李師群

（清華大學(xué)物理系，北京 100084）

2013年12月20日聯(lián)合國(guó)第六十八屆會(huì)議決定將2015 年設(shè)定為International Year of Light and Light－based Technologies，即 光 和 光 基 技 術(shù)國(guó)際年，簡(jiǎn)稱國(guó)際光年.

聯(lián)合國(guó)大會(huì)作出這個(gè)決定是“認(rèn)識(shí)到光和光基技術(shù)對(duì)世界民眾的生活以及全球社會(huì)多層面未來(lái)發(fā)展的重要性；強(qiáng)調(diào)指出提高全球?qū)饪茖W(xué)技術(shù)的認(rèn)識(shí)和加強(qiáng)這方面的教育，對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家應(yīng)對(duì)可持續(xù)發(fā)展、能源、社區(qū)保健和提高生活質(zhì)量的挑戰(zhàn)至關(guān)重要；……注意到2015 年恰值光科學(xué)歷史上一系列重要成就周年紀(jì)念，包括1015 年伊本·海賽姆的光學(xué)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(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論和1915 年通過(guò)廣義相對(duì)論將光列為宇宙學(xué)的內(nèi)在要素、1965 年彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射以及高錕同年在光通信纖維光導(dǎo)方面取得的成就；考慮到2015 年為這些發(fā)現(xiàn)舉辦周年紀(jì)念活動(dòng)將提供一個(gè)重要的機(jī)會(huì)，可突出宣傳不同領(lǐng)域科學(xué)發(fā)現(xiàn)的連續(xù)性，特別強(qiáng)調(diào)在科學(xué)部門(mén)增強(qiáng)婦女權(quán)益以及在青年特別是發(fā)展中國(guó)家的青年中推廣科學(xué)教育”等（摘自聯(lián)合國(guó)大會(huì)68/221號(hào)文件，見(jiàn)聯(lián)合國(guó)教科文組織（UNESCO）的國(guó)際光年網(wǎng)頁(yè)［1］）.

應(yīng)該說(shuō)，這是一個(gè)非常正確而且充滿智慧的決定.當(dāng)今社會(huì)，基于光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用已充斥到人類各種活動(dòng)的方方面面，我們應(yīng)該讓我們的民眾清楚地認(rèn)識(shí)到光科學(xué)的發(fā)展及其對(duì)人類文明進(jìn)步所起到的巨大作用，以及對(duì)人類社會(huì)的持續(xù)發(fā)展的重要意義.諾貝爾獎(jiǎng)得主、加州理工學(xué)院教授澤韋爾（Ahmed Zewail）說(shuō)，“沒(méi)有光就沒(méi)有文明，太陽(yáng)光和激光已經(jīng)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(shù)到跨洋的IT通信.……國(guó)際光年將激勵(lì)對(duì)光的進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)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(jiǎng)得主、美國(guó)航天局的科學(xué)家馬瑟（John Mather）也指出：“光通過(guò)光合作用給了我們生命，讓我們探知大爆炸后宇宙的演進(jìn)，幫助我們地球上的眾生相互通信，或許還會(huì)幫助我們發(fā)現(xiàn)太空中的其他生物.……甚至在空間探索中研發(fā)的光學(xué)和光子學(xué)技術(shù)都在日常生活中找到了許多有價(jià)值的應(yīng)用.”［2］

本文基于同樣的認(rèn)識(shí)，圍繞國(guó)際光年舉辦周年紀(jì)念的光科學(xué)歷史上的一系列里程碑式的重要成就，在國(guó)際光年之際對(duì)光學(xué)千年的發(fā)展作一次回顧.文中除盡可能全面地列出光學(xué)發(fā)展道路上的重要事件外，還力圖從物理學(xué)的視角給光學(xué)一個(gè)概貌式的觀察.

1 國(guó)際光年周年紀(jì)念的千年中的光學(xué)重要成就

縱觀人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)歷程，我們不得不說(shuō)，實(shí)際上光學(xué)最主要的內(nèi)容都是在近千年，特別是近四、五百年內(nèi)才形成的.聯(lián)合國(guó)大會(huì)選定近一千年中一些年份末位數(shù)正好逢“5”的光科學(xué)歷史上一系列重要成就舉行周年紀(jì)念，雖然難得覆蓋所有光學(xué)的重要成就（例如1960年的激光等），但確實(shí)都是光學(xué)發(fā)展史上里程碑式的成就.這些偉大的學(xué)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(ài)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(ài)因斯坦

彭齊亞斯和威爾遜

高錕

在簡(jiǎn)述這些學(xué)者的里程碑式的貢獻(xiàn)前，我們不能忘記千年之前古人已做過(guò)的對(duì)光的探索.幾乎幾個(gè)世界文明最早的發(fā)源地都先后有過(guò)一系列對(duì)火鏡、光行進(jìn)、光視覺(jué)、光成像的最初思索.其中，古代中國(guó)和古代希臘有著最早的紀(jì)錄.

我國(guó)西周時(shí)期（公元前11 世紀(jì)—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(yáng)燧”，實(shí)即青銅凹面鏡.可見(jiàn)那時(shí)我們的先人已知道用金屬凹面鏡聚焦陽(yáng)光得到明火［3］.到了春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，墨子（公元前490—405年）的著作《墨經(jīng)》里有8條論述了對(duì)光直進(jìn)、光影、光成像的觀察，最著名的是小孔成像現(xiàn)象的描述.在聯(lián)合國(guó)教科文組織（UNESCO）的國(guó)際光年網(wǎng)頁(yè)［1］上，“Science Stories”欄的“Discoverers of Light”條目中，有對(duì)墨子的貢獻(xiàn)的敘述：“…公元前400 年，墨翟——中國(guó)哲學(xué)家和墨家的創(chuàng)始人，第一個(gè)認(rèn)識(shí)到暗箱的概念（后世稱針孔相機(jī)）.他對(duì)光的基本觀測(cè)形成了光學(xué)的起步理論.公元前350年，亞里士多德（Aristotle）通過(guò)觀察光透過(guò)即使是最小的孔仍然會(huì)在地面形成光亮的圓進(jìn)一步證實(shí)了墨翟的光的直線傳播的認(rèn)識(shí)”.2012 年牛津大學(xué)出版的《光學(xué)史》一書(shū)中也說(shuō)：“第一個(gè)有記載的關(guān)于光和視覺(jué)的猜測(cè)發(fā)生在大約公元前5世紀(jì)的東方和希臘…….中國(guó)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(xué)者對(duì)光也有一些出色細(xì)致的探討.他們也很早就知道應(yīng)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(xiě)成）中就有一段“用透明的石頭（玻璃）點(diǎn)火”的對(duì)話［5］.古希臘學(xué)者對(duì)于光視覺(jué)有過(guò)很認(rèn)真的探討.畢達(dá)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(rèn)為視覺(jué)是由物體射出的某種微粒達(dá)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(rèn)為視覺(jué)是眼睛發(fā)出某種東西，遇到物體發(fā)出別的東西形成的.柏拉圖學(xué)派曾講授過(guò)光的直線行進(jìn)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(xué)》（Catoptrics）也探討過(guò)反射.幾百年后，托勒密（Ptolemy，公元2世紀(jì)）甚至探討過(guò)折射現(xiàn)象，測(cè)量過(guò)折射角和入射角，知道兩者角度小時(shí)大體成比例，列成表放在他的光學(xué)著作里［5］.

