光學千年——國際光年概觀光學千年發展

李師群

（清華大學物理系，北京 100084）

2013年12月20日聯合國第六十八屆會議決定將2015 年設定為International Year of Light and Light－based Technologies，即 光 和 光 基 技 術國際年，簡稱國際光年.

聯合國大會作出這個決定是“認識到光和光基技術對世界民眾的生活以及全球社會多層面未來發展的重要性；強調指出提高全球對光科學技術的認識和加強這方面的教育，對于發達國家和發展中國家應對可持續發展、能源、社區保健和提高生活質量的挑戰至關重要；……注意到2015 年恰值光科學歷史上一系列重要成就周年紀念，包括1015 年伊本·海賽姆的光學著作、1815 年菲涅爾提出的光波概念、1865 年麥克斯韋提出的光電磁傳播理論、1905 年愛因斯坦的光電效應理論和1915 年通過廣義相對論將光列為宇宙學的內在要素、1965 年彭齊亞斯和威爾遜發現宇宙微波背景輻射以及高錕同年在光通信纖維光導方面取得的成就；考慮到2015 年為這些發現舉辦周年紀念活動將提供一個重要的機會，可突出宣傳不同領域科學發現的連續性，特別強調在科學部門增強婦女權益以及在青年特別是發展中國家的青年中推廣科學教育”等（摘自聯合國大會68/221號文件，見聯合國教科文組織（UNESCO）的國際光年網頁［1］）.

應該說，這是一個非常正確而且充滿智慧的決定.當今社會，基于光學技術的應用已充斥到人類各種活動的方方面面，我們應該讓我們的民眾清楚地認識到光科學的發展及其對人類文明進步所起到的巨大作用，以及對人類社會的持續發展的重要意義.諾貝爾獎得主、加州理工學院教授澤韋爾（Ahmed Zewail）說，“沒有光就沒有文明，太陽光和激光已經成為我們每天生活的重要部分——從超市的條碼掃描、眼科手術到跨洋的IT通信.……國際光年將激勵對光的進一步的發現和應用，光已成為我們生存的最重要的元素之一”.另一位諾貝爾獎得主、美國航天局的科學家馬瑟（John Mather）也指出：“光通過光合作用給了我們生命，讓我們探知大爆炸后宇宙的演進，幫助我們地球上的眾生相互通信，或許還會幫助我們發現太空中的其他生物.……甚至在空間探索中研發的光學和光子學技術都在日常生活中找到了許多有價值的應用.”［2］

本文基于同樣的認識，圍繞國際光年舉辦周年紀念的光科學歷史上的一系列里程碑式的重要成就，在國際光年之際對光學千年的發展作一次回顧.文中除盡可能全面地列出光學發展道路上的重要事件外，還力圖從物理學的視角給光學一個概貌式的觀察.

1 國際光年周年紀念的千年中的光學重要成就

縱觀人類對光的認識歷程，我們不得不說，實際上光學最主要的內容都是在近千年，特別是近四、五百年內才形成的.聯合國大會選定近一千年中一些年份末位數正好逢“5”的光科學歷史上一系列重要成就舉行周年紀念，雖然難得覆蓋所有光學的重要成就（例如1960年的激光等），但確實都是光學發展史上里程碑式的成就.這些偉大的學者和成就是：

1015 Ibn Al Haythem （伊本·海賽姆）Book of Optics

1815 Fresnel （菲 涅 爾）The wave nature of light

1865 Maxwell（麥克斯韋）Electromagnetic field theory of light

1905/1915Einstein（愛因斯坦）Photoelectric effect，General relativity

1965 Penzias and Wilson（彭齊亞斯和威爾遜）Cosmic microwave background

1965 Charles Kao（高錕）Optical fiber technology

伊本·海賽姆

菲涅爾

麥克斯韋

愛因斯坦

彭齊亞斯和威爾遜

高錕

在簡述這些學者的里程碑式的貢獻前，我們不能忘記千年之前古人已做過的對光的探索.幾乎幾個世界文明最早的發源地都先后有過一系列對火鏡、光行進、光視覺、光成像的最初思索.其中，古代中國和古代希臘有著最早的紀錄.

我國西周時期（公元前11 世紀—770 年）的《周禮.秋官司寇》記載，“司烜氏”官職，“掌以夫遂取明火于日”.“夫遂”又名“陽燧”，實即青銅凹面鏡.可見那時我們的先人已知道用金屬凹面鏡聚焦陽光得到明火［3］.到了春秋戰國時期，墨子（公元前490—405年）的著作《墨經》里有8條論述了對光直進、光影、光成像的觀察，最著名的是小孔成像現象的描述.在聯合國教科文組織（UNESCO）的國際光年網頁［1］上，“Science Stories”欄的“Discoverers of Light”條目中，有對墨子的貢獻的敘述：“…公元前400 年，墨翟——中國哲學家和墨家的創始人，第一個認識到暗箱的概念（后世稱針孔相機）.他對光的基本觀測形成了光學的起步理論.公元前350年，亞里士多德（Aristotle）通過觀察光透過即使是最小的孔仍然會在地面形成光亮的圓進一步證實了墨翟的光的直線傳播的認識”.2012 年牛津大學出版的《光學史》一書中也說：“第一個有記載的關于光和視覺的猜測發生在大約公元前5世紀的東方和希臘…….中國的墨家論及了光線的傳輸和光的反射、折射.”［4］

古代希臘的學者對光也有一些出色細致的探討.他們也很早就知道應用火鏡，在希臘古劇作家阿里斯托芬（Aristophanes，公元前446—385 年）的劇本《云》（公元前424年寫成）中就有一段“用透明的石頭（玻璃）點火”的對話［5］.古希臘學者對于光視覺有過很認真的探討.畢達哥拉斯（Pythagoras，公元前570—496年）和德謨克里特（Democritus，公元前460—371年）等人認為視覺是由物體射出的某種微粒達到眼睛形成的；而恩培多克勒（Empedocles，公元前493？—433？年）、柏拉圖（Plato，公元前427—343 年）和歐幾里得（Euclid，公元前330？—275？年）等人認為視覺是眼睛發出某種東西，遇到物體發出別的東西形成的.柏拉圖學派曾講授過光的直線行進以及反射，知道反射角與入射角相等，歐幾里得的著作《反射光學》（Catoptrics）也探討過反射.幾百年后，托勒密（Ptolemy，公元2世紀）甚至探討過折射現象，測量過折射角和入射角，知道兩者角度小時大體成比例，列成表放在他的光學著作里［5］.

