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沈元壤:光的历史和光学新纪元

发布时间:2016-12-14来源:浙江大学:求是新闻网作者:沈元壤浏览次数:581


今天讲的是光的故事。光,大家都很熟悉,它照亮了我们的世界,让地球有了温暖,维持着我们的生命。人跟动物的区别,就是人会思考,思考得很深,所以一般人就不会简单满足于看到光,而是想怎么样去利用光,这是一个充满了传奇的故事。

  

几千年前,人们相信眼睛会放光

3000多年前,古希腊出现自然哲学,只要你大胆假设,能够自圆其说,不需要求证就能让人相信。当时,人们认为世界由四种元素构成,它们分别是:火、空气、土和水。基于这种认知,以毕达哥拉斯(Pythagorus 582-504 BC)为代表的哲学家们认为,视觉的产生是由于人眼发射出的火焰遇到了物体,反射得到的几何学鼻祖欧几里得则提出,光一定是走直线的。他在著作《Optica》中阐明了几何光学的基本原理。在此之后的一些哲学家则认为,光是由微小的颗粒组成,并具有无限大的传输速度。

此后,长达十几个世纪中,包括随之而来的中世界的欧洲 文化 黑暗时代5-14世纪), 光学没有太多进展。期间,最引人注目的来自于一位阿拉伯哲学家与科学家,Ibn Al-Haytham (965-1040 AD)。他提出人能够看到物体,是因为光进入了人眼;光是由一系列微小颗粒构成;光的射是由于光在不同介质中传输速度不同造成的。他是实验科学的先驱者。他通过实验发现了小孔成像——(通过一个小孔,在孔一侧的物体可以在另一侧的显示屏上成倒像)。所他是小孔照相机的发明者。

  

从自然哲学到自然科学

文艺复兴(1450-1630 AD)的到来终结了黑暗的中世纪。在随后的两个世纪(15-16世纪)中,失落的知识被逐渐恢复;而在17世纪,开始大量的实验观测与理论推导,科学就此勃发展。在这一时期,人们不再满足于大胆假设,而是要求必须小心求证。自然哲学开始转移成自然科学。光学作为自然科学的前沿学科带动了自然科学的发展。

开普勒天体运动三定理大家都听到过、学到过,其实开普勒对光学的贡献也很大。开普勒提出,我们的眼睛是个凸透镜,我们看到的景象其实是倒影,而不是原来的景象。他也解释了为什么会有远视和近视,但没有试验证明。一直等到笛卡尔(Descartes把牛的眼睛挖出来当成凸透镜做实验,才证明了这个假说。

伽利略大家也都听说过,他向别人学习制作了一台天文望远镜,因此看到了木星有四个卫星,这是人类天文学实验的开始。伽利略提倡科学要依赖于实验的结果,因此被尊为实验科学的鼻祖。

之后,在光学的研究上,科学家们通过实验得出了折射定理。当时,大家认为白光是最纯的光,如果白光受了污染就会出现颜色。比如白光经过棱镜会折射出很多颜色。但是白光经过小孔或者狭缝的时候,也会看到透射颜色出现,这个大家都不能解释。1676年,罗默(Romer)第一次通过天文观察测出了光的速度,证明了光的速度是有限的,而不是无穷大这些都是自然哲学迈向自然科学的起点。


牛顿与胡克的争论:光是波还是颗粒?

光学领域的一件大事是牛顿的加入,大家都知道牛顿力学,他其实对光做了很多研究。牛顿认为光是由很多小颗粒形成的,白光并不是纯的光,而是很多有颜色的颗粒组成的,不同颜色的颗粒大小不同,它们的速度在物质里面也不一样。为了证明光的颜色不是由于白光受到污染,他设计了一个实验:一束白光进入一个棱镜后,出来就变成有颜色了,让这些光再进入一个倒置的菱镜,你就会发现出来的又变成一束白光。这就充分证明了牛顿的白光理论。他认为折射现象是由于光在介质中的传输速度大于在空气中,说法却是不对的.

