才意識(shí)到燈光的存在并不是那么理所當(dāng)然。

視力矯正眼鏡，用X光檢查骨·狀況，衛(wèi)星對(duì)地球的環(huán)境觀測(cè)……人們?cè)谙硎苓@些發(fā)明的同時(shí)或許沒(méi)有意識(shí)到，它們都與光和光學(xué)之間存在密切關(guān)聯(lián)。

受“光”在文化及科技方面扮演的核心角色的啟發(fā)，聯(lián)合國(guó)宣布2015年為“國(guó)際光與光學(xué)技術(shù)國(guó)際年”（International Year of Light and Light-based Technologies，即IYL2015）。聯(lián)合國(guó)希望提高人們對(duì)光及光學(xué)技術(shù)在我們生活、社會(huì)發(fā)展及人類(lèi)未來(lái)中的重要性的認(rèn)識(shí)。而“國(guó)際光與光學(xué)技術(shù)國(guó)際年”的設(shè)立，也正是因?yàn)?015年是許多光學(xué)重要里程碑的周年紀(jì)念。

光，一千年來(lái)它究竟是如何影響人類(lèi)的呢？

1000年前1015年，被后人譽(yù)為“光學(xué)之父”的阿拉伯學(xué)者伊本·海賽姆著寫(xiě)了五卷本光學(xué)著作。他的著作影響了一批科學(xué)家，如開(kāi)普勒和牛頓。

200年前 菲涅爾曾是法國(guó)的一名土木工程師，后來(lái)他對(duì)光學(xué)產(chǎn)生了興趣，1815年起他提出了光波的概念等理論，他的研究成果，標(biāo)志著光學(xué)進(jìn)入了一個(gè)彈性以太光學(xué)的新時(shí)期。

150年前1865年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，解釋了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系。麥克斯韋電磁學(xué)理論被認(rèn)為是電氣時(shí)代的奠基石。

110年前 1905年，猶太裔物理學(xué)家愛(ài)因斯坦正確地解釋了物理學(xué)家赫茲的光電效應(yīng)。愛(ài)因斯坦的理論在當(dāng)時(shí)遭到學(xué)術(shù)界的非議，但它卻最終推動(dòng)了量子力學(xué)的誕生。

100年前 1915年，愛(ài)因斯坦創(chuàng)立廣義相對(duì)論，他通過(guò)廣義相對(duì)論將光列為宇宙學(xué)的內(nèi)在要素，光是構(gòu)成宇宙的基本要素之一。

50年前 1965年，華裔物理學(xué)家高錕預(yù)言，只要能設(shè)法降低玻璃纖維的雜質(zhì)，就有可能實(shí)現(xiàn)光纖通信。如今，光纖通信已經(jīng)成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一。

相干性

從17世紀(jì)起，人們逐步認(rèn)識(shí)到光的波動(dòng)性（即相干性，是指為了產(chǎn)生顯著的干涉現(xiàn)象，波所需具備的性質(zhì)）。到19世紀(jì)初，研究者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象，確證了光是電磁波。到了19世紀(jì)中后期，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋建立起了完整的電磁理論，人們對(duì)光的相干性已經(jīng)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，初步的波動(dòng)光學(xué)體系己經(jīng)形成，許多基本的理論和實(shí)驗(yàn)方面的問(wèn)題都已解決。

雖然科學(xué)家們對(duì)于光的相干性的研究有很多，但由于那時(shí)候還沒(méi)有設(shè)立諾貝爾獎(jiǎng)，因此，諾貝爾獎(jiǎng)中因光的相干性研究而獲獎(jiǎng)的研究相對(duì)較少。

1901年，諾貝爾獎(jiǎng)剛剛設(shè)立，第一項(xiàng)物理學(xué)獎(jiǎng)的頒發(fā)就是關(guān)于X射線的發(fā)現(xiàn)。

德國(guó)物理學(xué)家倫琴，因發(fā)現(xiàn)X射線而獲得1901年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。X射線可用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域，也可以用來(lái)分析晶體結(jié)構(gòu)。

德國(guó)物理學(xué)家勞厄，因發(fā)現(xiàn)X射線在晶體中的衍射而獲得了1914年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。晶體的X射線衍射的發(fā)現(xiàn)，令人們可以通過(guò)觀察衍射花紋研究晶體的微觀結(jié)構(gòu)，并且對(duì)生物學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)的發(fā)展都起到了巨大的推動(dòng)作用。

英國(guó)物理學(xué)家布拉格，因使用X射線衍射研究晶體結(jié)構(gòu)方面所做出的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)而獲1915年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。通過(guò)晶體的X射線衍射花樣，與晶體原子排布之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以精確測(cè)定晶體中原子的空間分布。

英國(guó)物理學(xué)家巴克拉獲得了1917年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)是為了表彰他發(fā)現(xiàn)了標(biāo)識(shí)倫琴輻射。

荷蘭物理學(xué)家澤尼克，因論證相襯法，特別是發(fā)明了相襯顯微鏡而獲1953年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。相襯法是最早的光學(xué)信息處理方法之一，在光學(xué)的發(fā)展史上具有重要意義。

匈牙利裔物理學(xué)家蓋伯，因發(fā)明全息術(shù)而獲1971年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。全息術(shù)是利用光的干涉和衍射原理，將攜帶物體信息的光波以干涉圖的形式記錄下來(lái)，并在一定條件下再現(xiàn)，形成原物體逼真的立體像。全息術(shù)在干涉計(jì)量、信息存儲(chǔ)、軍事、藝術(shù)等領(lǐng)域，均得到應(yīng)用。