這些光學的文明曙光之后，人類對光現象的認識有一段漫長的等待才在公元10世紀左右迎來真正的晨輝.這次文明的光芒發自阿拉伯世界，其代表就是2015國際光年要紀念的阿拉伯學者伊本·海賽姆（Ibn Al Haythem，拉丁文名Alhazen，公元965—1040）.

約在公元8世紀，伊斯蘭教的阿拉伯國家興起，學者們翻譯并研究了從希臘人圖書館搶救出來的希臘古籍，承繼了其科學思想，出現了科學史上的阿拉伯時代.伊本·海賽姆就是這個時代阿拉伯學者的杰出代表.

伊本·海賽姆出生在巴格達，長期在開羅居住并在那里去世.他是當時杰出的數學家、天文學家、光學家.他一生著述甚多，其中不少由中世紀的歐洲學者從阿拉伯文翻譯成拉丁文，得以流傳下來，最負盛名的是在1015年前后若干年寫成的《光學》（Book of Optics）7卷，這部書全面發展了希臘學者對光的認識.書的1～3卷是討論光視覺的，他贊成畢達哥拉斯和德謨克里特等人的觀點，認為視覺感受來源于被看見的物體的光；他在書中研究了光的進入、眼的結構、像的形成，特別依據解剖學著作詳細敘述和描繪了人眼，以致至今一些眼的醫學術語都沿用他書中用詞的拉丁譯文（如角膜、玻璃體等）.《光學》的4～7卷通過描述實際的實驗來說明光的直線傳輸，反射和折射，包括應用不同的球面鏡、圓柱面鏡和圓錐面鏡等.他發現平行于主軸的光線入射到柱面鏡上時，都將反射交會到這個軸上；進一步提出了后人稱道的“Alhazen問題”：在發光點和眼睛的位置已定的情況下，尋找球面鏡、圓柱面鏡和圓錐面鏡上的反射點.特別值得一提的是，他還指出光的反射現象中除反射角等于入射角外，還有“兩者在一個平面內”，從而最終完成了光的反射定律；另外，他設計了一個和現代教學實驗基本類似的帶刻度圓盤，垂直放置在水面，仔細測量了光進入水的入射角和折射角，指出托勒密認為的兩者角度成比例是不對的，可惜也沒有進一步得到折射定律.他還非常清楚地分析了小孔暗箱的作用.由于他的這一著作對后世歐洲學者的巨大影響，所以不少西方學者把他看成為“近代光學之父”（the father of modern optics）.

海賽姆的光學書封面

光視覺和眼的結構

他的另一貢獻是開創了科學的研究方法論.他強調用實驗驗證理性的思索.他說過：“如果一個科學家的目標是尋求真理，那么他必須使自己成為他讀到的東西的‘敵人’.”因而用實驗去檢驗那些寫出的東西，而不是盲目地接受它為真理.這與后世發展出的現代研究方法論的精髓是一致的.

2015國際光年要紀念的第二位物理學家是200年前的法國的菲涅爾（A.J.Fresnel 1788—1827），他在光科學歷史上的重要成就是1815年左右的光的波動性理論.

在討論菲涅爾的里程碑式的貢獻前，我們有必要扼要回顧一下伊本·海賽姆時代到菲涅爾時代之間幾乎8個世紀中，光學發展中的重要的人和事.這期間包括了歐洲的文藝復興時期，其間不乏出現一些光學巨人及其里程碑式的貢獻.

首先要提到的是開普勒（J.Kepler，1571—1630），他因天文觀測而對光學頗有研究.1604年他寫了描述天文光學觀測、眼睛視覺和各種鏡片的幾何光學的書［4］；1611年他又出版《折光學》一書，詳細討論了折射現象，還發現了全反射［6］，他還在書中給出了雙凸透鏡的望遠鏡設計，可惜他沒有去制作.

再就是科學巨人伽利略（G.Galileo，1564—1642），他是最早制造出望遠鏡的人之一，最早（1610）用來進行天文觀測，發現月球上的火山口、木星衛星、太陽黑子.有物理史學家甚至考證出顯微鏡實際是伽利略發明的［5］.伽利略還設計了在兩個山頭之間傳遞燈光來測量光速的實驗，但因光速太快，實驗沒有能成功［6］.

折射定律的最后完成也是在這一期間，斯涅爾（W.Snell，1591—1626）通過實驗在1621 年得到 了 這 個 定 律.笛 卡 兒（R.Descartes，1596—1650）后來（1637）在他的《屈光學》一書中理論上推出了這個定律［6］.這里還要提到費馬（P.Fermat，1601—1665），1657年他提出了著名的“最小時間原理”，可方便地推出折射定律［7］.

1676年羅默（O.Romer，1644—1710）利用木星衛星的蝕（被木星自己遮擋）之間的間隔在地球上不同季節不同，認為是木星衛星的光穿越地球軌道造成，從而首次測出了光速.