然而,由于粒子学说不能解释光的偏振、衍射、散射等现象,当时许多科学家持有不同意见。其中的代表人物是著名科学家胡克(Hooke)。他认为光的本质是一种波,而并非粒子。光的波动学说可以很好地解释光的反射、折射、散射以及干涉等物理现象。笛卡尔则认为光的传输方式与声波相似,以压力波的方式在一种特殊的物质plenumether中传输。

科学争论逐渐演变为科学家间的私人恩怨。无论多么伟大的科学家,总归会受到人性的困扰。无论是胡克还是牛顿都坚信自己的理论。当时,胡克担任伦敦皇家科学院的学监。他对牛顿的光微粒学说进行了毫不留情的批评:牛顿)论文中的很多观点是错误的。文中仅有的正确论述来自于对我的理论的剽窃。胡克去世之后,牛顿才当选皇家科学院的院长(1703年),并在第二年出版了著作《Opticks》。在牛顿的光环下, 之后一段时间里,粒子说占据着优势,但是也有Euler等人仍在提倡波动理论。 (Euler 是一位伟大的数学家与科学家他的一生约有900本著作,他的写作速度甚至可以达到每周一部著作。在他1746年出版的著作《Theory of Light and Colors》中,他提出光是一种波,并认为不同颜色的光具有不同的频率。然而,他的依据主要基于数学推导,而未给出形象的物理图像描述,因此影响力有限。牛顿的理论在当时占据主导地位。在一段时间之后,才由于出现了一系列能够证明光具有波动性的实验,光的波动理论才得以重生。其中最广为人知、最为重要的实验是1801年 的杨氏双缝实验。此后,菲涅耳(Fresnel)、夫琅和费(Fraunhofer)等科学家进一步运用光的波动学说解释了光的偏振、衍射等特性;Foucault 通过实验证明了光在介质中的传输速度小于在空气中,否定了牛顿光粒子说中关于光折射的理论。这一系列的实验让大家都相信光是波,而不是颗粒。

随后法拉第(Faraday)通过实验验证了电磁振荡,并绘制了场线图。麦克斯韦提出了著名的麦克斯韦方程组,他注意到:电磁波与光的传输速度如此的接近,因而我们有充足的理由认为光(包括热与其它形式的辐射)本质上是一种电磁波“The velocity of em waves is so nearly that of light that it seems we have strong reason to conclude that light itself (including heat and other radiation) is an electromagnetic disturbance in the form of waves propagated through the em field according to em laws.”)从此,人们知道光就是电磁波。麦克斯韦另外的一个贡献,就是他证明了如果把三种基本的颜色用不同的比例混在一起,可以得到不同的颜色。彩色显示屏幕的显色,就是根据这个得来的。

 

二十世纪初期光引领着科学迈向量子纪元

19世纪的中后期,有了牛顿的力学,有了麦克斯韦的电磁学,很多现象都能够解释了。物理科学发展似乎已走到尽头。可是一个意想不到的发现,往往能改变整个情况,开创了科学的新纪元。这个纪元就是量子物理纪元。而这个发现就是对黑体辐射的了解。

怎么回事呢?在那个时候电灯泡已经问世,人们需要研究怎样才能更有效的让电能转变成光。因此,1900年,Planck测量了黑体辐射光谱。但是他发现光波的理论无法解释紫外波段测得的光谱。要完善的解释所得光谱,他必须假设光波的能量是不连续的,而是以单位能为hν组成的。这里hν是一个常数,ν是光波的频率。这一发现似乎指出了光应该是由携带ν能量的颗粒(光子)组成的,将粒子学说重新拉回人们的视野中。随后的一系列实验的确证实了光子的概念:爱因斯坦光电效应实验的结果证实了光子带有能量hν,而康普顿(Compton)的散射实验则证明了光子带有动量hν/c

经过两百多年的争论,人们似乎又回到了问题起点:

光的本质究竟是什么?