這些光學(xué)的文明曙光之后，人類對(duì)光現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)有一段漫長(zhǎng)的等待才在公元10世紀(jì)左右迎來(lái)真正的晨輝.這次文明的光芒發(fā)自阿拉伯世界，其代表就是2015國(guó)際光年要紀(jì)念的阿拉伯學(xué)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(jì)，伊斯蘭教的阿拉伯國(guó)家興起，學(xué)者們翻譯并研究了從希臘人圖書(shū)館搶救出來(lái)的希臘古籍，承繼了其科學(xué)思想，出現(xiàn)了科學(xué)史上的阿拉伯時(shí)代.伊本·海賽姆就是這個(gè)時(shí)代阿拉伯學(xué)者的杰出代表.

伊本·海賽姆出生在巴格達(dá)，長(zhǎng)期在開(kāi)羅居住并在那里去世.他是當(dāng)時(shí)杰出的數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家、光學(xué)家.他一生著述甚多，其中不少由中世紀(jì)的歐洲學(xué)者從阿拉伯文翻譯成拉丁文，得以流傳下來(lái)，最負(fù)盛名的是在1015年前后若干年寫(xiě)成的《光學(xué)》（Book of Optics）7卷，這部書(shū)全面發(fā)展了希臘學(xué)者對(duì)光的認(rèn)識(shí).書(shū)的1～3卷是討論光視覺(jué)的，他贊成畢達(dá)哥拉斯和德謨克里特等人的觀點(diǎn)，認(rèn)為視覺(jué)感受來(lái)源于被看見(jiàn)的物體的光；他在書(shū)中研究了光的進(jìn)入、眼的結(jié)構(gòu)、像的形成，特別依據(jù)解剖學(xué)著作詳細(xì)敘述和描繪了人眼，以致至今一些眼的醫(yī)學(xué)術(shù)語(yǔ)都沿用他書(shū)中用詞的拉丁譯文（如角膜、玻璃體等）.《光學(xué)》的4～7卷通過(guò)描述實(shí)際的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明光的直線傳輸，反射和折射，包括應(yīng)用不同的球面鏡、圓柱面鏡和圓錐面鏡等.他發(fā)現(xiàn)平行于主軸的光線入射到柱面鏡上時(shí)，都將反射交會(huì)到這個(gè)軸上；進(jìn)一步提出了后人稱道的“Alhazen問(wèn)題”：在發(fā)光點(diǎn)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(diǎn).特別值得一提的是，他還指出光的反射現(xiàn)象中除反射角等于入射角外，還有“兩者在一個(gè)平面內(nèi)”，從而最終完成了光的反射定律；另外，他設(shè)計(jì)了一個(gè)和現(xiàn)代教學(xué)實(shí)驗(yàn)基本類似的帶刻度圓盤(pán)，垂直放置在水面，仔細(xì)測(cè)量了光進(jìn)入水的入射角和折射角，指出托勒密認(rèn)為的兩者角度成比例是不對(duì)的，可惜也沒(méi)有進(jìn)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(duì)后世歐洲學(xué)者的巨大影響，所以不少西方學(xué)者把他看成為“近代光學(xué)之父”（the father of modern optics）.

海賽姆的光學(xué)書(shū)封面

光視覺(jué)和眼的結(jié)構(gòu)

他的另一貢獻(xiàn)是開(kāi)創(chuàng)了科學(xué)的研究方法論.他強(qiáng)調(diào)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理性的思索.他說(shuō)過(guò)：“如果一個(gè)科學(xué)家的目標(biāo)是尋求真理，那么他必須使自己成為他讀到的東西的‘?dāng)橙恕?”因而用實(shí)驗(yàn)去檢驗(yàn)?zāi)切?xiě)出的東西，而不是盲目地接受它為真理.這與后世發(fā)展出的現(xiàn)代研究方法論的精髓是一致的.

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

在討論菲涅爾的里程碑式的貢獻(xiàn)前，我們有必要扼要回顧一下伊本·海賽姆時(shí)代到菲涅爾時(shí)代之間幾乎8個(gè)世紀(jì)中，光學(xué)發(fā)展中的重要的人和事.這期間包括了歐洲的文藝復(fù)興時(shí)期，其間不乏出現(xiàn)一些光學(xué)巨人及其里程碑式的貢獻(xiàn).

首先要提到的是開(kāi)普勒（J.Kepler，1571—1630），他因天文觀測(cè)而對(duì)光學(xué)頗有研究.1604年他寫(xiě)了描述天文光學(xué)觀測(cè)、眼睛視覺(jué)和各種鏡片的幾何光學(xué)的書(shū)［4］；1611年他又出版《折光學(xué)》一書(shū)，詳細(xì)討論了折射現(xiàn)象，還發(fā)現(xiàn)了全反射［6］，他還在書(shū)中給出了雙凸透鏡的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)，可惜他沒(méi)有去制作.

再就是科學(xué)巨人伽利略（G.Galileo，1564—1642），他是最早制造出望遠(yuǎn)鏡的人之一，最早（1610）用來(lái)進(jìn)行天文觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)月球上的火山口、木星衛(wèi)星、太陽(yáng)黑子.有物理史學(xué)家甚至考證出顯微鏡實(shí)際是伽利略發(fā)明的［5］.伽利略還設(shè)計(jì)了在兩個(gè)山頭之間傳遞燈光來(lái)測(cè)量光速的實(shí)驗(yàn)，但因光速太快，實(shí)驗(yàn)沒(méi)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(guò)實(shí)驗(yàn)在1621 年得到 了 這 個(gè) 定 律.笛 卡 兒（R.Descartes，1596—1650）后來(lái)（1637）在他的《屈光學(xué)》一書(shū)中理論上推出了這個(gè)定律［6］.這里還要提到費(fèi)馬（P.Fermat，1601—1665），1657年他提出了著名的“最小時(shí)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(wèi)星的蝕（被木星自己遮擋）之間的間隔在地球上不同季節(jié)不同，認(rèn)為是木星衛(wèi)星的光穿越地球軌道造成，從而首次測(cè)出了光速.

