光，⼈类对世界的第⼀感知光与技术漫谈
⼈类⽣命诞⽣伊始，睁开双眼，对周遭世界的第⼀感知便是那⼀抹光亮；⽽⼈们的⼯作⽣活也离不开光，还有光学。可见光是光学学科形成并发展的基础，这⼀感知看似平常，但实际上⼈类对光的认知历史却是漫长⽽曲折的。
光不仅给⼈们带来了⽣存所需的物质和能源，同时也是诸多信息的载体。地球上可以让⼈类采集使⽤的能源，⼤多都来⾃于太阳光。煤、⽯油和天然⽓等化⽯能源，这些都是经过数千万年的有机物沉积⽽成；如果没有太阳光，那么有机物就⽆法⽣成，⼜何谈提供能量。同样，有了阳光的温度，地球也不再冰冷，⽔也流动循环起来，有云有⾬，有江河湖海，便有了充沛的⽔能，提供着万物⽣命的源泉。
古代⽂明对光的认知：中国与科学的失之交臂，两河流域的科学体系建⽴
中国作为世界上历史最为悠久的⽂明古国之⼀，我们的历史⽂化遗产已充分展现出历史上中国学者们的智慧与所积累的知识。但遗憾的是，我们缺乏较为系统的科学理论体系。对光来说，亦是如此。
早在春秋末期战国初期（⼤约公元前 476 年-公元前 390 年），墨⼦及其弟⼦所著的《墨经》中，就记载了其发现了⼩孔成像，并指出了光线沿直线⾏进的性质。⽂中具体所述如下：“光之⼈，煦若射。下者之⼈也⾼，⾼者之⼊也下。⾜蔽下光，故成景于上；⾸蔽上光，故成景于下。在远近有端与于光故景库内也。”
这段话理解起来就是：“光线到⼈，⼈体反射回的光就像射出的箭⼀样直线前进。这样，⼈的下半⾝会在屏幕⾼处成像，⽽上半⾝则在屏幕下⽅成像。⼈的影像便是倒转的，这因为来⾃脚的光线，下⾯有⼀部分被遮蔽了；⽽来⾃头的光线，上⾯有⼀部分被遮蔽的缘故。如果恰好光前进的路上或远或近存在⼩孔，可以让光线透过，那么暗匣中就会呈现出明亮的倒转影像。”
京东人工服务24小时作为中国古代思想家、教育家、科学家、军事家，墨⼦被后世尊称为“科圣”，也正是因为他是中国历史上第⼀位在光线直射、光影关系、⼩孔成像、点线⾯体圆概念，乃⾄⼒的作⽤和杠杆原理等众多领域的探索发现。⽽且对光的这⼀发现，远超当时的其他⼈类⽂明，称其为 “⼈类第⼀次明确指出光沿直线传播”也并不为过。
但可惜的是，这些超前的发现并没有成为古代对光学研究的开端，反⽽很快就被历史的尘埃所掩埋。
⽽随着历史车轮的滚滚前⾏，古代学者对⼩孔成像等光学问题，也如车轮般循环往复，没有深⼊地发展研究。诸如唐代的《⾣阳杂俎》，北宋的《梦溪笔谈》都有过重复记载和描述，南宋诗⼈陆游也在《⽼学庵笔记》中写下亲⾝经历。陆游透过天窗和⾛廊⾥的窗户，观察到了颠倒的塔影，但最终也是“未易以理推也”。
小学生名人名言大全对光学现象发现的反复，以及对原理深⼊探究的迟滞不前，⼀直到清末以⾄民初才得到了中国学者的再次重视，重新打开局⾯。在当时，顺应着“诸⼦百家的⼦学复兴”浪潮，墨学才再⼀次步⼊知识界的视野。来⾃英国的近代⽣物化学家、
开局⾯。在当时，顺应着“诸⼦百家的⼦学复兴”浪潮，墨学才再⼀次步⼊知识界的视野。来⾃英国的近代⽣物化学家、科学技术史专家李约瑟，也是《中国科学技术史》的作者就曾感叹：“墨家的科学⽔平，超过了整个古希腊！”