现在广为人们所熟知与接受的波粒二象性学说应运而生:光同时具有粒子性与波动性。但是需要概率统计概念的参入。

前文提及的杨氏双缝实验,是通常用来说明光的波粒二象性的。如果把光子一个一个的射向双狭缝,每一光子只能穿过或左或右的一条狭缝,击到狭缝后面的屏幕上,产生一个亮点。单一光子不可能产生干涉条纹。但是当光子穿过狭缝的数目逐渐增加,初始显示的屏幕亮点,似乎是杂乱无章、看似随机分布的,体现了光的粒子性;随后亮点会逐渐组成清晰的干涉条纹,体现出的是光的波动性。

  

激光的来临,创造了现代光学的新纪元

光推动了20世纪前期量子力学的快速发展。可是对光学本身来说,进展并不很大,主要是在应用方面。光谱变成了一个工具,用来研究原子、分子,凝聚物质等。在实际应用方面则有照明,取像等。基础光学的发展逐渐变得暮气沉沉。随后激光出现了。及时为光学重振生气。奠造出一个新纪元。

激光(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER)的想法来源于爱因斯坦1916年提出的受激辐射理论:处于激发态的原子会向低能级跃迁而发出一个光子。跃迁几率与已存在的相同光子的数目成正比。基于这个效应,发射光的强度会像雪崩时沿着山坡滚动的雪球一样越越大。1951年,C.H. Townes首先制成了MASER(微波受激辐射的器具)1960年,第一个激光发射器诞生。从此以后,光学的领域就完全改观了,激光几乎进入了所有的科技领域,带动了其他学科的快速进步和发展。

与普通光相比,激光具有亮度高、方向性好、单色性好、相干性好等特点。它在娱乐、教育、军事、医疗等等各个日常生活领域都有极广泛的应用,例如:激光美容、激光秀、GPS,激光雷达等。

激光对现代科学的发展更是巨大的影响。它使得几乎所有科技领域都起了根本的改变。1960年激光诞生日至今,已经有14个诺贝尔奖颁发给了与激光相关的研究工作。

  

量子光学的诞生

对于基础光学本身,激光的出现重新引发了人们对于光本质的探索。什么是光子?根据上文所述,光子是具有一定能量(hν)与动量(hν/c)的粒子,那么它的空间与时间分布特性是怎样的?根据量子力学理论,我们知道粒子的空间特性可以用波包来描述。光子的波包具有能量hν与动量hν/c。如果一个光脉冲的时间非常短,那么对应的光谱应该非常宽,而非一个固定的单一频率值。那么光子的频率(ν)到底应该如何表征呢?这个问题可以用量子力学中的概率概念来解释,如同之前提及的杨氏双缝实验。每一个单光子脉冲进入光谱仪,会在频谱上产生一个亮点在大量的单光子脉冲重复测量之后,我们可以在频谱上得到光脉冲波应有的完整光谱。将光子视为一种量子粒子,并通过统计概念来解释相关实验现象开启了量子光学的研究;该理论在2006年被授予诺贝尔奖。

光子理论与经典光学大有不同。在杨氏双缝实验中,由于单个光子的不可分割性,单个光子只能从两个狭缝中的某一个穿过到达显示屏。与此相似,单个光子在经过50:50分光片时,必然以相同的概率从透过通道或反射通道出射,而绝不可能同时出现在两个通道内。如果两个无法分辨的全同光子从两个正交方向同时入射分光器,会发生什么现象?实验发现,虽然出射有两个通道,但是两个光子必然经由同一个通道射出,而且从任一通道出射的概率相同;这证明两个光子构成了一个纠缠光子对。

上述的纠缠光子可以由参量荧光过程来产生。一般来说,两个纠缠光子的特性不必相同。但是如果其中一个光子被检测到,知道了它的特性,我们立即可以知道另一个光子的特性,不管它离开前一个光子多远,这一信息的获取是超越时间与空间的。爱因斯坦始终无法接受这一理论。他将其称呼为幽灵般的现象,并与波多尔斯基(Podolsky)和罗森(Rosen)文驳斥,现象被称为献中提出了“EPR悖论”(Einstein-Podolsky-Rosen paradox但现在这现象被实验证明。纠缠光子现在正被用来发展量子保密通讯以及量子数据处理和量子计算。



来自激光的一些新兴科技领域

下面简单介绍一些近年来激光光学如何改变科学世界的例子。

  

非线性光学:通常情况下,我们看到的光学现象都是线性的。而非线性光学效应是一些强光场下发生的光学现象。最简单的例子是倍频,和谱,差频的产生。大家常见的绿光激光笔发射的绿光就是由红外激光倍频得来的。实际上笔内发光组件是近红外激光,在激光通过一块晶体后, 产生倍频光,而射出的是绿光。目前通过倍频非线性效应得到的倍频数可达5000,也就是说通过如此高阶倍频效应,人们可以将激光的频率拓展到软X光射线范围。