20世紀(jì)下半葉開(kāi)始，光的相干性與量子性的研究有了密切的結(jié)合。

量子性

有關(guān)光的量子性的研究發(fā)展迅速，所獲得的諾貝爾獎(jiǎng)較多，隨著理論和實(shí)踐的并行發(fā)展，人類(lèi)對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)也在逐步深入。19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，人們對(duì)黑體輻射、原子的離散光譜結(jié)構(gòu)以及光電效應(yīng)的困惑，使經(jīng)典物理學(xué)遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

為了解決上述問(wèn)題，20世紀(jì)前期的物理學(xué)有了極大的突破：

德國(guó)物理學(xué)家維恩，因發(fā)現(xiàn)熱輻射規(guī)律，獲得1911年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

德國(guó)物理學(xué)家普朗克，因提出能量量子理論而獲得1918年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。量子力學(xué)作為現(xiàn)代物理學(xué)兩大支柱之一，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)、激光等技術(shù)的產(chǎn)生，從而引發(fā)了新一輪的科技革命。

猶太裔物理學(xué)家愛(ài)因斯坦，因闡明了光電效應(yīng)原理而獲1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。利用光電效應(yīng)可制作各類(lèi)光電探測(cè)器，用于各個(gè)領(lǐng)域的信號(hào)檢測(cè)。

丹麥物理學(xué)家玻爾獲得了1922年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，表彰其在研究原子結(jié)構(gòu)，特別是研究從原子出發(fā)的輻射所作的貢獻(xiàn)。

美國(guó)物理學(xué)家康普頓獲得了1927年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，因他發(fā)現(xiàn)了康普頓效應(yīng)。“康普頓效應(yīng)”是發(fā)展量子物理學(xué)的核心。

光的粒子性以及實(shí)物粒子波動(dòng)性的提出，使人們認(rèn)識(shí)到光具有波粒二象性。這段時(shí)期，隨著對(duì)光的相干性認(rèn)識(shí)地不斷完善，人們對(duì)光的量子性表現(xiàn)出越來(lái)越大的興趣。有關(guān)光的量子性的理論促進(jìn)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用的發(fā)展。

美國(guó)物理學(xué)家戴維森和英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫共同獲得了1937年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。原因是，他們用晶體對(duì)電子衍射所做出的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。電子衍射的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了L.V.德布羅意提出的電子具有波動(dòng)性的設(shè)想，構(gòu)成了量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

美國(guó)物理學(xué)家蘭姆，因?qū)湓庸庾V的精確測(cè)量而獲得1955年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。氫原子光譜中蘭姆位移的發(fā)現(xiàn)顯示了氫原子能級(jí)不完全精確符合量子力學(xué)理論計(jì)算的結(jié)果，直接促進(jìn)了量子電動(dòng)力學(xué)的建立。

荷裔物理學(xué)家布羅姆伯根，因激光光譜學(xué)和非線性光學(xué)的研究而獲1981年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在激光出現(xiàn)后，非線性光學(xué)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

總的來(lái)說(shuō)，對(duì)光的量子性的研究使人們對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。同時(shí)還可以看出，相干性是量子性的重要基礎(chǔ)。量子性是人們對(duì)光的本質(zhì)在更高層次上的認(rèn)識(shí)，是光學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果。

至關(guān)重要的激光

激光在光學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用。激光作為一種新型光源，不僅具有亮度高、單色性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且激光本身就是相干性、量子性和非線性的集大成者。激光器是一個(gè)非平衡、非線性的系統(tǒng)，其輻射具有極好的相干性，而有關(guān)激光的很多現(xiàn)象都需要用全量子理論給予解釋。

激光的出現(xiàn)給全息光學(xué)、量子光學(xué)、非線性光學(xué)、激光光譜學(xué)等領(lǐng)域的研究帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。

在第一臺(tái)激光器問(wèn)世后僅4年，美國(guó)物理學(xué)家查爾斯·湯斯、前蘇聯(lián)科學(xué)家尼古拉·巴索夫、前蘇聯(lián)科學(xué)家亞歷山大·普羅霍洛夫三人共同獲得了1964年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，因?yàn)樗麄儚氖铝孔与娮訉W(xué)方面的研究工作使基于微波激射器和激光原理制成的振蕩器和放大器得以出現(xiàn)。時(shí)至今日，激光已在光存儲(chǔ)、通訊、醫(yī)療、加工、測(cè)量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，特別是激光問(wèn)世之后，光學(xué)還與其他科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，相互滲透。如：全息技術(shù)已經(jīng)在顯微技術(shù)、信息存儲(chǔ)、信息編碼、紅外全息等方面得到了廣泛應(yīng)用；在集成電路的啟示下，材料科學(xué)、電子技術(shù)和光學(xué)融合發(fā)展，形成了集成光學(xué)這一邊緣學(xué)科，在光通訊、信息處理等方面起到了很大的作用；光子晶體以及量子信息的研究和發(fā)展將給信息技術(shù)開(kāi)辟一個(gè)嶄新的天地。

正如科學(xué)家們所說(shuō)，光電技術(shù)將會(huì)把人類(lèi)帶入怎樣的境界無(wú)人能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，但是光無(wú)時(shí)無(wú)刻不在陪伴和指引著我們未來(lái)的生活。