光学发展与社会进步-光的认知历程
光学发展与社会进步-光的认知历程
杨宏李洪云龚旗煌
北京⼤学物理系
⼈⼯微结构和介观物理国家重点实验室
⼈从降⽣开始，光就伴随其⼀⽣。宇宙的发展与光的发展紧密联系在⼀起。光学的发展过程是⼈类认识客观世界进程中的⼀个重要组成部分，是不断揭露⽭盾和解决⽭盾，逐渐从不确切认知⾛向确切认知的过程。
光学⽆处不在，太阳能的利⽤，蓝光的发光，激光的焊接和切割，电影的放映，光纤通信，光合作⽤，X光的应⽤和显微镜的应⽤等等。光学仪器已在⼈们⽇常⽣活中起着⽆可替代的作⽤。列举⼀个最熟悉的例⼦，我们每天都在使⽤的⼿机就使⽤了三⼗多项光学的技术：光学玻璃、激光切割光滑的玻璃表⾯、激光打标、OLED 和液晶显⽰、挡光版、背光照明、实现彩⾊的偏振⽚和滤光⽚、增加清晰度的增透膜、照相的镜头、成像的CCD、芯⽚的制造、光刻技术的应⽤、通过光纤进⾏信息的传输、蓝⽛⽆线红外通信、光纤传感和投影等。
光学研究对⾃然科学的发展起到了⾮常⼤的促进作⽤。回看历史，第⼀个诺贝尔物理学奖授予了伦琴，
伦琴发现了X射线，揭开了20 世纪物理学的⾰命序幕，促进了现代物理学的诞⽣。2002年诺贝尔物理学奖仍然与X射线相关，授予了对天体物理有开创性贡献的宇宙X射线源的发现，打开了宇宙新窗⼝。
进⼊21世纪，多项诺贝尔奖授予了光学领域，2017年的诺贝尔物理学奖授予了引⼒波的探测研究，表彰获奖者们构思和设计了⼲涉仪引⼒波天⽂台，验证了爱因斯坦的百年预⾔，为⼈类探索宇宙配上了“⽿朵”。2014年的诺贝尔物理学奖授予了半导体照明研究，蓝⾊发光⼆极管的发明使⽩光可以以新的⽅式被创造出来，⼈类可以拥有更加持久和⾼效的灯光替代光源，这也是与光学紧密相关的。
2014年诺贝尔化学奖同样授予了光学研究领域，因光学显微成像技术的最⾼分辨率⼀直⽆法超过光波波长的⼀半，被认为是光学显微镜理论上的分辨率极限，⽽获奖者们却将超分辨荧光显微技术的极限拓展到了纳⽶量级，⼀百多年没有⼈能够突破的极限被三位科学家成功地绕过，使得透视⽣命体分⼦的运动成为可能。
2009年，诺贝尔物理学奖被授予英国华裔科学家⾼锟及美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯。⾼锟在“有关光在纤维中的传输以⽤于光学通信⽅⾯”取得了突破性成就。博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件—电荷耦合器件(CCD)图像传感器，光纤通讯及CCD成像技术都与我们的⽇常⽣活息息相关。
光学是物理学中古⽼的学科，⼜是当前科学研究中最活跃的学科之⼀，推动着⼈类对⾃然的认知和⼈类社会的进步。
联合国教科⽂组织宣布2015年为“光和光基技术国际年”(简称国际光年)，以纪念千年⼈类在光领域的重⼤发现。光科学及其应⽤带来了直接改变⼈类活动的⾰命性的技术，但是，这些重要的技术进步却常常未能吸引⼈们的关注。国际光年是推进光和光基技术进步、深化国际光学领域合作、促进光学学术交流、普及光学民众教育的⼀次重要契机，成为在国际光学⼯程领域产⽣⼴泛深远影响的⼀年。
2018年5⽉16⽇，确定每年的这⼀天为国际光⽇，以纪念1961年这⼀天的红宝⽯激光诞⽣。光⽇的四⼤理念在于：1. 光在⼈类活动最基本的层⾯发挥了最核⼼的作⽤。光是⽣命本⾝的起源，⽐如光合作⽤，没有光合作⽤⼈类将⽆法⽣存。
2. 以光为基础的⼯业是主要经济驱动⼒，光的许多应⽤通过医学、通信、娱乐和⽂化彻底改变了社会。例如，光基技术通讯提供信息促进可持续发展，提⾼社会健康和福祉，直接影响⼈类的需求。