這期間最耀眼的是科學巨人牛頓（I.Newton，1642—1727），他在物理學上的貢獻在那個時代無人能與比肩.在光學方面他是科學巨人中唯一著有冠名《光學》（1704年出版，倫敦曾多次重印，最近版本為1931年版，愛因斯坦曾為該版作序，該版本的中譯本見文獻［8］）的著作的人.他在1666年用三角棱鏡進行了光的色散實驗，證明了白光是由不同顏色的光組成的，這些不同顏色的光的折射性能不同.他還在1668年第一個設計制造出反射式望遠鏡.牛頓在光學上最有影響的是他的光的微粒說，按照這個理論，光是以微小粒子的形式從發光體傳播出來的.光的微粒說在18世紀成為物理學界的主流學說，直到19世紀初才由于托馬斯·楊（T.Young，1773—1829）和菲涅爾等人的努力使光的波動說得到普遍承認.但是，20 世紀光的粒子性認識又將再現光芒.

我們還要梳理一下這期間關于光的波動性的早期認識.首先是1666年出版的格里馬耳迪（F.M.Grimaldi，1618—1663）的書《光的物理數學》中描述的衍射現象［5］（“diffraction”這個術語起源于此［4］）.接著胡克（R.Hooke，1635—1703）在1667年出版的書《顯微術》中第一個主張光是由快的振動組成的概念［6］.胡克和牛頓之間在1672—1676年間曾對光到底是由微粒還是波組成展開過爭論.到 了1678 年，著 名 的 惠 更 斯（C.Huygens，1629—1695）在法國科學院的一次會議上提出了《論光》的論文，這是解釋光的波動理論的最早的重要嘗試.惠更斯提出了一個后世以他名字命名的原理，按照這個原理，光擾動所到的“以太”（ether）的每一點，可以看作是一個新的擾動中心，向外發出球面波，這些次波的包絡面決定了以后時刻的波陣面.用這一原理，惠更斯成功推導出反射和折射定律，還解釋了當時已發現的晶體的雙折射現象.1690年他的《光論》一書出版（1912年英文版的中譯本見文獻［9］）.菲涅爾之前的光的波動說陣營中還有一位重量級的人物，他就是托馬斯·楊，他的名字因著名的雙縫干涉實驗而名垂青史.1801 年，楊在英國皇家學會宣讀了關于薄片顏色的論文，干涉原理的引入是他這篇論文跨出的一大步，他第一次用干涉原理徹底地解釋了聲和光的干涉現象.1807年描述他著名的雙縫（雙孔）干涉實驗的論文發表［4］.這個實驗的意義不止局限在光學，后來用微觀粒子進行的同類實驗也是量子物理中微觀粒子波動性的重要證明.

現在我們回到有關菲涅爾的光的波動理論的話題.從歷史上看，就是主要由于他的里程碑式的貢獻，光的波動理論才在19 世紀取得完全的勝利.1815年他將一篇關于衍射的重要論文寄給了法國科學院，接著幾年又完成了一系列論文.在這些研究中他創造性地將楊的干涉原理應用到惠更斯的子波包絡面作圖法中，應用數學分析進行了計算衍射的嚴密數學推導.菲涅爾這樣表達他的思想：“在任何一點的光波振動可以看作在同一時刻傳播到那一點的光的元振動的總和，這些元振動來自所考察的未受阻攔的波的所有部分在它以前位置的任何一點.”［5］這一思想是一個很大的進步，惠更斯原理只是定性地用子波的包絡確定以后時刻的波陣面，楊的干涉原理只是描述了兩個波在空間的疊加（從而光強的空間分布顯示干涉條紋），而菲涅爾的理論既包含了惠更斯的子波概念（菲涅爾說“元振動”），又要積分計算所有“元振動的總和”而不像楊那樣只是兩個波的疊加.后世所以把這種惠更斯原理加上干涉原理稱為惠更斯－菲涅爾原理.

菲涅爾科學生涯中最為輝煌的時刻可能是1818年法國科學院懸獎征文求解衍射問題那次活動時，他以嚴密的數學推理，采用半波帶法定量計算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產生的衍射花紋，并與實驗很好吻合.特別傳奇的是評獎委員之一的泊松（S.D.Poission，1781—1840）審查菲涅爾的理論時，得到不透明圓屏的陰影中心應有亮點這個當時認為不可能的結論，但很快被阿拉果（D.F.J.Arago，1786—1853）用2mm 的圓屏實驗所證實［6］，轟動了法國科學院.光的波動理論從此完全站住了腳.后世稱圓屏陰影中心的亮點為“泊松亮斑”.

泊松亮斑實驗照片

泊松亮斑的數值計算顯示圖

菲涅爾還對在光的波動理論框架里認識光偏振作出了重要的貢獻.對光偏振現象的認識起于1669年巴托萊納斯（E.Bartholinus，1625—1698）在冰洲石中發現的雙折射，1672年惠更斯將從冰洲石晶體出來的每一條光線再通過第二個冰洲石晶體，并轉動第二個晶體，發現了偏振現象［10］.對光的偏振現象的解釋，光的微粒論者煞費苦心而仍然牽強附會，包括大權威牛頓的“光線具有‘側邊’”論.1808年馬呂斯（E.L.Malus，1775—1812）發現了反射光的偏振（他1811年首次使用polarisation 這個術語［4］），偏振現象不再只局限在雙折射問題中，而成為普遍的光學現象.偏振現象的解釋對光的波動理論也是一個嚴峻的考驗，在馬呂斯的時代甚至曾有人嘆息這是“波動說歷史上最黑暗的時候”.但是幾位主要的光的波動論者楊、阿拉果、菲涅爾都投入到光的偏振研究中，楊和菲涅爾幾乎同時認識到光波的橫向振動.楊大約在1817年說過：“波動說可以解釋橫向振動，……粒子的運動是在相對于徑向的某個方向上的，這就是偏振.”菲涅爾和阿拉果1819年共同詳細研究了偏振的光的4種情況的干涉，包括偏振方向一致的光能夠干涉，偏振互相垂直的光不能干涉等［10］.菲涅爾明確指出，只有橫向振動才有可能把這個事實納入波動理論.菲涅爾推進了光偏振研究的整個課題.

