千年之光

王杰婷

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

視力矯正眼鏡，用X光檢查骨·狀況，衛星對地球的環境觀測……人們在享受這些發明的同時或許沒有意識到，它們都與光和光學之間存在密切關聯。

受“光”在文化及科技方面扮演的核心角色的啟發，聯合國宣布2015年為“國際光與光學技術國際年”（International Year of Light and Light-based Technologies，即IYL2015）。聯合國希望提高人們對光及光學技術在我們生活、社會發展及人類未來中的重要性的認識。而“國際光與光學技術國際年”的設立，也正是因為2015年是許多光學重要里程碑的周年紀念。

光，一千年來它究竟是如何影響人類的呢？

1000年前1015年，被后人譽為“光學之父”的阿拉伯學者伊本·海賽姆著寫了五卷本光學著作。他的著作影響了一批科學家，如開普勒和牛頓。

200年前 菲涅爾曾是法國的一名土木工程師，后來他對光學產生了興趣，1815年起他提出了光波的概念等理論，他的研究成果，標志著光學進入了一個彈性以太光學的新時期。

150年前1865年，英國物理學家麥克斯韋預言了電磁波的存在，解釋了光現象和電磁現象之間的聯系。麥克斯韋電磁學理論被認為是電氣時代的奠基石。

110年前 1905年，猶太裔物理學家愛因斯坦正確地解釋了物理學家赫茲的光電效應。愛因斯坦的理論在當時遭到學術界的非議，但它卻最終推動了量子力學的誕生。

100年前 1915年，愛因斯坦創立廣義相對論，他通過廣義相對論將光列為宇宙學的內在要素，光是構成宇宙的基本要素之一。

50年前 1965年，華裔物理學家高錕預言，只要能設法降低玻璃纖維的雜質，就有可能實現光纖通信。如今，光纖通信已經成為現代通信的主要支柱之一。

相干性

從17世紀起，人們逐步認識到光的波動性（即相干性，是指為了產生顯著的干涉現象，波所需具備的性質）。到19世紀初，研究者們已經發現了光的干涉、衍射、偏振等現象，確證了光是電磁波。到了19世紀中后期，英國物理學家麥克斯韋建立起了完整的電磁理論，人們對光的相干性已經有了更加深刻的認識，初步的波動光學體系己經形成，許多基本的理論和實驗方面的問題都已解決。

雖然科學家們對于光的相干性的研究有很多，但由于那時候還沒有設立諾貝爾獎，因此，諾貝爾獎中因光的相干性研究而獲獎的研究相對較少。

1901年，諾貝爾獎剛剛設立，第一項物理學獎的頒發就是關于X射線的發現。

德國物理學家倫琴，因發現X射線而獲得1901年的諾貝爾物理學獎。X射線可用于醫學、工業等領域，也可以用來分析晶體結構。

德國物理學家勞厄，因發現X射線在晶體中的衍射而獲得了1914年的諾貝爾物理學獎。晶體的X射線衍射的發現，令人們可以通過觀察衍射花紋研究晶體的微觀結構，并且對生物學、化學、材料科學的發展都起到了巨大的推動作用。

英國物理學家布拉格，因使用X射線衍射研究晶體結構方面所做出的開創性貢獻而獲1915年的諾貝爾物理學獎。通過晶體的X射線衍射花樣，與晶體原子排布之間的相互轉換關系，可以精確測定晶體中原子的空間分布。

英國物理學家巴克拉獲得了1917年的諾貝爾物理學獎，該獎項是為了表彰他發現了標識倫琴輻射。

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

匈牙利裔物理學家蓋伯，因發明全息術而獲1971年的諾貝爾物理學獎。全息術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，并在一定條件下再現，形成原物體逼真的立體像。全息術在干涉計量、信息存儲、軍事、藝術等領域，均得到應用。

20世紀下半葉開始，光的相干性與量子性的研究有了密切的結合。

量子性

有關光的量子性的研究發展迅速，所獲得的諾貝爾獎較多，隨著理論和實踐的并行發展，人類對光的本性的認識也在逐步深入。19世紀末到20世紀初，人們對黑體輻射、原子的離散光譜結構以及光電效應的困惑，使經典物理學遇到了嚴峻的挑戰。

為了解決上述問題，20世紀前期的物理學有了極大的突破：

德國物理學家維恩，因發現熱輻射規律，獲得1911年的諾貝爾物理學獎。

德國物理學家普朗克，因提出能量量子理論而獲得1918年的諾貝爾物理學獎。量子力學作為現代物理學兩大支柱之一，推動了計算機、激光等技術的產生，從而引發了新一輪的科技革命。

猶太裔物理學家愛因斯坦，因闡明了光電效應原理而獲1921年的諾貝爾物理學獎。利用光電效應可制作各類光電探測器，用于各個領域的信號檢測。

丹麥物理學家玻爾獲得了1922年的諾貝爾物理學獎，表彰其在研究原子結構，特別是研究從原子出發的輻射所作的貢獻。

美國物理學家康普頓獲得了1927年的諾貝爾物理學獎，因他發現了康普頓效應。“康普頓效應”是發展量子物理學的核心。

光的粒子性以及實物粒子波動性的提出，使人們認識到光具有波粒二象性。這段時期，隨著對光的相干性認識地不斷完善，人們對光的量子性表現出越來越大的興趣。有關光的量子性的理論促進了相應的實驗和應用的發展。

美國物理學家戴維森和英國物理學家湯姆孫共同獲得了1937年的諾貝爾物理學獎。原因是，他們用晶體對電子衍射所做出的實驗發現。電子衍射的發現證實了L.V.德布羅意提出的電子具有波動性的設想，構成了量子力學的實驗基礎。

美國物理學家蘭姆，因對氫原子光譜的精確測量而獲得1955年的諾貝爾物理學獎。氫原子光譜中蘭姆位移的發現顯示了氫原子能級不完全精確符合量子力學理論計算的結果，直接促進了量子電動力學的建立。

荷裔物理學家布羅姆伯根，因激光光譜學和非線性光學的研究而獲1981年諾貝爾物理學獎。在激光出現后，非線性光學得到了長足的發展。

總的來說，對光的量子性的研究使人們對光本性的認識產生了質的飛躍。同時還可以看出，相干性是量子性的重要基礎。量子性是人們對光的本質在更高層次上的認識，是光學發展的必然結果。

至關重要的激光

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

激光的出現給全息光學、量子光學、非線性光學、激光光譜學等領域的研究帶來了深遠的影響。

在第一臺激光器問世后僅4年，美國物理學家查爾斯·湯斯、前蘇聯科學家尼古拉·巴索夫、前蘇聯科學家亞歷山大·普羅霍洛夫三人共同獲得了1964年的諾貝爾物理學獎，因為他們從事量子電子學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。時至今日，激光已在光存儲、通訊、醫療、加工、測量等領域得到廣泛應用。

20世紀60年代以來，特別是激光問世之后，光學還與其他科學技術緊密結合，相互滲透。如：全息技術已經在顯微技術、信息存儲、信息編碼、紅外全息等方面得到了廣泛應用；在集成電路的啟示下，材料科學、電子技術和光學融合發展，形成了集成光學這一邊緣學科，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展將給信息技術開辟一個嶄新的天地。

正如科學家們所說，光電技術將會把人類帶入怎樣的境界無人能夠準確預測，但是光無時無刻不在陪伴和指引著我們未來的生活。