3. 以光为基础的技术越来越多的为全球挑战提供解决⽅案，包括太阳能利⽤，特别是能源、教育、农业和公共卫⽣等领域，应⽤光基技术改善发展中国家的⽣活质量是实现可持续发展重要⽬标的关键。
4. 随着光成为21世纪科学与⼯程交叉的关键学科，全世界已经充分认识到光学研究的重要性，以及光基技术对全球发展的重要性。同样重要的是，最聪明的年轻⼈继续被这个领域的科学和⼯程事业所吸引。
光的认知历程
光的认知历程
光的认知过程可简单划分为两个阶段，17世纪以前的直观体验阶段和17世纪以后的科学认知阶段。
中国⼈在直观体验的感性认知上是很有创造⼒的。公元前400 年，墨⼦⽤很美的词句来描述了光的直线传播和⼩孔成像，这是最早的⼩孔成像技术记载。“景，光之⼈，煦若射，下者之⼈也⾼；⾼者之⼈也下，⾜蔽下光，故成景于上，⾸蔽上光，故成景于下……”。指出了⼩孔成倒像的根本原因是光的“煦若射”，以“射”来⽐喻光线径直向、疾速似箭远的特征。西汉时期记载，我们的祖先将冰削成球状，对着太阳，在太阳的“影⼦”位置点燃艾草⽣⽕。这是世界上最早的光的聚焦和对太阳能利⽤的范例。
公元500年左右，唐朝记载光是有颜⾊的，且颜⾊是光照到⾬滴上产⽣，是光的本质⽽不是⾬滴的性质。古⼈很早就提出了这个概念，但很遗憾并没有进⼀步从数学⾓度对这些光学现象进⾏描述，进⼊17 世纪我国在光学领域的发展与世界⽔平逐渐有了差距。
17世纪光学在欧洲诞⽣了，欧洲成为了当时光学研究的前沿阵地。⼏何光学和波动光学，从数学和科学的⾓度描述了光。⼏何光学阐述了光的直线传播、反射、折射等，波动光学阐述了光是⼀种电磁波，光学研究进⼊了科学认知的历程。科学认知即光的科学，需要了解光的本性是什么、光是怎么产⽣的、怎么传播的，以及与物质的相互作⽤，甚⾄通过物质的相互作⽤怎么去调控光，这些也正是光科学研究主要内容。
⼏何光学是光学发展史上的转折点，在这个时期建⽴了光的反射定律和折射定律，奠定了⼏何光学的基础。其中最重要的是光的折射定律，折射率决定了光的传播和光的相互作⽤，是光学研究中最基本的数值，介电常数与极化率等都是与折射率紧密关联的常数。折射定律的出现和应⽤奠定了光纤通讯的基础。折射定律在⼈类⽣活中也经常被发现，⽐如海市蜃楼的现象。
当光线在同⼀密度的均匀介质内传播时，光的速度不变并且以直线⽅向前进。可是当光线倾斜地由⼀个介质进⼊另⼀密度不同的介质时，光的速度就会发⽣改变，⾏进的⽅向也发⽣曲折，这是因为折射率的不同决定了光的传播的⾓度不同。假如在地平线下有⼀艘轮船，⼀般情况下是看不到它的。如果在冰冷的海⾯上，下层空⽓温度低、密度⼤，上层空⽓温度⾼、密度⼩。由于这时空⽓下密上稀的差异较⼤，来⾃船舶的光线先由密的⽓层逐渐折射进⼊稀的⽓层，由于折射率的连续变化，光线发⽣弯曲，⼜折回到下层密的⽓层中来，最后投⼊我们的眼中，就能看到轮船的像，即海市蜃楼的显现。在沙漠⾥看到虚幻的树⽊⽔源，也是同样的原理。
诺贝尔奖 中国利⽤折射定律可以解释⽣活中很多的科学问题和应⽤问题。我们在科研实验中诞⽣的⼤的光学仪器也离不开折射原理的应⽤，照相机，望远镜等接连出现。随着透镜的发展，更进⼀步促进了⼏何光学的发展。透镜与物体之间的距离改变时成像会有不同，透镜的组合还会增加放⼤倍率，从⽽实现了显微镜放⼤成像，⼈们可以看清楚微⼩的物体，这些对⼈类社会发展的影响⾮常⼤。