菲涅爾還在1821年首先指出色散的起因，應考慮物質的分子結構.1823年他又從以太振動的動力學模型出發推出了反射光和折射光的強度和偏振所服從的、后來以他名字命名的公式［7］.

2015國際光年要紀念的第三位物理學家是麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831—1879），他在光科學歷史上的重要成就是1865年提出的光的電磁理論.

雖然19世紀光學有前面說到的輝煌成就，但幾乎獨立于光學的電磁學的發展更是轟轟烈烈.由于本文的目標只是概觀光學的千年發展，因此這里只扼要羅列在麥克斯韋電磁波理論前與之密切相關的一些電磁學的重要成就.需要更詳細了解的讀者可參閱文獻［11］.

首 先 是1785 年 庫 侖（C.A.de Coulomb，1736—1806）通過他的著名的電扭秤實驗得到后世以他名字命名的電荷相互作用力的定律，接著1839年高斯（C.F.Gauss，1777—1855）依據庫侖定律用他精湛的數學得到今天稱為高斯定理的靜電學的基本定理；另一方面，奧斯特（H.C.Oersted，1777—1851）1820年完成了電流對磁體產生作用的著名實驗，激發了當時研究者對電磁學的研究熱情.很快，偉大的安培（A.M.Ampere，1775—1836）在同年年底基于他的4 個示零實驗［11］得到兩個電流元相互作用力公式，后世稱為安培定律.安培定律實際包含了同年稍前已報道的電流元產生磁場的畢奧－薩伐爾－拉普拉斯（Biot－Savart－Laplace）定律和電流元在磁場中受力的安培力公式.安培的這一貢獻，麥克斯韋曾評價“形式完美和準確無誤”，“科學中最光輝的成就之一”.1820年真是電磁學的豐收之年！

接著是1826 年的歐姆（G.S.Ohm，1787—1854）通過實驗得到的歐姆定律.再就是19世紀電磁領域最偉大的實驗家法拉第（M.Faraday，1791—1867）1831 年 發 現 的 電 磁 感 應 定 律.在1820年電流的磁效應被完全揭示后，經過11年人們終于看到了其逆效應，由磁場變化得到電的效應.偉大的法拉第還以他“力線”（電力線、磁力線）的圖像為后來者建立場的觀念打下了基礎.

科學巨人麥克斯韋就是在這樣的背景下登上科學舞臺的.他天資聰慧，從小受良好的教育，先后在愛丁堡大學和劍橋大學學習，在學生時代就因幾項出色的研究嶄露頭角，顯示出過人的才智、充沛的精力和不屈不饒的堅強毅力.畢業后2 年就成為大學教授，最后規劃籌建了劍橋的卡文迪什（Cavendish）實驗室并作為第一任主任多年主持該實驗室的工作.

麥克斯韋最重要的科學成就是建立了電磁場理論和光的電磁理論.從1854 年起23 歲的麥克斯偉進入電磁學研究領域.他在認真研讀法拉第的3卷論文集《電學的實驗研究》的基礎上，以近距作用的場的觀念來研究電磁現象，以他高超的數學功底，在10年左右時間內完成了3篇著名的電磁學論文，即1855—1856 年的《論Faraday 力線》，1861—1862 年 的《論 物 理 力 線》，1865 年 的《電磁場的動力學理論》，建立起完整的電磁場理論［11］.

在第一篇論文里，麥克斯韋除了給法拉第的力線圖像以定量的數學描述外，重要的是通過分析電磁感應效應引出后來（1861年）稱為“渦旋電場”的量.麥克斯韋深刻地認識到，電磁感應中即使沒有導體回路，變化的磁場也會在其周圍激發出渦旋電場.在第二篇論文里，麥克斯韋建立了傳播電磁作用的“以太”的“分子渦旋”電磁模型，在其基礎上討論電的作用時，他把極化的討論從靜止推廣到變化的情況，變化的電場像電流一樣會產生磁場，因此引出了獨創的“位移電流”的概念（位移電流的最終定義是在1865年的第三篇論文中），進而麥克斯韋把電流產生磁場的安培環路定理，也從恒定情況推廣到變化的情況.既然變化的磁場產生渦旋電場，變化的電場產生磁場，因此電磁擾動就以波的形式傳播.麥克斯韋計算了電磁波的傳播速度，與當時光學測量的幾乎一致，麥克斯韋因此預言：“我們不可避免地推論：光是媒質中起源于電磁現象的橫波”［11］.這段話在原文中麥克斯韋用斜體字，充分表示了他當時的激動之情.第三篇論文是他的電磁場理論大廈的巔峰，他明確地指出：“我所提議的理論可以稱為電磁場的理論，因為它必須涉及電或磁物體附近的空間，它也可以稱為動力學的理論，因為它假設在該空間存在運動著的物質，導致可以觀察的電磁現象.”麥克斯韋在這篇論文中列出了后世以他名字命名的電磁場方程組，共20個標量方程，含20個標量變量，方程組因此是完備的.后人將這20 個標量方程組合成矢量形式，形成2個旋度方程、2個散度方程（現今稱這4個方程為麥克斯韋方程組，最初由亥維賽德（O.Heaviside，1850—1925）和赫茲（H.R.Hertz，1857—1894）寫出），3個物質方程，1個電荷守恒方程.在這篇論文里，麥克斯韋在其第六部分“光的電磁理論”中再次強調：“光是按照電磁規律經過場傳播的電磁擾動”，并且由他的方程組得到電磁波動方程，再次計算得出電磁波傳播速度等于真空中的光速.應該指出的是，此后麥克斯韋又在1868年、1873年兩次提供這一結論的不同的證明，還在他1873 年的巨著《電磁通論》（西方曾有多次版本，近期的中譯本見文獻［12］）中根據光的電磁波認識預言了光壓（1899年被俄國科學家列別捷夫（P.N.Lebedev，1866—1911）實驗證實）.所有這一切，在赫茲1887年實驗顯示電磁波的存在，1888年測出電磁波波速確實等于光速后，完全地被科學界普遍接受.麥克斯韋的光的電磁理論是光學歷史上重要的里程碑.