卡其和驼要知道，古希腊可谓是世界上光研究和探索的圣地。希腊哲学家安⽐杜克勒斯应该是第⼀个给出光现象定义“看见东西是因为⼈的眼睛发出光线碰到了物体”的⼈。⽽随后欧⼏⾥得⽤⼏何学和数学，第⼀次⽤直线和三⾓解释了光与视觉的问题。在给出如此感慨之后，他也提出了著名的“李约瑟难题”——“尽管中国古代对⼈类科技发展做出了很多重要贡献，但为什么科学和⼯业⾰命没有在近代的中国发⽣？”这个问题暂且不谈，我们回到⼈类历史上与光有关的“⼤事件”。
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1015 年，也是和北宋时期沈括撰写《梦溪笔谈》⽐较相近的时期，物理学家伊本-海什⽊（Ibn Al-Haytham）发表了光学的开⼭之作，系统且详尽地描述出当时⼈们对“光”与“像”的认识。海什⽊这个名字，或许绝⼤多数⼈都没听过，但他于那些我们熟悉的⼤科学家——开普勒、伽利略、培根和⽜顿等⼈⽽⾔，可谓遐迩闻名。
伊本-海什⽊在公元965 年出⽣于两河流域的美索不达⽶亚平原，也就是现在的伊拉克。他为光学做出了极⼤贡献，尤其在⼏何光学领域。他早期学习⼯程学，⼜阅读希腊科学（据说以欧⼏⾥得笔记为主）的书籍，并学习了关于安达卢西亚学说的精华，并进⼀步发展了该学说。
据传当年他曾声称可以在埃及的尼罗河上建⽴⼤坝，控制河⽔泛滥并解决⼲旱问题。在被埃及哈⾥发邀请前往实地之后，他发现⾃⼰的设想并不能实现，⽽为了避免杀⾝之祸，便开始装疯卖傻，⼀直被软禁⾄1021 年哈⾥发去世。⽽正是在海什⽊软禁期间，他完成了⼤量重要的论⽂。
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海什⽊在1015 年⾸次采⽤了“科学⽅法”，并光的视知觉及⼼理学等领域取得的开创性成果，因⽽被视为“第⼀位科学家”。他创建的“科学⽅法的四段论”在整整千年过去之后，⾄今未有改变。海什⽊既是“光学之⽗”，也是“科学⽅法论之⽗”，他的这两个思想集合成了⼀套共 7 卷的书籍—— 《光学》（Book of Optics）。这套著作显著地改善了光学领域的发展，其以实验证明光线进⼊⼈眼，因⽽产⽣了影像；也发明了暗箱，来说明光线的物理性质。
虽然受到当时社会物质条件等因素的制约，海什⽊等学者都没有更好地科技⼿段来进⼀步洞悉光的本质；但他们依然依靠对光影现象的观察，归纳其中的规律，理解了许多光与像的基本性质。《光学》这套书籍也成为了世界上最古⽼的⾼等院校之⼀，埃及伊斯兰教学府爱资哈尔⼤学（Azhar，al-Jami‘al，建校于公元 972 年）的基础教材，同样已传承使⽤了千年，未有改变。
近代：第⼀次⼯业⾰命后的科学爆发
如今，⼈们总习惯⽤第⼏次“⼯业⾰命”或者“科技⾰命”来形容诸如互联⽹、⼈⼯智能等⼀个时期的新技术将给⼈类社会发展带来怎样⼤的改变。⽽归咎其原因，或许是因为⼈类历史上的第⼀次⼯业⾰命带来的影响实在极为深刻。
第⼀次⼯业⾰命在 18 世纪中后期从英国发起，这场⾰命以⼯作机的诞⽣吹响了伊始的号⾓，⽽以蒸汽机作为动⼒源头的⼴泛使⽤作为标志，开创了以机器代替⼿⼯劳动的时代。技术的⾰命，随之带来
了⼀场对社会关系的⾰命，⼯业资产阶级和⼯业⽆产阶级逐步取代了⽣产效率底下的⾃耕农阶级。与此同时，世界各地之间的联系也被第⼀次⼯业⾰命所加强，改变了世界⾯貌，也是最终确⽴资产阶级对世界统治地位的开端。⽽率先完成了⼯业⾰命的英国，很快就成为了世界霸主。
