光学千年发展（一）：千年发展概观

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光学千年发展（一）：千年发展概观

2016-07-09

李师群

清华大学物理系

2013年12月20日联合国第六十八届会议决定将2015年设定为International Years of Light and Light-based Technologies，即光和光基技术国际年，简称国际光年．

联合国大会作出这个决定是“认识到光和光基技术对世界民众的生活以及全球社会多层面未来发展的重要性；强调指出提高全球对光科学技术的认识和加强这方面的教育，对于发达国家和发展中国家应对可持续发展、能源、社区保健和提高生活质量的挑战至关重要；……注意到2015年恰值光科学历史上一系列重要成就周年纪念，包括1015年伊本·海赛姆的光学著作、1815年菲涅尔提出的光波概念、1865年麦克斯韦提出的光电磁传播理论、1905年爱因斯坦的光电效应理论和1915年通过广义相对论将光列为宇宙学的内在要素、1965年彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景辐射以及高锟同年在光通信纤维光导方面取得的成就；考虑到2015年为这些发现举办周年纪念活动将提供一个重要的机会，可突出宣传不同领域科学发现的连续性，特别强调在科学部门增强妇女权益以及在青年特别是发展中国家的青年中推广科学教育”等（摘自联合国大会68／221号文件，见联合国教科文组织（UNESCO）的国际光年网页［１］）．

应该说，这是一个非常正确而且充满智慧的决定．当今社会，基于光学技术的应用已充斥到人类各种活动的方方面面，我们应该让我们的民众清楚地认识到光科学的发展及其对人类文明进步所起到的巨大作用，以及对人类社会的持续发展的重要意义．诺贝尔奖得主、加州理工学院教授泽韦尔（Ahmed Zewail）说，“没有光就没有文明，太阳光和激光已经成为我们每天生活的重要部分———从超市的条码扫描、眼科手术到跨洋的IT通信．……国际光年将激励对光的进一步的发现和应用，光已成为我们生存的最重要的元素之一”．另一位诺贝尔奖得主、美国航天局的科学家马瑟（John Mather）也指出：“光通过光合作用给了我们生命，让我们探知大爆炸后宇宙的演进，帮助我们地球上的众生相互通信，或许还会帮助我们发现太空中的其他生物．……甚至在空间探索中研发的光学和光子学技术都在日常生活中找到了许多有价值的应用．”［２］

本文基于同样的认识，围绕国际光年举办周年纪念的光科学历史上的一系列里程碑式的重要成就，在国际光年之际对光学千年的发展作一次回顾．文中除尽可能全面地列出光学发展道路上的重要事件外，还力图从物理学的视角给光学一个概貌式的观察．

　　１国际光年周年纪念的千年中的光学重要成就

　　纵观人类对光的认识历程，我们不得不说，实际上光学最主要的内容都是在近千年，特别是近四、五百年内才形成的．联合国大会选定近一千年中一些年份末位数正好逢“５”的光科学历史上一系列重要成就举行周年纪念，虽然难得覆盖所有光学的重要成就（例如１９６０年的激光等），但确实都是光学发展史上里程碑式的成就．这些伟大的学者和成就是：

1015 Ibn Al Haythem（伊本·海赛姆）Book of Optics

1815 Fresnel （菲涅尔）The wave nature of light

1865 Maxwell （麦克斯韦）Electromagnetic field theory of light

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

1965 Penzias and Wilson（彭齐亚斯和威尔逊）Cosmic microwave background

1965 Charles Kao （高锟）Optical fiber technology

在简述这些学者的里程碑式的贡献前，我们不能忘记千年之前古人已做过的对光的探索．几乎几个世界文明最早的发源地都先后有过一系列对火镜、光行进、光视觉、光成像的最初思索．其中，古代中国和古代希腊有着最早的纪录．

我国西周时期（公元前１１世纪—７７０年）的《周礼．秋官司寇》记载，“司烜氏”官职，“掌以夫遂取明火于日”．“夫遂”又名“阳燧”，实即青铜凹面镜．可见那时我们的先人已知道用金属凹面镜聚焦阳光得到明火［３］．到了春秋战国时期，墨子（公元前490—405年）的著作《墨经》里有８条论述了对光直进、光影、光成像的观察，最著名的是小孔成像现象的描述．在联合国教科文组织（UNESCO）的国际光年网页［１］上，“Science Stories”栏的“Discoverers of Light”条目中，有对墨子的贡献的叙述：“…公元前400年，墨翟———中国哲学家和墨家的创始人，第一个认识到暗箱的概念（后世称针孔相机）．他对光的基本观测形成了光学的起步理论．公元前350年，亚里士多德（Aristotle）通过观察光透过即使是最小的孔仍然会在地面形成光亮的圆进一步证实了墨翟的光的直线传播的认识”．2012年牛津大学出版的《光学史》一书中也说：“第一个有记载的关于光和视觉的猜测发生在大约公元前５世纪的东方和希腊……．中国的墨家论及了光线的传输和光的反射、折射．”［４］