麥克斯韋紀念碑上刻的麥克斯韋方程（英國愛丁頓市喬治街）

麥克斯韋依據他淵博的學識、豐富的想象力、深刻的洞察力建立了電磁場理論，使他成為了一位在科學史上可以與牛頓、愛因斯坦比肩的科學巨人.愛因斯坦在評價電磁場理論時說：“……這一變革是物理學自牛頓以來的一次最深刻和最富有成效的變革.”麥克斯韋電磁場理論是繼牛頓力學之后劃時代的巨大貢獻.麥克斯韋方程組還蘊含了規范理論的觀念，正是基于這種觀念才出現了20世紀粒子物理非常成功的標準模型［13］.

麥克斯韋英年早逝，但他以旺盛的創造力給我們留下了豐富的科學遺產.他還用實驗精確驗證了電力的反平方律；在分子運動論和熱學方面推出麥克斯韋速度分布律、麥克斯韋關系式、提出著名的“麥克斯韋妖”；在光學方面他建立了色度學的定量理論，提出幾何光學的絕對儀器范例“麥克斯韋魚眼”等等.

2015國際光年要紀念的第四位物理學家是科學巨人愛因斯坦（A.Einstein，1879—1955），他在光科學歷史上的重要成就是1905 年的光電效應理論和1915 年通過廣義相對論將光列為宇宙學的內在要素.

在我們進入20 世紀仰望偉大的愛因斯坦為光學、乃至物理學豎起的豐碑之前，讓我們還是再回望一下19世紀菲涅爾、麥克斯韋之后光學的主要進展.這里首先要提到的是光速的測量［6］.繼1676年羅默利用木星衛星的蝕測量光速、1728年布拉德雷（J.Bradley，1693—1782）根據恒星的光行差再次測量光速之后，1849 年斐索（A.H.Fizeau，1819—1896）用旋轉齒輪法首次在地面的實驗測得光速，1862年傅科（J.L.Foucault，1819—1868）用旋轉鏡法也測得了光速.之后著名的實驗家邁克耳孫（A.A.Michelson，1852—1931）用改進的旋轉鏡法在1879、1883年多次更好地測量了光速.

另一個在光學中迅速發展來的領域是光譜學［6］.繼德國人夫瑯和費（J.von Fraunhofer，1787—1826）1815 年細心觀察太陽光譜后，1859年德國人基爾霍夫（G.R.Kirchhoff，1824—1887）和本生（R.W.Bunsen，1811—1899）制成了第一臺棱鏡光譜儀，研究了很多元素的火焰光譜.19世紀最后20年氫光譜線系的仔細觀測研究特別重要，促成了1884年巴耳末（J.J.Balmer，1825—1898）提出氫光譜的巴耳末公式.各元素光譜規律的研究由此展開.1896年塞曼（P.Zeeman，1865—1943）發現磁場可以使放置其中的原子的光譜線分裂，后世稱塞曼效應.

與此相聯系的是光通過加有外場的物質的一些新現象的發現.首先是1845年法拉第發現某些物質放置在磁場中時通過的光的偏振狀態會發生變化，是一種磁光效應，又稱法拉第效應.現代的光隔離器就是依據這個效應設計的.1875年克爾（J.Kerr，1824—1907）發現在強電場中，某些各向同性的透明介質會變成各向異性的，從而使光的傳輸發生變化，效應與所加電場強度的平方成比例，稱二次電光效應，也稱克爾效應.1893年泡克爾斯（F.C.A.Pockels，1865—1913）發現某些單軸晶體在強電場中會變成雙軸晶體，從而使光的傳輸發生變化，效應與所加電場強度的一次方成比例，稱線性電光效應，也稱泡克爾斯效應.這兩種電光效應是現代光學實驗中電光調制器、電光開關的設計原理.

還需要簡單提一下一個新發展起來的領域—熱輻射［6］，它實際可看成是特殊情況的光學.因溫度不同輻射能量隨波長的分布不同是首先被關注的問題，1859 年基爾霍夫提出熱輻射定律，1862年又提出絕對黑體的概念；1893 年維恩（W.Wien，1864—1928）提出輻射能量分布定律，后幾年的實驗表明該定律在短波方向與實驗符合得好，而 長 波 方 向 差；1900 年 瑞 利（L.Rayleigh，1842—1919）提出新的輻射公式，在長波方向與實驗符合得好；同年普朗克（M.Plack，1858—1947）用能量不連續的諧振子模型推出了與實驗資料很好吻合的輻射定律，后世以他名字命名.量子理論由此登場.

再接著應該提到對“光以太”（或“電磁以太”）的研究.人們認為虛空中存在以太這種特殊媒質由來已久.光的波動論被認可后，探索傳播光波的以太的實驗不斷涌現.菲涅爾提出以太的機械模型，推出以太被運動物體“拖曳”的結果，1851 年斐索用光通過流水做實驗支持了菲涅爾的模型.但在真空中，菲涅爾的曳引系數為零，以太應靜止，因此地球在以太中運動應感到“以太風”，著名的實驗家邁克耳孫與莫雷（E.W.Morley，1842—1919）1887 年精細地進行了名垂青史的干涉實驗，得到否定的結果.現在我們知道，邁克耳孫與莫雷“精湛的實驗工作，鋪平了相對論發展的道路”（愛因斯坦語）.到20世紀，科學家已丟棄了以太的概念.