第⼀次⼯业⾰命的理论基础，正是源于 1687 年⽜顿所著的《⾃然哲学的数学原理》，这本书是⽜顿的科学才华处于巅峰时期所写的旷世巨著，是“个⼈智慧的伟⼤结晶”。⽜顿在书中⽤数学⽅法证明了万有引⼒定律和三⼤运动定律，建⽴起经典⼒学体系，也奠定了⽤数学语⾔来描述宇宙运动的基础。
更为重要的是，⽜顿的发现结束了⼈们被动看待世界的状态，宣告了科学时代的来临，他告诉⼈们⼀个事实：⾃然界存在规律，并且是能够被⼈类所认知的。⽜顿为⼯业⾰命带来了⼀把科技的钥匙，同时也开启了⾃然科学发展的新时代。
于光学领域来说，⽜顿也有着代表性意义。从 17 世纪中期开始，科学家着⼿对光学现象进⾏系统研究，开始了关于“光的本性”的分析，就出现了“微粒说”与“波动说”的争论。其中，主张“波动说”的科学家以惠更斯为代表，还有笛卡尔和胡克等科学家；⽽⽜顿则是主张“微粒说”的代表。也正是在双⽅努⼒地不断论战之下，“光的本质”才逐渐被⼈们所知，并最终认识到了光具有波粒⼆象性。
揭开“光本质”⾯纱的过程实际颇有波折，最先研究这个问题的⼈⼠法国哲学家、物理学家、数学家笛卡⼉，他的观点实则兼具微粒说和波动说两种特征。但随着“微粒说”代表⽜顿的出场，从 17 世纪末开始，光的微粒说在英法等国得到⼴泛认可。因为⽜顿在 17 世纪 70 年代到 80 年代间多次向皇家学会提交光学领域的论⽂，并继承了笛卡尔的微粒观点，系统地提出了光的微粒说。
但在 1672 年，⽜顿在《哲学会报》上发表关于光的微粒说观点的论⽂之后，胡克、卢卡斯、利尼斯等⼈就相继表⽰反对光的微粒说，胡克提出：光以球⾯波的形式快速且⼩振幅地振动，向四⾯⼋⽅传播的。1675 年之后，惠更斯、莱布尼兹、伯努利兄弟等也加⼊了争论。作为“波动说”的代表，惠更斯⾸先发现了双折射和光的偏振现象，并提出了光的波动说和惠更斯原理。他在 1678 年写了《论光》
（Traité de la lumière），宣布了他⽤两年时间发展出的“光的波动理论（严格来说应该是光的脉冲理论）”。
不过，由于早期的波动说缺乏数学基础并不完善，因此以符合⼒学规律的粒⼦⾏为来描述光学现象，在当时被认为是唯⼀合理的科学理论。直到 19 世纪，托马斯·杨和菲涅尔等科学家的研究⼯作才让光的波动说得到复兴。1801 年，托马斯·杨在皇家学会宣布了《关于薄⽚颜⾊》的论⽂，重新肯定了波动说。⽽后，菲涅尔在 1818 年为法国科学院写了⼀篇悬赏征⽂，⽤波动说的观点很好地解释了光的⼲涉，这让波动说在法国开始兴起，也改变了托马斯·杨在英国被科学界舆论压制近⼆⼗年的窘境。
⽽后托马斯·杨在研究数年后提出了光是横波的观点，纠正了⾃惠更斯以来光是纵波的传统见解，进⼀步发展了波动说并建⽴了波动光学的基本理论。菲涅尔则是把托马斯·杨的⼲涉原理和惠更斯的原理⼆者相结合，以数学理论来阐述波动理论，奠定了波动传播的⼀般理论基础，从⽽建⽴了经典波动光学。这也是光学史上的⼜⼀⼤事件。
此外，菲涅尔作为⼀名⼯程师，他在光学仪器的制造领域也颇有⼼得，著名的“菲涅尔透镜”就出⾃他⼿。遗憾的是，菲涅尔在 1827 年便因结核病死于巴黎，年仅 39 岁。因此，他对光学所做的卓越贡献并没有在其有⽣之年得到⼴泛认可，直到菲涅尔去世多年以后，他的⼀些重要论⽂才相继发表，并给现代光学的发展带来了深刻影响。