這期間最耀眼的是科學(xué)巨人牛頓（I.Newton，1642—1727），他在物理學(xué)上的貢獻(xiàn)在那個(gè)時(shí)代無(wú)人能與比肩.在光學(xué)方面他是科學(xué)巨人中唯一著有冠名《光學(xué)》（1704年出版，倫敦曾多次重印，最近版本為1931年版，愛(ài)因斯坦曾為該版作序，該版本的中譯本見(jiàn)文獻(xiàn)［8］）的著作的人.他在1666年用三角棱鏡進(jìn)行了光的色散實(shí)驗(yàn)，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(gè)設(shè)計(jì)制造出反射式望遠(yuǎn)鏡.牛頓在光學(xué)上最有影響的是他的光的微粒說(shuō)，按照這個(gè)理論，光是以微小粒子的形式從發(fā)光體傳播出來(lái)的.光的微粒說(shuō)在18世紀(jì)成為物理學(xué)界的主流學(xué)說(shuō)，直到19世紀(jì)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(dòng)說(shuō)得到普遍承認(rèn).但是，20 世紀(jì)光的粒子性認(rèn)識(shí)又將再現(xiàn)光芒.

我們還要梳理一下這期間關(guān)于光的波動(dòng)性的早期認(rèn)識(shí).首先是1666年出版的格里馬耳迪（F.M.Grimaldi，1618—1663）的書(shū)《光的物理數(shù)學(xué)》中描述的衍射現(xiàn)象［5］（“diffraction”這個(gè)術(shù)語(yǔ)起源于此［4］）.接著胡克（R.Hooke，1635—1703）在1667年出版的書(shū)《顯微術(shù)》中第一個(gè)主張光是由快的振動(dòng)組成的概念［6］.胡克和牛頓之間在1672—1676年間曾對(duì)光到底是由微粒還是波組成展開(kāi)過(guò)爭(zhēng)論.到 了1678 年，著 名 的 惠 更 斯（C.Huygens，1629—1695）在法國(guó)科學(xué)院的一次會(huì)議上提出了《論光》的論文，這是解釋光的波動(dòng)理論的最早的重要嘗試.惠更斯提出了一個(gè)后世以他名字命名的原理，按照這個(gè)原理，光擾動(dòng)所到的“以太”（ether）的每一點(diǎn)，可以看作是一個(gè)新的擾動(dòng)中心，向外發(fā)出球面波，這些次波的包絡(luò)面決定了以后時(shí)刻的波陣面.用這一原理，惠更斯成功推導(dǎo)出反射和折射定律，還解釋了當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的晶體的雙折射現(xiàn)象.1690年他的《光論》一書(shū)出版（1912年英文版的中譯本見(jiàn)文獻(xiàn)［9］）.菲涅爾之前的光的波動(dòng)說(shuō)陣營(yíng)中還有一位重量級(jí)的人物，他就是托馬斯·楊，他的名字因著名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)而名垂青史.1801 年，楊在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)宣讀了關(guān)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(xiàn)象.1807年描述他著名的雙縫（雙孔）干涉實(shí)驗(yàn)的論文發(fā)表［4］.這個(gè)實(shí)驗(yàn)的意義不止局限在光學(xué)，后來(lái)用微觀粒子進(jìn)行的同類實(shí)驗(yàn)也是量子物理中微觀粒子波動(dòng)性的重要證明.

現(xiàn)在我們回到有關(guān)菲涅爾的光的波動(dòng)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(xiàn)，光的波動(dòng)理論才在19 世紀(jì)取得完全的勝利.1815年他將一篇關(guān)于衍射的重要論文寄給了法國(guó)科學(xué)院，接著幾年又完成了一系列論文.在這些研究中他創(chuàng)造性地將楊的干涉原理應(yīng)用到惠更斯的子波包絡(luò)面作圖法中，應(yīng)用數(shù)學(xué)分析進(jìn)行了計(jì)算衍射的嚴(yán)密數(shù)學(xué)推導(dǎo).菲涅爾這樣表達(dá)他的思想：“在任何一點(diǎn)的光波振動(dòng)可以看作在同一時(shí)刻傳播到那一點(diǎn)的光的元振動(dòng)的總和，這些元振動(dòng)來(lái)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(diǎn).”［5］這一思想是一個(gè)很大的進(jìn)步，惠更斯原理只是定性地用子波的包絡(luò)確定以后時(shí)刻的波陣面，楊的干涉原理只是描述了兩個(gè)波在空間的疊加（從而光強(qiáng)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(shuō)“元振動(dòng)”），又要積分計(jì)算所有“元振動(dòng)的總和”而不像楊那樣只是兩個(gè)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(xué)生涯中最為輝煌的時(shí)刻可能是1818年法國(guó)科學(xué)院懸獎(jiǎng)?wù)魑那蠼庋苌鋯?wèn)題那次活動(dòng)時(shí)，他以嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理，采用半波帶法定量計(jì)算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產(chǎn)生的衍射花紋，并與實(shí)驗(yàn)很好吻合.特別傳奇的是評(píng)獎(jiǎng)委員之一的泊松（S.D.Poission，1781—1840）審查菲涅爾的理論時(shí)，得到不透明圓屏的陰影中心應(yīng)有亮點(diǎn)這個(gè)當(dāng)時(shí)認(rèn)為不可能的結(jié)論，但很快被阿拉果（D.F.J.Arago，1786—1853）用2mm 的圓屏實(shí)驗(yàn)所證實(shí)［6］，轟動(dòng)了法國(guó)科學(xué)院.光的波動(dòng)理論從此完全站住了腳.后世稱圓屏陰影中心的亮點(diǎn)為“泊松亮斑”.