另一种常见的非线性效应是激光自聚焦。它是由于光波强度能改变介质的折射率,进而影响入射光波的波前,使得传输光自动聚焦而且可能形成一条强光细束。飞秒短脉冲的强激光在空气中也能自动聚焦形成一公里以上的细束线。它可以诱导闪电改变原来的途径而沿着细束传输。这可能用来控制闪电。

  

强光脉冲的强电场:强激光的电场强度非常之大。相对于强度为1019 W/cm2的激光, 其电场强度约为 3×1010 V/cm, 比电子束缚于原子核附近所需的库仑力大两个数量级。在小于半个光波周期的时间内,光的电场可以将一个电子加速至接近光速。因此可以产生非常强的强光非线性效应。强激光脉冲可以激发气体介质的等离子体震荡,用来加速电子可以获得高达几个GeV/cm的动能。由此产生的电子可以被用来产生X射线。相比于另一种同类技术——同步辐射技术,这种方法可以在手掌大小的空间内实现电子加速(而同步辐射仪器占用空间非常大,需要修建单独的大建筑才能放置)。

  

光学精密测量:激光极佳的单色性可以用来非常准确的测试光波的频率。精度可达到10-18量级,转换成时间,用来计时,十亿年內错误不会多于一秒。

用激光来操作干涉仪,可以测量得到10-18米(比人头发的直径小1013)的长度变化,这使得最近引力波的测量成为可能。

  

光学成像:激光可以用来帮助我们看东西。大家知道原子和分子一定存在,但是也许没有见到过单原子单分子。但是利用激光激发荧光,单原子和单分子就很容易观察到。激光显微镜用在观察生物系统上,能大大提高分辨力。比如可以用来追踪细菌如何进入细胞。最近发展出的超高显微镜技术(2014诺贝尔奖)更进一步提高了一个数量级的分辨力,使得如神经干线的精细结构都能看到。

用极短脉冲激光来成像,可以观察到时间分辨率至10-16秒的物体的动态过程。因此可以用来探讨物质中分子,原子,电子等的运动状况。

激光还可以帮我们更清晰的观察天象。我们平时看到的星星是一闪一闪的。为什么呢?这是因为星光穿过漂动大气层时波前受到不定的干扰。如果我们打一束激光上去,把大气层之上的钠原子层激发,产生荧光,如同在天上造了一颗极的人造星。从荧光穿过大气层进入望远镜看到的模糊的人造星图像,我们就能定量知道大气层是如何改变光的波前的。因此就可以对望远镜得到的图像进行修正,把模糊的图像变成清晰的图像。举例来说,一颗双子星,普通望远镜见到的只是一颗模糊的星。但是经过激光人造星修正后,就可以很清楚的看到两个分离的星。

光致物质特性改变:激光还可以用来控制物性。某些物质在激光激发下本来不是超导体的物质可以变成超导体,本来不是铁磁的物质可以变成铁磁。激光可以把物体加热到很高温度。但也可以把物体冷却下来。激光冷却的原理在于激发物质的光频率小于发出荧光的频率。在这过程中,物质因为流逝了能量而变冷。利用激光冷却技术,科学家们得到了一种全新的物质态:密度如一般气体的波色子及费米子凝聚态。开展了一个目前原子物理方面最活跃最受注意的崭新领域。

激光也可以用内部压缩的方法来压缩物质。目前已能做到使物质的密度增加100倍。相似于星球内部的物质。在这类高密度的物质中,电子基本上都已不被原子核束缚住。传统的能带,化学键,电子轨道等概念不再适用。物理学必须再从基础出发来谋求了解。当压缩程度再进一步,会发生核聚变效应。如果核聚变发出的能超过了输入的能,我们就可以获得一个取之不尽用之不竭的能源。

激光核聚变虽然还未成功,光学也还有不少问题尚待解决,但是从过去半个世纪光学快速发展的情况来判断,这个光学新纪元的前景必然是无限明的。


(根据沈元壤教授11月8日在“海外名师大讲堂”讲座录音整理。录音整理 周炜 辛晨光)