总⽽⾔之，托马斯·杨和菲涅尔两⼈的研究成果，标志着光学进⼊了⼀个崭新的时期：“弹性以太光学时期”。⽽波动学说的成功，也被爱因斯坦称为“在⽜顿物理学中打开了第⼀道缺⼝”。⽽菲涅尔因其在光学研究上的成就，也被⼈们誉为“物理光学的缔造者”。
光与电的交互：现代物理学的“众神时期”
虽然说第⼀次⼯业⾰命是以⽜顿的经典⼒学体系为理论基础，但实际上许多⾰命性的技术发明都源于普通⼯⼈和技师们的实践经验，可以说科学与技术的⾰新并没有真正意义上的结合。⽽在第⼆次⼯业⾰命期间，⾃然科学的新发展，逐步与⼯业⽣产的联系变得紧密起来，科学在推动⽣产⼒发展⽅⾯发
挥了更为重要的作⽤，因⽽第⼆次⼯业⾰命的发明者多是科学家和⼯程师。
对第⼆次⼯业⾰命，⼈们普遍认为是由电带来的，也称其为“电⽓时代”，为此打下科学基础的则是英国物理学家、化学家迈克尔·法拉第。从⼩家境贫寒的法拉第只读了两年⼩学便因为⽗亲的病倒⽽辍学，1803 年 12 岁的他为了⽣计成为了⼀名报童。做了⼀年报童之后，法拉第去了⼀家书店做学徒，学习装订⼿艺。在书店的⼯作之余，他主动阅读了店⾥的众多书籍，其中既有《哈姆雷特》《李尔王》等莎⼠⽐亚经典⽂学，也包括了《⼤英百科全书》《化学漫谈》等科学名著。这段经历使得法拉第被科学所深深吸引，也激发了他对实验的热情。
功夫不负有⼼⼈，法拉第⼏经波折，终于在 1813 年 3 ⽉，22 岁的他进⼊到皇家学院，成为⼀名助理实验员，正式开始了他的科学研究⽣涯。虽然他的科学⽣涯和成长经历⼀般，并不是⼀帆风顺，但是⾦⼦总归会发光。1831 年，经过多次不同的实验设计，法拉第证实了当磁作⽤⼒的变化时能产⽣电流，进⽽提出了电磁感应定律。同年 10 ⽉，基于⾃⼰的理论研究，他发明了圆盘发电机。这是⼈类第⼀次发明发电机。
蔡文姬技能随后的法拉第步⼊了⾃⼰科学研究成果的爆发期，从1834 年到1845 年，他总结出法拉第电解定律，⼜引⼊了电场与磁场的概念，从⽽打破了⽜顿⼒学“超距作⽤”的传统观念；⽽后，他在1828 年提出电⼒线的新概念，来解释电、磁现象，成为物理学理论的⼜⼀次重⼤突破；1843 年，他⽤著名的“冰桶实验”证明了电荷守恒定律。在不知道经历了多少次失败之后，法拉第终于在1845 年⽤实验证明了光和磁的相互作⽤，发现了“磁光效应”，为电、磁和光的统⼀理论奠定了基础。七年之后，他⼜引⼊磁⼒线概念，为建⽴经典电磁学理论奠定了基础。
看到这⾥，或许有⼈会感到疑惑，为什么讲光学的历史会牵涉电的发展？这是因为光与电⼆者之间有着密切联系，⽽这正和法拉第，以及他⼈的后续研究相关。
正和法拉第，以及他⼈的后续研究相关。
从上⾯对法拉第的介绍可以看出，他已经取得了举世瞩⽬的成绩。但是，或许是因为法拉第⼩时候并没有接受过正统的学术教育，他的数学能⼒相⽐于实验能⼒就显得弱了许多。法拉第⼀直苦于⾃⼰⽆法给出关于电磁理论的精确数学表述，甚⾄觉得⾃⼰此⽣⽆望时，另⼀名伟⼤的科学家出现并握住了他的接⼒棒，这个⼈就是麦克斯韦。
1865 年，英国物理学家麦克斯韦提出了光的电磁波理论，⽤完美的数学公式，即麦克斯韦⽅程组，证明了法拉第的电磁理论猜想。同时，他还指出“光和磁⼒是同⼀种物质的不同状态，⽽且光是⼀种遵从
电磁学定律在电磁场空间传播的扰动。”麦克斯韦还计算了电磁波的传播速度，与当时光学测量的结果⼏近相同。他的发现让所有先前已知的光学定律都可以通过麦克斯韦⽅程组导出，甚⾄许多先前并未发现的事实和关系也可以⽤该⽅程导出，这让⼈类对光本性的认识⼜向前迈出很⼤⼀步。