泊松亮斑實(shí)驗(yàn)照片

泊松亮斑的數(shù)值計(jì)算顯示圖

菲涅爾還對(duì)在光的波動(dòng)理論框架里認(rèn)識(shí)光偏振作出了重要的貢獻(xiàn).對(duì)光偏振現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)起于1669年巴托萊納斯（E.Bartholinus，1625—1698）在冰洲石中發(fā)現(xiàn)的雙折射，1672年惠更斯將從冰洲石晶體出來(lái)的每一條光線再通過(guò)第二個(gè)冰洲石晶體，并轉(zhuǎn)動(dòng)第二個(gè)晶體，發(fā)現(xiàn)了偏振現(xiàn)象［10］.對(duì)光的偏振現(xiàn)象的解釋，光的微粒論者煞費(fèi)苦心而仍然牽強(qiáng)附會(huì)，包括大權(quán)威牛頓的“光線具有‘側(cè)邊’”論.1808年馬呂斯（E.L.Malus，1775—1812）發(fā)現(xiàn)了反射光的偏振（他1811年首次使用polarisation 這個(gè)術(shù)語(yǔ)［4］），偏振現(xiàn)象不再只局限在雙折射問(wèn)題中，而成為普遍的光學(xué)現(xiàn)象.偏振現(xiàn)象的解釋對(duì)光的波動(dòng)理論也是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)，在馬呂斯的時(shí)代甚至曾有人嘆息這是“波動(dòng)說(shuō)歷史上最黑暗的時(shí)候”.但是幾位主要的光的波動(dòng)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(shí)認(rèn)識(shí)到光波的橫向振動(dòng).楊大約在1817年說(shuō)過(guò)：“波動(dòng)說(shuō)可以解釋橫向振動(dòng)，……粒子的運(yùn)動(dòng)是在相對(duì)于徑向的某個(gè)方向上的，這就是偏振.”菲涅爾和阿拉果1819年共同詳細(xì)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(dòng)才有可能把這個(gè)事實(shí)納入波動(dòng)理論.菲涅爾推進(jìn)了光偏振研究的整個(gè)課題.

菲涅爾還在1821年首先指出色散的起因，應(yīng)考慮物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu).1823年他又從以太振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型出發(fā)推出了反射光和折射光的強(qiáng)度和偏振所服從的、后來(lái)以他名字命名的公式［7］.

2015國(guó)際光年要紀(jì)念的第三位物理學(xué)家是麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831—1879），他在光科學(xué)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(jì)光學(xué)有前面說(shuō)到的輝煌成就，但幾乎獨(dú)立于光學(xué)的電磁學(xué)的發(fā)展更是轟轟烈烈.由于本文的目標(biāo)只是概觀光學(xué)的千年發(fā)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(guān)的一些電磁學(xué)的重要成就.需要更詳細(xì)了解的讀者可參閱文獻(xiàn)［11］.

首 先 是1785 年 庫(kù) 侖（C.A.de Coulomb，1736—1806）通過(guò)他的著名的電扭秤實(shí)驗(yàn)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(jù)庫(kù)侖定律用他精湛的數(shù)學(xué)得到今天稱為高斯定理的靜電學(xué)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(duì)磁體產(chǎn)生作用的著名實(shí)驗(yàn)，激發(fā)了當(dāng)時(shí)研究者對(duì)電磁學(xué)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(gè)示零實(shí)驗(yàn)［11］得到兩個(gè)電流元相互作用力公式，后世稱為安培定律.安培定律實(shí)際包含了同年稍前已報(bào)道的電流元產(chǎn)生磁場(chǎng)的畢奧－薩伐爾－拉普拉斯（Biot－Savart－Laplace）定律和電流元在磁場(chǎng)中受力的安培力公式.安培的這一貢獻(xiàn)，麥克斯韋曾評(píng)價(jià)“形式完美和準(zhǔn)確無(wú)誤”，“科學(xué)中最光輝的成就之一”.1820年真是電磁學(xué)的豐收之年！

接著是1826 年的歐姆（G.S.Ohm，1787—1854）通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的歐姆定律.再就是19世紀(jì)電磁領(lǐng)域最偉大的實(shí)驗(yàn)家法拉第（M.Faraday，1791—1867）1831 年 發(fā) 現(xiàn) 的 電 磁 感 應(yīng) 定 律.在1820年電流的磁效應(yīng)被完全揭示后，經(jīng)過(guò)11年人們終于看到了其逆效應(yīng)，由磁場(chǎng)變化得到電的效應(yīng).偉大的法拉第還以他“力線”（電力線、磁力線）的圖像為后來(lái)者建立場(chǎng)的觀念打下了基礎(chǔ).

科學(xué)巨人麥克斯韋就是在這樣的背景下登上科學(xué)舞臺(tái)的.他天資聰慧，從小受良好的教育，先后在愛(ài)丁堡大學(xué)和劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)，在學(xué)生時(shí)代就因幾項(xiàng)出色的研究嶄露頭角，顯示出過(guò)人的才智、充沛的精力和不屈不饒的堅(jiān)強(qiáng)毅力.畢業(yè)后2 年就成為大學(xué)教授，最后規(guī)劃籌建了劍橋的卡文迪什（Cavendish）實(shí)驗(yàn)室并作為第一任主任多年主持該實(shí)驗(yàn)室的工作.

麥克斯韋最重要的科學(xué)成就是建立了電磁場(chǎng)理論和光的電磁理論.從1854 年起23 歲的麥克斯偉進(jìn)入電磁學(xué)研究領(lǐng)域.他在認(rèn)真研讀法拉第的3卷論文集《電學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究》的基礎(chǔ)上，以近距作用的場(chǎng)的觀念來(lái)研究電磁現(xiàn)象，以他高超的數(shù)學(xué)功底，在10年左右時(shí)間內(nèi)完成了3篇著名的電磁學(xué)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(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》，建立起完整的電磁場(chǎng)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(shù)學(xué)描述外，重要的是通過(guò)分析電磁感應(yīng)效應(yīng)引出后來(lái)（1861年）稱為“渦旋電場(chǎng)”的量.麥克斯韋深刻地認(rèn)識(shí)到，電磁感應(yīng)中即使沒(méi)有導(dǎo)體回路，變化的磁場(chǎng)也會(huì)在其周圍激發(fā)出渦旋電場(chǎng).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(chǔ)上討論電的作用時(shí)，他把極化的討論從靜止推廣到變化的情況，變化的電場(chǎng)像電流一樣會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此引出了獨(dú)創(chuàng)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(jìn)而麥克斯韋把電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的安培環(huán)路定理，也從恒定情況推廣到變化的情況.既然變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生渦旋電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此電磁擾動(dòng)就以波的形式傳播.麥克斯韋計(jì)算了電磁波的傳播速度，與當(dāng)時(shí)光學(xué)測(cè)量的幾乎一致，麥克斯韋因此預(yù)言：“我們不可避免地推論：光是媒質(zhì)中起源于電磁現(xiàn)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(dāng)時(shí)的激動(dòng)之情.第三篇論文是他的電磁場(chǎng)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(chǎng)的理論，因?yàn)樗仨毶婕半娀虼盼矬w附近的空間，它也可以稱為動(dòng)力學(xué)的理論，因?yàn)樗僭O(shè)在該空間存在運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)，導(dǎo)致可以觀察的電磁現(xiàn)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(chǎng)方程組，共20個(gè)標(biāo)量方程，含20個(gè)標(biāo)量變量，方程組因此是完備的.后人將這20 個(gè)標(biāo)量方程組合成矢量形式，形成2個(gè)旋度方程、2個(gè)散度方程（現(xiàn)今稱這4個(gè)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(xiě)出），3個(gè)物質(zhì)方程，1個(gè)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(qiáng)調(diào)：“光是按照電磁規(guī)律經(jīng)過(guò)場(chǎng)傳播的電磁擾動(dòng)”，并且由他的方程組得到電磁波動(dòng)方程，再次計(jì)算得出電磁波傳播速度等于真空中的光速.應(yīng)該指出的是，此后麥克斯韋又在1868年、1873年兩次提供這一結(jié)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(jiàn)文獻(xiàn)［12］）中根據(jù)光的電磁波認(rèn)識(shí)預(yù)言了光壓（1899年被俄國(guó)科學(xué)家列別捷夫（P.N.Lebedev，1866—1911）實(shí)驗(yàn)證實(shí)）.所有這一切，在赫茲1887年實(shí)驗(yàn)顯示電磁波的存在，1888年測(cè)出電磁波波速確實(shí)等于光速后，完全地被科學(xué)界普遍接受.麥克斯韋的光的電磁理論是光學(xué)歷史上重要的里程碑.