最后是光學中最重要的效應之一光電效應的發現和研究了.最初是赫茲在1887年做電磁波實驗時發現紫外光照射到放電火花隙金屬電極時放電增強，接著這一、二年，幾位物理學家進一步實驗，明確了金屬負電極在光（紫外光、電弧光、陽光）照射下會釋放出帶電負粒子，形成光電流.到1899年湯姆孫（J.J.Thomson，1856—1940）用磁場偏轉法測光電流的荷質比，證明了光電流和陰極射線、β射線一樣，都是由電子組成的.1900年勒納德（P.Lenard，1862—1947）系統做了光電效應實驗，得到光電流只有當光的頻率超過一個臨界值時才產生，而與光的強度無關等結論.經典理論解釋與這些結論格格不入，解釋光電效應的重任落在了20世紀科學家的肩上.

歷史選擇了年輕的科學天才愛因斯坦以耀眼的方式照亮了新世紀的物理舞臺.在1905年，這個被后世稱為“愛因斯坦奇跡年”的不平凡的一年里，愛因斯坦發表了3篇影響整個物理學界至今的論文.第一篇是《關于光的產生與轉化的啟發性觀點》，在這篇論文里，愛因斯坦提出了“光量子”的概念（“光子”（photon）這個術語直到1926年才由G.N.Lewis建議后廣泛使用），以新的觀點圓滿解釋了光電效應，這是我們國際光年要紀念的他的一個里程碑式的巨大成就.第二篇是《熱的分子運動論所要求的靜液體中懸浮微粒的運動》，內容包括布朗運動，證實原子的真實存在，并以新的方式確定玻爾茲曼常數.第三篇是《論動體的電動力學》，內容包括狹義相對論及隨之而來的著名的質能公式，這也是影響巨大的物理學歷史上的豐碑.

站在光學的立場我們把關注點聚焦到愛因斯坦提出“光量子”的那篇論文.愛因斯坦在文章的前言中革命性地提出他的思想［14］：“關于黑體輻射、光致發光、紫外光產生陰極射線，以及其他一些有關光的產生和轉化的現象的觀察，如果用光的能量在空間中不是連續分布的這種假說來解釋，似乎就更好理解.按照這里所設想的假設，從點光源發射出來的光束的能量在傳播中不是連續分布在越來越大的空間中，而是由個數有限的、局限在空間各點的能量子所組成，這些能量子能夠運動，但不能再分割，而只能整個地被吸收或產生出來.”這是典型的光的微粒說.在物理學界剛剛歡呼麥克斯韋的光的電磁理論全面成功的時代，年輕的愛因斯坦提出這樣清楚明白的挑戰性的觀點，真可以說是石破天驚！

愛因斯坦是從熱輻射問題入手說明引入“光量子”的必要性的，在分析普朗克和維恩的黑體輻射定律后，愛因斯坦考察了單色輻射的熵及其極限定律，進而按照玻耳茲曼原理來解釋單色輻射熵對體積的依賴關系，由此得出：“能量密度小的單色輻射（在維恩輻射公式有效的范圍內），從熱學方面看，就好像它是由一些互不相關的、大小為Rβν/N 的能量子組成.”［14］

這篇文章的第二個重點是用光量子的觀點圓滿解釋了光電效應.在第8節“關于固體通過輻照而產生陰極射線”中，愛因斯坦得到了著名的光電方程，并依此指出，實驗中加上的遏制光電流產生的電勢與光的頻率的函數“必定是一條直線，它的斜率同所研究的物質的性質無關”.這一結論經歷了11年，才在1916年由美國物理學家密立根（R.Millikan，1868—1953）用精細的實驗證實［6］.

密立根光電效應實驗中遏制光電流的電勢與光的頻率的關系圖（摘自Physical Review 7（3），p377（1916））

愛因斯坦1905年對光學、乃至物理學的這個里程碑式的貢獻，使他榮獲1921年的諾貝爾物理學獎.他的光量子的觀念，除了光電效應的檢驗，后來在1923 年還被康普頓（A.H.Compton，1892—1962）等人的著名的X 射線被電子散射的實驗更全面（不只在能量守恒方面，還在動量守恒方面）地檢驗，歷經考驗，終被物理學界普遍接受.光除了體現波動性的一面，還會體現粒子性的一面，這種認識影響科學界至今.

國際光年還要紀念偉大的愛因斯坦1915 年提出廣義相對論的巨大貢獻，這一理論應用到宇宙學，使人們認識到光應該列為宇宙學的內在要素.廣義相對論無疑是人類思想史中的輝煌篇章，它基于兩個基本原理，即等效原理和廣義協變原理，應用黎曼張量運算，得到著名的引力場方程，開創了現代宇宙學研究的先河.廣義相對論與光學明顯相關的有兩處：一處是廣義相對論的3 個著名的實驗驗證（水星近日點的進動、光線在引力場中的彎曲、光譜線的引力紅移）有兩個密切與光有關；另一處是基于愛因斯坦引力場方程發展起來的宇宙學理論，導出宇宙膨脹的結果（雖然愛因斯坦并未注意到他的理論會導出這樣的結果），哈勃（E.P.Hubble，1889—1953）等人觀測星云的紅移支持這一結果，彭齊亞斯（A.Penzias，1933—）和 威 爾 遜（R.Wilson，1936—）觀測宇宙微波背景輻射也支持這一結果，這樣宇宙起源于一次大爆炸的現代宇宙學建立起來了.在大爆炸理論中，光（輻射）存在始終，理所當然應該列為宇宙學的內在要素.