麦克斯韦在⽣前与菲涅尔⼀样，并没有享受到其对科学做出贡献的应有荣誉。他对电磁波的预⾔在 1888 年被德国物理学家赫兹⽤实验所证实，但可惜的是，麦克斯韦并没有看到这⼀幕。早在九年前（1879 年），麦克斯韦就因病在剑桥去世，年仅 48 岁。⽽那⼀年，恰好爱因斯坦出⽣了。
阿尔伯特·爱因斯坦的降⽣，让现代物理学的精彩篇章得以续写，他的名字和故事可谓家喻户晓。1905 年，物理学史、乃⾄科学史上评价的“爱因斯坦奇迹年”，当时才 26 岁的爱因斯坦还在瑞⼠专利局⼯作，在不到⼀年的时间⾥他写出了 6篇具有划时代意义的论⽂，并先后发表在《物理学杂志》上。
这 6 篇⽂章分别为现代物理学的三个不同领域做出了划时代的伟⼤贡献，可以说创造了科学史上“前⽆古⼈，后也⼏乎不可能有来者”的奇迹。
和光学相关的，是他提出了“光量⼦”概念，成功解释了光电效应实验，并推动了量⼦理论的发展。也正是他的发现，结束了波动说和微粒说的争论，让物理学家们接受了光同时具有波动性和粒⼦性的本质。同年另外的研究则是创⽴了狭义相对论，更是把光速作为不应参考系的选取⽽改变的宇宙终极速度引⼊了物理学，还推导出了著名的质能⽅程 E=mc²。
⼗年之后，爱因斯坦在 1915 年⼜发表了⾄今仍让后⼈⽆限感慨为“奇迹发现”的⼴义相对论，指出了光线在宇宙空间中受到引⼒场作⽤是可以发⽣弯曲的。⼀年后，爱因斯坦预⾔“原⼦和分⼦可以产⽣受激辐射”，他指出，如果能让受激辐射继续去激发其他粒⼦，进⽽造成类似雪崩⼀样的连锁反应来放⼤效果，最后就能得到单⾊性极强的辐射，也就是激光。⽽这也为现代光学的发展奠定了理论基础。
爱因斯坦的种种成就让后⼈始终觉得如同⾯前有⼀座物理学的珠穆朗玛峰，甚⾄有⼈并⾮开玩笑地去猜想他是否是从后世穿越回来的。但⼈类对光的认识仍在继续，⽬光也延伸⾄⼴袤⽽神秘的宇宙。这就涉及了“⼤爆炸宇宙论”（The BigBang Theory），它是现代宇宙学中最有影响⼒的⼀种学说，基于该理论原初的光⼦会在宇宙年龄约 38 万年时退耦，从⽽产⽣微波背景辐射弥漫于宇宙的全空间中。
1965 年，两位美国天⽂学家，当时在贝尔实验室⼯作的阿尔诺·艾伦·彭齐亚斯和罗伯特·伍德罗·威尔
逊宣布测量到了宇宙的背景光⼦。他们使⽤了号⾓式的⾼灵敏度天线系统，以噪声的形式完成了⼈类和“宇宙背景辐射”第⼀次亲密接触。当时这个发现只在《天体物理学》杂志上占据了不⾜ 940 个单词的篇幅，却让⼆⼈分享了 1978 年的诺贝尔物理学奖。
同年还发⽣了另外⼀个重⼤科学事件，华裔科学家⾼锟在光导纤维通信领域取得了⾰命性突破。他基于⽆数次实验提出了⽤光代替电流，⽤玻璃纤维代替导线的设想；仅过了⼀年，美国康宁公司在 1970 年便实际验证了该想法，正式推开了光纤通信新时代的⼤门。如今，全球的光缆早已超过 10 亿公⾥，它们让互联⽹得以⽤闪电般的速度传递各种信息，加快了⼈们⼯作⽣活的节奏。
现在与未来
光学进⼊现代也发⽣在20 世纪60 年代，得益于激光的出现，⼤批光学⽅向的新成果不断涌现，并派⽣出⼀系列新分⽀，也因⽽得到了多领域的实际应⽤。这些之后的⽂章会陆续介绍。
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