麥克斯韋紀(jì)念碑上刻的麥克斯韋方程（英國(guó)愛(ài)丁頓市喬治街）

麥克斯韋依據(jù)他淵博的學(xué)識(shí)、豐富的想象力、深刻的洞察力建立了電磁場(chǎng)理論，使他成為了一位在科學(xué)史上可以與牛頓、愛(ài)因斯坦比肩的科學(xué)巨人.愛(ài)因斯坦在評(píng)價(jià)電磁場(chǎng)理論時(shí)說(shuō)：“……這一變革是物理學(xué)自牛頓以來(lái)的一次最深刻和最富有成效的變革.”麥克斯韋電磁場(chǎng)理論是繼牛頓力學(xué)之后劃時(shí)代的巨大貢獻(xiàn).麥克斯韋方程組還蘊(yùn)含了規(guī)范理論的觀念，正是基于這種觀念才出現(xiàn)了20世紀(jì)粒子物理非常成功的標(biāo)準(zhǔn)模型［13］.

麥克斯韋英年早逝，但他以旺盛的創(chuàng)造力給我們留下了豐富的科學(xué)遺產(chǎn).他還用實(shí)驗(yàn)精確驗(yàn)證了電力的反平方律；在分子運(yùn)動(dòng)論和熱學(xué)方面推出麥克斯韋速度分布律、麥克斯韋關(guān)系式、提出著名的“麥克斯韋妖”；在光學(xué)方面他建立了色度學(xué)的定量理論，提出幾何光學(xué)的絕對(duì)儀器范例“麥克斯韋魚(yú)眼”等等.

2015國(guó)際光年要紀(jì)念的第四位物理學(xué)家是科學(xué)巨人愛(ài)因斯坦（A.Einstein，1879—1955），他在光科學(xué)歷史上的重要成就是1905 年的光電效應(yīng)理論和1915 年通過(guò)廣義相對(duì)論將光列為宇宙學(xué)的內(nèi)在要素.

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

另一個(gè)在光學(xué)中迅速發(fā)展來(lái)的領(lǐng)域是光譜學(xué)［6］.繼德國(guó)人夫瑯和費(fèi)（J.von Fraunhofer，1787—1826）1815 年細(xì)心觀察太陽(yáng)光譜后，1859年德國(guó)人基爾霍夫（G.R.Kirchhoff，1824—1887）和本生（R.W.Bunsen，1811—1899）制成了第一臺(tái)棱鏡光譜儀，研究了很多元素的火焰光譜.19世紀(jì)最后20年氫光譜線系的仔細(xì)觀測(cè)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(guī)律的研究由此展開(kāi).1896年塞曼（P.Zeeman，1865—1943）發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)可以使放置其中的原子的光譜線分裂，后世稱塞曼效應(yīng).

與此相聯(lián)系的是光通過(guò)加有外場(chǎng)的物質(zhì)的一些新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn).首先是1845年法拉第發(fā)現(xiàn)某些物質(zhì)放置在磁場(chǎng)中時(shí)通過(guò)的光的偏振狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，是一種磁光效應(yīng)，又稱法拉第效應(yīng).現(xiàn)代的光隔離器就是依據(jù)這個(gè)效應(yīng)設(shè)計(jì)的.1875年克爾（J.Kerr，1824—1907）發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)電場(chǎng)中，某些各向同性的透明介質(zhì)會(huì)變成各向異性的，從而使光的傳輸發(fā)生變化，效應(yīng)與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成比例，稱二次電光效應(yīng)，也稱克爾效應(yīng).1893年泡克爾斯（F.C.A.Pockels，1865—1913）發(fā)現(xiàn)某些單軸晶體在強(qiáng)電場(chǎng)中會(huì)變成雙軸晶體，從而使光的傳輸發(fā)生變化，效應(yīng)與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的一次方成比例，稱線性電光效應(yīng)，也稱泡克爾斯效應(yīng).這兩種電光效應(yīng)是現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)中電光調(diào)制器、電光開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)原理.

還需要簡(jiǎn)單提一下一個(gè)新發(fā)展起來(lái)的領(lǐng)域—熱輻射［6］，它實(shí)際可看成是特殊情況的光學(xué).因溫度不同輻射能量隨波長(zhǎng)的分布不同是首先被關(guān)注的問(wèn)題，1859 年基爾霍夫提出熱輻射定律，1862年又提出絕對(duì)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(shí)驗(yàn)表明該定律在短波方向與實(shí)驗(yàn)符合得好，而 長(zhǎng) 波 方 向 差；1900 年 瑞 利（L.Rayleigh，1842—1919）提出新的輻射公式，在長(zhǎng)波方向與實(shí)驗(yàn)符合得好；同年普朗克（M.Plack，1858—1947）用能量不連續(xù)的諧振子模型推出了與實(shí)驗(yàn)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(chǎng).