《廣義相對論基礎》手稿第一頁（現存以色列希伯來大學）

科學巨人愛因斯坦是少數幾個最偉大的科學家之一，他在物理學上的貢獻幾乎可以說無人能比.即使在光學方面，他的里程碑式的貢獻也不止國際光年紀念的這兩項，1916年他的輻射的量子理論，提出了受激輻射的概念，直接導致了1954年微波激射器、1960年激光的產生；他1924年將玻色統計用于原子理想氣體，預言原子氣體“簡并”的理論，70年后催生了意義重大的玻色－愛因斯坦凝聚的實現.

2015國際光年要紀念的最后三位物理學家是彭齊亞斯、威爾遜和高錕，1965 年彭齊亞斯和威爾遜發現宇宙微波背景輻射，高錕在光纖光導理論方面取得突破.

我們仍然簡要回顧一下從愛因斯坦提出光量子概念的1905年到1965年間光學的重要進展.這個時段里也不乏一些光學中里程碑式的成就.

首先要提到的是X 射線的一系列研究成就，這是因為X 射線的研究常常與通常光學的研究方法一致.自1895 年倫琴（W.K.Rongen，1845—1923）發現X 射線以來，經過十多年人們才確定X射線實際是波長比可見光短得多的電磁波，這是由于勞厄（M.V.Laue，1879—1960）等人1912年的X 射線的衍射實驗證實的.1913年布拉格父子（W.H.Bragg，1862—1942；W.L.Bragg，1890—1971）進一步將X 射線衍射用于晶體分析，可依據衍射圖樣得到晶格常數.1916 年德拜（P.J.W.Debye，1884—1966）發展出X 射線粉末衍射法.

接著要提到幾項光譜研究中重要效應的發現.一是原子光譜線在電場中發生分裂的現象在1913年被斯塔克（J.Stark，1874—1957）發現，該效應后世即以他的名字命名.再一個是1928年印度物理學家拉曼（C.V.Raman，1888—1970）發現光照射到物質上散射光頻率會發生變化，后世以他的名字命名的這種效應對分析物質結構非常有用，以致在很多領域拉曼光譜儀的應用十分普遍.另一項是1947年蘭姆（W.E.Lamb，1913—2008）用微波方法測出氫原子精細結構能級的位移，該位移的產生起源于原子和真空場漲落的相互作用，是量子電動力學的實驗驗證，由此蘭姆獲1955年度的諾貝爾物理學獎.

另一項與前面的磁光效應、電光效應并列同屬與控制光密切相關的新效應——聲光效應也在這期間被發現.1922 年布里淵（L.N.Brillouin，1889—1969）提出在介質中傳輸的聲波會對光發生衍射，后世稱為聲光效應.該效應后來在10 年后的1932年被德拜等人實驗證實.現代的聲光調制器是基于這個效應設計的.

再就是光學上非常有名的全息術.1948年伽伯（D.Gabor，1900—1979）提出了全息照相術，這是一種記錄被攝物體反射波的振幅和位相等全部信息的新型光學技術.普通照相只記錄物體面上反射光的光強分布，不能記錄位相信息，而全息照相術將光源發出的光分為兩束，一束經被攝物反射后再射向感光片（物光），另一束直接射向感光片（參考光），兩束光在感光片上疊加產生干涉，干涉條紋記錄了物光的振幅和位相等全部信息.全息攝影圖片要借助參考光才能重現被攝物的像.全息術在1960年激光器發明后才得到迅速發展.伽伯因發明和發展了全息照相術，獲得了1971年的諾貝爾物理學獎.

還必須著重談到光學、乃至物理學在20世紀的一個偉大的里程碑式的成就——1960 年激光的實現.激光的原意是“用輻射的受激發射放大光”（laser），其精髓是1916年愛因斯坦提出的受激輻射的概念.這一思想首先在微波段實現.1954年湯斯（C.H.Towenes，1915—2015）等人完成了“用輻射的受激發射放大微波”（maser），又稱微波激射 器，“脈 塞”.1958 年 湯 斯 和 肖 洛（A.L.Schawlow，1921—1999）認為這一思想也可在光頻段實現，終于1960 年由梅曼（T.H.Maiman，1927—2007）研制成功了第一臺紅寶石激光器.緊接著氦氖激光器和其他激光器也相繼問世，如今激光器已發展成各種介質、各種波長、各種工作形式（連續、脈沖）、各種功率、各種脈寬、各種線寬的相干光源.激光的出現極大地推動了光學的發展，一個生機勃勃的現代光學時代開始了.由于湯斯的杰出貢獻，他和其他兩位前蘇聯的科學家一起榮獲1964年諾貝爾物理學獎.

這個時段中我們最后要提到的是促成現代量子光學興起的兩個重要的研究成就.其一是1956年漢 布 瑞· 布 朗（R.HanburyBrown，1916—2002）和璀斯（R.Q.Twiss，1920—2005）完成的強度干涉實驗.該實驗一反以往干涉實驗中的振幅－振幅干涉模式，實現的是強度－強度干涉，從此推動光學進入了光的高階相干性研究的新階段；該實驗還為后來研究光場的量子統計性質和非經典光場提供了手段.這個時段的另一個重要的研究進展是格勞伯（Roy.J.Glauber，1925—）在1963年發表的光的量子相干理論.格勞伯將光場的光電檢測過程用量子方法描述，系統地引入相干態來研究光場的量子統計性質，為量子光學的現代發展奠定了理論基礎.因此格勞伯于2005年榮獲諾貝爾物理學獎.