17世纪下半叶，⽜顿和惠更斯等把光的研究引向进⼀步发展的道路。1672年⽜顿完成了著名的三棱镜⾊散试验，经过三棱镜的太阳光可分出五颜六⾊的光，这是最早的波长的概念。但是，⽜顿却认为光是粒⼦性的。⽜顿的微粒流的假设则难以解释光在绕过障碍物之后所发⽣的衍射现象。惠更斯反对光的微粒说，认为光是波动的。光向外传播类似于将⽯头掷于⽔中，波向外传播，每⼀点都是⼀个源，再次向外传播。这与光是粒⼦的，类似于打⼦弹，是⼀个粒⼦⼀个粒⼦的向前传播的学说相⽭盾。惠更斯运⽤他波动理论中的次波原理，不仅成功地解释了反射和折射定律，还解释了⽅解⽯的双折射现象。这个时期也可以说是⼏何光学向波动光学过渡的时期，是⼈们对光的认识逐步深化的时期。
1801年，杨⽒⼲涉实验证明了光的波动性。托马斯·杨把⼀⽀蜡烛放在⼀张开了⼀个⼩孔的纸前⾯，这样就形成了⼀个点光源。在带孔的纸后⾯再放⼀张纸，将第⼆张纸开出两道平⾏的狭缝。从⼩孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，到达不同位置时位相不同，叠加后出现强度的增强或减弱，会形成⼀系列明、暗交替的条纹，这就是著名的双缝⼲涉条纹。虽然这⼀实验充分证明了光具有波动性，但是光的波动理论仍然不被⼈们认可，光的波动性⼀直处于争论之中。
当时欧洲科学中⼼，法国科学院提出了⼀个著名的题⽬—泊松亮斑，菲涅尔成功地利⽤这⼀题⽬证明了光的波动性。菲涅尔将屏孔的尺⼨改变成与波长量级相当的⼤⼩，实验中发现屏幕上出现了⼲涉条纹，中间出现了亮斑，证明了光的波动性。
光的波动性被认可后，促进了电磁学的快速发展。麦克斯韦⽅程是现代电磁学的基础，⽽光的所有性质都可以⽤麦克斯韦⽅程来解释，“光也是⼀种电磁波”这⼀观点逐渐被⼤家认可。从⽆线电波到伽马射线都是电磁波，光只是其中很⼩的⼀部分，⽽可见光400~600 nm 的波段是更⼩的⼀部分，但却是⼈们最感兴趣的波段。光的波动理论更是促进了光谱仪、⼲涉仪、传感器、镀膜光学器件等的出现。
19世纪末，经典物理的⼤厦已经建成。汤姆逊在新年祝词中讲到，经典物理中只剩下“两朵⿊云”，其中⼀朵与光学紧密相关，即波动理论的困惑。⽤波动理论计算⿊体辐射会⽆限⼤的增强—瑞利⾦斯曲线，与实际测量不符，即紫外灾难。
相关，即波动理论的困惑。⽤波动理论计算⿊体辐射会⽆限⼤的增强—瑞利⾦斯曲线，与实际测量不符，即紫外灾难。为了解释这个难题，数学家普朗克从物质的分⼦结构中借⽤不连续的概念，提出了量⼦论。他认为光具有量⼦化特性，能量是⼀份⼀份的，并不是连续的，即光是粒⼦的，这可以很好地解释紫外灾难。
爱因斯坦提出光量⼦学说，⽤光电效应证明了光的粒⼦性，并获得诺贝尔物理学奖。这标志着光科学的研究进⼊了量⼦光学时期。⽽另⼀个促进量⼦⼒学诞⽣的重要研究是对“太阳⿊线”的研究。应⽤光谱仪测量阳光照射的谱线中总是有⼏条稳定存在的谱线，起初⼈们⽆法判定⿊⾊谱线的来源，后确定为太阳光到达地球的过程中吸收了⼤⽓中的某些元素，于是在太阳光谱中就没有这些频率的光波，形成
了暗线。但吸收线为单线，为了解释此现象，波尔提出了原⼦构造学说，认为原⼦由原⼦核和核外电⼦组成，电⼦存在不同的能级，吸收光⼦后电⼦从下能级跃迁⾄上能级将光⼦能量吸收，由此提出了原⼦结构和能量不连续性，解释了太阳⿊线现象，量⼦⼒学由此诞⽣。
我们可以看到，光学在量⼦⼒学的建⽴过程中做出了重要的贡献。光⼦概念的提出、光电效应的发现、紫外灾难的解释、光谱暗线的解释，以及能级的概念提出等，这些研究奠定了当代量⼦物理学的框架，⽽量⼦物理学的发展⼜促进了光学的巨⼤发展。

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