再接著應(yīng)該提到對(duì)“光以太”（或“電磁以太”）的研究.人們認(rèn)為虛空中存在以太這種特殊媒質(zhì)由來(lái)已久.光的波動(dòng)論被認(rèn)可后，探索傳播光波的以太的實(shí)驗(yàn)不斷涌現(xiàn).菲涅爾提出以太的機(jī)械模型，推出以太被運(yùn)動(dòng)物體“拖曳”的結(jié)果，1851 年斐索用光通過(guò)流水做實(shí)驗(yàn)支持了菲涅爾的模型.但在真空中，菲涅爾的曳引系數(shù)為零，以太應(yīng)靜止，因此地球在以太中運(yùn)動(dòng)應(yīng)感到“以太風(fēng)”，著名的實(shí)驗(yàn)家邁克耳孫與莫雷（E.W.Morley，1842—1919）1887 年精細(xì)地進(jìn)行了名垂青史的干涉實(shí)驗(yàn)，得到否定的結(jié)果.現(xiàn)在我們知道，邁克耳孫與莫雷“精湛的實(shí)驗(yàn)工作，鋪平了相對(duì)論發(fā)展的道路”（愛(ài)因斯坦語(yǔ)）.到20世紀(jì)，科學(xué)家已丟棄了以太的概念.

最后是光學(xué)中最重要的效應(yīng)之一光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和研究了.最初是赫茲在1887年做電磁波實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)紫外光照射到放電火花隙金屬電極時(shí)放電增強(qiáng)，接著這一、二年，幾位物理學(xué)家進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，明確了金屬負(fù)電極在光（紫外光、電弧光、陽(yáng)光）照射下會(huì)釋放出帶電負(fù)粒子，形成光電流.到1899年湯姆孫（J.J.Thomson，1856—1940）用磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)法測(cè)光電流的荷質(zhì)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(tǒng)做了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，得到光電流只有當(dāng)光的頻率超過(guò)一個(gè)臨界值時(shí)才產(chǎn)生，而與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)等結(jié)論.經(jīng)典理論解釋與這些結(jié)論格格不入，解釋光電效應(yīng)的重任落在了20世紀(jì)科學(xué)家的肩上.

歷史選擇了年輕的科學(xué)天才愛(ài)因斯坦以耀眼的方式照亮了新世紀(jì)的物理舞臺(tái).在1905年，這個(gè)被后世稱為“愛(ài)因斯坦奇跡年”的不平凡的一年里，愛(ài)因斯坦發(fā)表了3篇影響整個(gè)物理學(xué)界至今的論文.第一篇是《關(guān)于光的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化的啟發(fā)性觀點(diǎn)》，在這篇論文里，愛(ài)因斯坦提出了“光量子”的概念（“光子”（photon）這個(gè)術(shù)語(yǔ)直到1926年才由G.N.Lewis建議后廣泛使用），以新的觀點(diǎn)圓滿解釋了光電效應(yīng)，這是我們國(guó)際光年要紀(jì)念的他的一個(gè)里程碑式的巨大成就.第二篇是《熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜液體中懸浮微粒的運(yùn)動(dòng)》，內(nèi)容包括布朗運(yùn)動(dòng)，證實(shí)原子的真實(shí)存在，并以新的方式確定玻爾茲曼常數(shù).第三篇是《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，內(nèi)容包括狹義相對(duì)論及隨之而來(lái)的著名的質(zhì)能公式，這也是影響巨大的物理學(xué)歷史上的豐碑.

站在光學(xué)的立場(chǎng)我們把關(guān)注點(diǎn)聚焦到愛(ài)因斯坦提出“光量子”的那篇論文.愛(ài)因斯坦在文章的前言中革命性地提出他的思想［14］：“關(guān)于黑體輻射、光致發(fā)光、紫外光產(chǎn)生陰極射線，以及其他一些有關(guān)光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象的觀察，如果用光的能量在空間中不是連續(xù)分布的這種假說(shuō)來(lái)解釋，似乎就更好理解.按照這里所設(shè)想的假設(shè)，從點(diǎn)光源發(fā)射出來(lái)的光束的能量在傳播中不是連續(xù)分布在越來(lái)越大的空間中，而是由個(gè)數(shù)有限的、局限在空間各點(diǎn)的能量子所組成，這些能量子能夠運(yùn)動(dòng)，但不能再分割，而只能整個(gè)地被吸收或產(chǎn)生出來(lái).”這是典型的光的微粒說(shuō).在物理學(xué)界剛剛歡呼麥克斯韋的光的電磁理論全面成功的時(shí)代，年輕的愛(ài)因斯坦提出這樣清楚明白的挑戰(zhàn)性的觀點(diǎn)，真可以說(shuō)是石破天驚！

愛(ài)因斯坦是從熱輻射問(wèn)題入手說(shuō)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(ài)因斯坦考察了單色輻射的熵及其極限定律，進(jìn)而按照玻耳茲曼原理來(lái)解釋單色輻射熵對(duì)體積的依賴關(guān)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(nèi)），從熱學(xué)方面看，就好像它是由一些互不相關(guān)的、大小為Rβν/N 的能量子組成.”［14］

這篇文章的第二個(gè)重點(diǎn)是用光量子的觀點(diǎn)圓滿解釋了光電效應(yīng).在第8節(jié)“關(guān)于固體通過(guò)輻照而產(chǎn)生陰極射線”中，愛(ài)因斯坦得到了著名的光電方程，并依此指出，實(shí)驗(yàn)中加上的遏制光電流產(chǎn)生的電勢(shì)與光的頻率的函數(shù)“必定是一條直線，它的斜率同所研究的物質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)”.這一結(jié)論經(jīng)歷了11年，才在1916年由美國(guó)物理學(xué)家密立根（R.Millikan，1868—1953）用精細(xì)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)［6］.

密立根光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中遏制光電流的電勢(shì)與光的頻率的關(guān)系圖（摘自Physical Review 7（3），p377（1916））

愛(ài)因斯坦1905年對(duì)光學(xué)、乃至物理學(xué)的這個(gè)里程碑式的貢獻(xiàn)，使他榮獲1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).他的光量子的觀念，除了光電效應(yīng)的檢驗(yàn)，后來(lái)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(shí)驗(yàn)更全面（不只在能量守恒方面，還在動(dòng)量守恒方面）地檢驗(yàn)，歷經(jīng)考驗(yàn)，終被物理學(xué)界普遍接受.光除了體現(xiàn)波動(dòng)性的一面，還會(huì)體現(xiàn)粒子性的一面，這種認(rèn)識(shí)影響科學(xué)界至今.