現在我們回到有關1965 年彭齊亞斯和威爾遜以及高錕取得的巨大成就的話題.首先是彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙微波背景輻射，這是20世紀60年代天文學的重大發現，被譽為現代大爆炸宇宙學的3大佐證（哈勃膨脹，微波背景輻射，輕元素合成）之一.大爆炸宇宙學的奠基人伽莫夫（G.Gamov，1904—1968）1948 年就預言，原初大爆炸的那個“火球”由于膨脹冷卻，在現今宇宙應殘留下來大約10K 的背景輻射，頻譜在微波區.觀測宇宙微波背景輻射被認為是一個檢驗 宇宙模型的里程碑，吸引若干天體物理學家投入探測，例如普林斯頓的迪克（R.H.Dicke，1916—1997）等.但幸運落在在美國貝爾實驗室工作的彭齊亞斯和威爾遜身上，從1964年起他們把一臺喇叭型的天線指向天空用以研究來自太空的無線電信號，他們改進了設備的性能，排除了所有可能的噪聲源，發現總有多余的相當3K 左右的背景噪聲.經過迪克等人的討論確認，彭齊亞斯和威爾遜觀測到的背景信號，就是大家夜思夢想的宇宙微波背景輻射.1965年兩個研究組同時發表了分別是理論和實驗觀測的文章，彭齊亞斯和威爾遜文章的題目是：“在4080MHz上額外天線溫度的測量”［15］.后來又有一些研究者進一步的觀測，包括在氣球上、火箭上、衛星（COBE）上的觀測，證實微波背景輻射的頻譜高度符合普朗克的黑體輻射定律，相應溫度約2.73K.為此，彭齊亞斯和威爾遜榮獲1978年諾貝爾物理學獎，利用COBE 衛星觀測到宇宙微波背景中微弱的各向異性現象的兩位科學家馬瑟（J.Mather）和斯穆特（G.Smoot）榮獲2006年諾貝爾物理學獎.

這一年在大西洋彼岸的英國，在國際電話電報公司（ITT）工作的、眼睛一直盯著地面通信的華裔科學家高錕（Charles K.Kao，1933—）投出了一篇注定后來會影響到世界的研究論文，論文的題目是：“光頻介質纖維表面波導”［16］.文章開創性地指出光導纖維在通信上應用的基本原理，描述了長程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結構和材料特性，特別強調只要解決好石英基玻璃的純度和成分等問題，就能夠利用玻璃制作光學纖維，當玻璃纖維損耗率下降到20dB/km 時，高效傳輸信息將成為可能.他能提出這個當時人們都還認識不到的革命性的通信新模式不是偶然的.高錕從1957年即開始從事光導纖維在通信領域中運用的探索.1964 年，他提出在電話網絡中以光代替電流，以玻璃纖維代替導線；1965 年在無數次試驗的基礎上，才有了那篇影響世界的宏文.高錕的理論引起了世界通信技術的一次革命.如今利用多股光纖制成的光纜已經鋪遍全球，成為互聯網、全球通信網絡等的基石，光纖構成了支撐我們信息社會的環路系統.諾貝爾獎評委會這樣說：“光流動在細小如線的玻璃絲中，它攜帶著各種信息數據向每一個方向傳遞，文本、音樂、圖片和視頻因此能在瞬間傳遍全球.”光纖還在醫學、工業、軍事等很多其他領域得到廣泛應用.由于他的這一開創性的重要貢獻，高錕被譽為“光纖之父”，還榮獲2009年諾貝爾物理學獎.高錕是繼李政道、楊振寧、丁肇中、李遠哲、朱棣文、崔琦及錢永健之后，第八位獲得諾貝爾科學獎的華裔科學家.

從上面圍繞國際光年舉辦周年紀念的光科學歷史上的一系列里程碑式的重要成就，我們對光學千年的發展作的回顧可以看到，人類對光的認識源遠流長，光學是人類文明的知識寶庫中極為燦爛的一部分.1960 年激光出現后，光學進入了一個通常稱為現代光學的新階段.從后面的內容我們可以看到，現代光學是現代科學發展中最為活躍的分支之一，也是影響人類社會最為深刻的分支之一.

（未完待續；下期內容預告：

2 光學的現代發展和光子學

3 光學的技術應用）

［1］聯合國 教 科 文 組 織（UNESCO）國 際 光 年 網 頁：http：//www.light2015.org/Home.html（中國光學學會、中國物理學會國際光年網頁：http：//www.lightchina.org.cn）

［2］國際光學工程學會（SPIE）網頁：http：//spie.org/x105138.xml

［3］戴念祖，張旭敏.中國物理學史大系 光學史［M］.長沙：湖南教育出版社，2001.

［4］Darrigol O.A History of Optics［M］.New York：Oxford University Press，2012

［5］約里卡.物理學史［M］.北京：中國人民大學出版社，2010.

［6］郭奕玲，沈慧君.物理學史［M］.2版.北京：清華大學出版社，2005.

［7］玻恩，沃耳夫.光學原理［M］.北京：電子工業出版社，2005.

［8］牛頓.光學［M］.北京：北京大學出版社，2007.

［9］惠更斯.光論［M］.北京：北京大學出版社，2007.

［10］Brosseau C.Fundamentals of Polarized Light［M］.Canada：John Wiley ＆Sons.Inc 1998

［11］陳秉乾，舒幼生，胡望雨.電磁學專題研究［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［12］麥克斯韋.電磁通論［M］.北京：北京大學出版社，2010.

［13］楊振寧.麥克斯韋方程和規范理論的觀念起源［J］.物理，2014，43（12）：780－786.

［14］愛因斯坦.愛因斯坦文集（增補本）第二卷［M］.北京：商務印書館，2010.

［15］Penzias A A，Wilson R W.A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080Mc/s.［J］.Astrophysical Journal.1965，142：419－421.

［16］Kao K C， Hockham G A. Dielectric－fibre surface waveguides for optical frequencies.［J］.Proc.IEE.1966，113（7）：1151－1158.