國(guó)際光年還要紀(jì)念偉大的愛(ài)因斯坦1915 年提出廣義相對(duì)論的巨大貢獻(xiàn)，這一理論應(yīng)用到宇宙學(xué)，使人們認(rèn)識(shí)到光應(yīng)該列為宇宙學(xué)的內(nèi)在要素.廣義相對(duì)論無(wú)疑是人類思想史中的輝煌篇章，它基于兩個(gè)基本原理，即等效原理和廣義協(xié)變?cè)?，?yīng)用黎曼張量運(yùn)算，得到著名的引力場(chǎng)方程，開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)研究的先河.廣義相對(duì)論與光學(xué)明顯相關(guān)的有兩處：一處是廣義相對(duì)論的3 個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)、光線在引力場(chǎng)中的彎曲、光譜線的引力紅移）有兩個(gè)密切與光有關(guān)；另一處是基于愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程發(fā)展起來(lái)的宇宙學(xué)理論，導(dǎo)出宇宙膨脹的結(jié)果（雖然愛(ài)因斯坦并未注意到他的理論會(huì)導(dǎo)出這樣的結(jié)果），哈勃（E.P.Hubble，1889—1953）等人觀測(cè)星云的紅移支持這一結(jié)果，彭齊亞斯（A.Penzias，1933—）和 威 爾 遜（R.Wilson，1936—）觀測(cè)宇宙微波背景輻射也支持這一結(jié)果，這樣宇宙起源于一次大爆炸的現(xiàn)代宇宙學(xué)建立起來(lái)了.在大爆炸理論中，光（輻射）存在始終，理所當(dāng)然應(yīng)該列為宇宙學(xué)的內(nèi)在要素.

《廣義相對(duì)論基礎(chǔ)》手稿第一頁(yè)（現(xiàn)存以色列希伯來(lái)大學(xué)）

科學(xué)巨人愛(ài)因斯坦是少數(shù)幾個(gè)最偉大的科學(xué)家之一，他在物理學(xué)上的貢獻(xiàn)幾乎可以說(shuō)無(wú)人能比.即使在光學(xué)方面，他的里程碑式的貢獻(xiàn)也不止國(guó)際光年紀(jì)念的這兩項(xiàng)，1916年他的輻射的量子理論，提出了受激輻射的概念，直接導(dǎo)致了1954年微波激射器、1960年激光的產(chǎn)生；他1924年將玻色統(tǒng)計(jì)用于原子理想氣體，預(yù)言原子氣體“簡(jiǎn)并”的理論，70年后催生了意義重大的玻色－愛(ài)因斯坦凝聚的實(shí)現(xiàn).

2015國(guó)際光年要紀(jì)念的最后三位物理學(xué)家是彭齊亞斯、威爾遜和高錕，1965 年彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射，高錕在光纖光導(dǎo)理論方面取得突破.

我們?nèi)匀缓?jiǎn)要回顧一下從愛(ài)因斯坦提出光量子概念的1905年到1965年間光學(xué)的重要進(jìn)展.這個(gè)時(shí)段里也不乏一些光學(xué)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?yàn)閄 射線的研究常常與通常光學(xué)的研究方法一致.自1895 年倫琴（W.K.Rongen，1845—1923）發(fā)現(xiàn)X 射線以來(lái)，經(jīng)過(guò)十多年人們才確定X射線實(shí)際是波長(zhǎng)比可見(jiàn)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(shí)驗(yàn)證實(shí)的.1913年布拉格父子（W.H.Bragg，1862—1942；W.L.Bragg，1890—1971）進(jìn)一步將X 射線衍射用于晶體分析，可依據(jù)衍射圖樣得到晶格常數(shù).1916 年德拜（P.J.W.Debye，1884—1966）發(fā)展出X 射線粉末衍射法.

接著要提到幾項(xiàng)光譜研究中重要效應(yīng)的發(fā)現(xiàn).一是原子光譜線在電場(chǎng)中發(fā)生分裂的現(xiàn)象在1913年被斯塔克（J.Stark，1874—1957）發(fā)現(xiàn)，該效應(yīng)后世即以他的名字命名.再一個(gè)是1928年印度物理學(xué)家拉曼（C.V.Raman，1888—1970）發(fā)現(xiàn)光照射到物質(zhì)上散射光頻率會(huì)發(fā)生變化，后世以他的名字命名的這種效應(yīng)對(duì)分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)非常有用，以致在很多領(lǐng)域拉曼光譜儀的應(yīng)用十分普遍.另一項(xiàng)是1947年蘭姆（W.E.Lamb，1913—2008）用微波方法測(cè)出氫原子精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)的位移，該位移的產(chǎn)生起源于原子和真空?qǐng)鰸q落的相互作用，是量子電動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，由此蘭姆獲1955年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

另一項(xiàng)與前面的磁光效應(yīng)、電光效應(yīng)并列同屬與控制光密切相關(guān)的新效應(yīng)——聲光效應(yīng)也在這期間被發(fā)現(xiàn).1922 年布里淵（L.N.Brillouin，1889—1969）提出在介質(zhì)中傳輸?shù)穆暡〞?huì)對(duì)光發(fā)生衍射，后世稱為聲光效應(yīng).該效應(yīng)后來(lái)在10 年后的1932年被德拜等人實(shí)驗(yàn)證實(shí).現(xiàn)代的聲光調(diào)制器是基于這個(gè)效應(yīng)設(shè)計(jì)的.

再就是光學(xué)上非常有名的全息術(shù).1948年伽伯（D.Gabor，1900—1979）提出了全息照相術(shù)，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(xué)技術(shù).普通照相只記錄物體面上反射光的光強(qiáng)分布，不能記錄位相信息，而全息照相術(shù)將光源發(fā)出的光分為兩束，一束經(jīng)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(chǎn)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(xiàn)被攝物的像.全息術(shù)在1960年激光器發(fā)明后才得到迅速發(fā)展.伽伯因發(fā)明和發(fā)展了全息照相術(shù)，獲得了1971年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

還必須著重談到光學(xué)、乃至物理學(xué)在20世紀(jì)的一個(gè)偉大的里程碑式的成就——1960 年激光的實(shí)現(xiàn).激光的原意是“用輻射的受激發(fā)射放大光”（laser），其精髓是1916年愛(ài)因斯坦提出的受激輻射的概念.這一思想首先在微波段實(shí)現(xiàn).1954年湯斯（C.H.Towenes，1915—2015）等人完成了“用輻射的受激發(fā)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(rèn)為這一思想也可在光頻段實(shí)現(xiàn)，終于1960 年由梅曼（T.H.Maiman，1927—2007）研制成功了第一臺(tái)紅寶石激光器.緊接著氦氖激光器和其他激光器也相繼問(wèn)世，如今激光器已發(fā)展成各種介質(zhì)、各種波長(zhǎng)、各種工作形式（連續(xù)、脈沖）、各種功率、各種脈寬、各種線寬的相干光源.激光的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了光學(xué)的發(fā)展，一個(gè)生機(jī)勃勃的現(xiàn)代光學(xué)時(shí)代開(kāi)始了.由于湯斯的杰出貢獻(xiàn)，他和其他兩位前蘇聯(lián)的科學(xué)家一起榮獲1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

這個(gè)時(shí)段中我們最后要提到的是促成現(xiàn)代量子光學(xué)興起的兩個(gè)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(qiáng)度干涉實(shí)驗(yàn).該實(shí)驗(yàn)一反以往干涉實(shí)驗(yàn)中的振幅－振幅干涉模式，實(shí)現(xiàn)的是強(qiáng)度－強(qiáng)度干涉，從此推動(dòng)光學(xué)進(jìn)入了光的高階相干性研究的新階段；該實(shí)驗(yàn)還為后來(lái)研究光場(chǎng)的量子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)和非經(jīng)典光場(chǎng)提供了手段.這個(gè)時(shí)段的另一個(gè)重要的研究進(jìn)展是格勞伯（Roy.J.Glauber，1925—）在1963年發(fā)表的光的量子相干理論.格勞伯將光場(chǎng)的光電檢測(cè)過(guò)程用量子方法描述，系統(tǒng)地引入相干態(tài)來(lái)研究光場(chǎng)的量子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，為量子光學(xué)的現(xiàn)代發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ).因此格勞伯于2005年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

現(xiàn)在我們回到有關(guān)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(cè)到宇宙微波背景輻射，這是20世紀(jì)60年代天文學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)，被譽(yù)為現(xiàn)代大爆炸宇宙學(xué)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(xué)的奠基人伽莫夫（G.Gamov，1904—1968）1948 年就預(yù)言，原初大爆炸的那個(gè)“火球”由于膨脹冷卻，在現(xiàn)今宇宙應(yīng)殘留下來(lái)大約10K 的背景輻射，頻譜在微波區(qū).觀測(cè)宇宙微波背景輻射被認(rèn)為是一個(gè)檢驗(yàn) 宇宙模型的里程碑，吸引若干天體物理學(xué)家投入探測(cè)，例如普林斯頓的迪克（R.H.Dicke，1916—1997）等.但幸運(yùn)落在在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的彭齊亞斯和威爾遜身上，從1964年起他們把一臺(tái)喇叭型的天線指向天空用以研究來(lái)自太空的無(wú)線電信號(hào)，他們改進(jìn)了設(shè)備的性能，排除了所有可能的噪聲源，發(fā)現(xiàn)總有多余的相當(dāng)3K 左右的背景噪聲.經(jīng)過(guò)迪克等人的討論確認(rèn)，彭齊亞斯和威爾遜觀測(cè)到的背景信號(hào)，就是大家夜思?jí)粝氲挠钪嫖⒉ū尘拜椛?1965年兩個(gè)研究組同時(shí)發(fā)表了分別是理論和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(cè)量”［15］.后來(lái)又有一些研究者進(jìn)一步的觀測(cè)，包括在氣球上、火箭上、衛(wèi)星（COBE）上的觀測(cè)，證實(shí)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(yīng)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(xué)獎(jiǎng)，利用COBE 衛(wèi)星觀測(cè)到宇宙微波背景中微弱的各向異性現(xiàn)象的兩位科學(xué)家馬瑟（J.Mather）和斯穆特（G.Smoot）榮獲2006年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

這一年在大西洋彼岸的英國(guó)，在國(guó)際電話電報(bào)公司（ITT）工作的、眼睛一直盯著地面通信的華裔科學(xué)家高錕（Charles K.Kao，1933—）投出了一篇注定后來(lái)會(huì)影響到世界的研究論文，論文的題目是：“光頻介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)”［16］.文章開(kāi)創(chuàng)性地指出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理，描述了長(zhǎng)程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性，特別強(qiáng)調(diào)只要解決好石英基玻璃的純度和成分等問(wèn)題，就能夠利用玻璃制作光學(xué)纖維，當(dāng)玻璃纖維損耗率下降到20dB/km 時(shí)，高效傳輸信息將成為可能.他能提出這個(gè)當(dāng)時(shí)人們都還認(rèn)識(shí)不到的革命性的通信新模式不是偶然的.高錕從1957年即開(kāi)始從事光導(dǎo)纖維在通信領(lǐng)域中運(yùn)用的探索.1964 年，他提出在電話網(wǎng)絡(luò)中以光代替電流，以玻璃纖維代替導(dǎo)線；1965 年在無(wú)數(shù)次試驗(yàn)的基礎(chǔ)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(shù)的一次革命.如今利用多股光纖制成的光纜已經(jīng)鋪遍全球，成為互聯(lián)網(wǎng)、全球通信網(wǎng)絡(luò)等的基石，光纖構(gòu)成了支撐我們信息社會(huì)的環(huán)路系統(tǒng).諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)這樣說(shuō)：“光流動(dòng)在細(xì)小如線的玻璃絲中，它攜帶著各種信息數(shù)據(jù)向每一個(gè)方向傳遞，文本、音樂(lè)、圖片和視頻因此能在瞬間傳遍全球.”光纖還在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、軍事等很多其他領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.由于他的這一開(kāi)創(chuàng)性的重要貢獻(xiàn)，高錕被譽(yù)為“光纖之父”，還榮獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).高錕是繼李政道、楊振寧、丁肇中、李遠(yuǎn)哲、朱棣文、崔琦及錢(qián)永健之后，第八位獲得諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)的華裔科學(xué)家.

從上面圍繞國(guó)際光年舉辦周年紀(jì)念的光科學(xué)歷史上的一系列里程碑式的重要成就，我們對(duì)光學(xué)千年的發(fā)展作的回顧可以看到，人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，光學(xué)是人類文明的知識(shí)寶庫(kù)中極為燦爛的一部分.1960 年激光出現(xiàn)后，光學(xué)進(jìn)入了一個(gè)通常稱為現(xiàn)代光學(xué)的新階段.從后面的內(nèi)容我們可以看到，現(xiàn)代光學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展中最為活躍的分支之一，也是影響人類社會(huì)最為深刻的分支之一.

（未完待續(xù)；下期內(nèi)容預(yù)告：

2 光學(xué)的現(xiàn)代發(fā)展和光子學(xué)

3 光學(xué)的技術(shù)應(yīng)用）

［1］聯(lián)合國(guó) 教 科 文 組 織（UNESCO）國(guó) 際 光 年 網(wǎng) 頁(yè)：http：//www.light2015.org/Home.html（中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)物理學(xué)會(huì)國(guó)際光年網(wǎng)頁(yè)：http：//www.lightchina.org.cn）

［2］國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)（SPIE）網(wǎng)頁(yè)：http：//spie.org/x105138.xml

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