古代希腊的学者对光也有一些出色细致的探讨．他们也很早就知道应用火镜，在希腊古剧作家阿里斯托芬（Aristophanes，公元前446—385年）的剧本《云》（公元前424年写成）中就有一段“用透明的石头（玻璃）点火”的对话［５］．古希腊学者对于光视觉有过很认真的探讨．毕达哥拉斯（Pythagoras，公元前570—496年）和德谟克里特（Democritus，公元前460—371年）等人认为视觉是由物体射出的某种微粒达到眼睛形成的；而恩培多克勒（Empedocles，公元前493？—433？年）、柏拉图（Plato，公元前427—343年）和欧几里得（Euclid，公元前330？—275？年）等人认为视觉是眼睛发出某种东西，遇到物体发出别的东西形成的．柏拉图学派曾讲授过光的直线行进以及反射，知道反射角与入射角相等，欧几里得的著作《反射光学》（Catoptrics）也探讨过反射．几百年后，托勒密（Ptolemy，公元２世纪）甚至探讨过折射现象，测量过折射角和入射角，知道两者角度小时大体成比例，列成表放在他的光学著作里［５］．

这些光学的文明曙光之后，人类对光现象的认识有一段漫长的等待才在公元10世纪左右迎来真正的晨辉．这次文明的光芒发自阿拉伯世界，其代表就是2015国际光年要纪念的阿拉伯学者伊本·海赛姆（Ibn Al Haythem，拉丁文名Alhazen，公元965—1040）．

约在公元８世纪，伊斯兰教的阿拉伯国家兴起，学者们翻译并研究了从希腊人图书馆抢救出来的希腊古籍，承继了其科学思想，出现了科学史上的阿拉伯时代．伊本·海赛姆就是这个时代阿拉伯学者的杰出代表．

伊本·海赛姆出生在巴格达，长期在开罗居住并在那里去世．他是当时杰出的数学家、天文学家、光学家．他一生著述甚多，其中不少由中世纪的欧洲学者从阿拉伯文翻译成拉丁文，得以流传下来，最负盛名的是在1015年前后若干年写成的《光学》（Book of Optics）７卷，这部书全面发展了希腊学者对光的认识．书的１～３卷是讨论光视觉的，他赞成毕达哥拉斯和德谟克里特等人的观点，认为视觉感受来源于被看见的物体的光；他在书中研究了光的进入、眼的结构、像的形成，特别依据解剖学著作详细叙述和描绘了人眼，以致至今一些眼的医学术语都沿用他书中用词的拉丁译文（如角膜、玻璃体等）．《光学》的４～７卷通过描述实际的实验来说明光的直线传输，反射和折射，包括应用不同的球面镜、圆柱面镜和圆锥面镜等．他发现平行于主轴的光线入射到柱面镜上时，都将反射交会到这个轴上；进一步提出了后人称道的“Alhazen问题”：在发光点和眼睛的位置已定的情况下，寻找球面镜、圆柱面镜和圆锥面镜上的反射点．特别值得一提的是，他还指出光的反射现象中除反射角等于入射角外，还有“两者在一个平面内”，从而最终完成了光的反射定律；另外，他设计了一个和现代教学实验基本类似的带刻度圆盘，垂直放置在水面，仔细测量了光进入水的入射角和折射角，指出托勒密认为的两者角度成比例是不对的，可惜也没有进一步得到折射定律．他还非常清楚地分析了小孔暗箱的作用．由于他的这一著作对后世欧洲学者的巨大影响，所以不少西方学者把他看成为“近代光学之父”（the father of modern optics）．

　　海赛姆的光学书封面

　　光视觉和眼的结构

他的另一贡献是开创了科学的研究方法论．他强调用实验验证理性的思索．他说过：“如果一个科学家的目标是寻求真理，那么他必须使自己成为他读到的东西的‘敌人’．”因而用实验去检验那些写出的东西，而不是盲目地接受它为真理．这与后世发展出的现代研究方法论的精髓是一致的．

2015国际光年要纪念的第二位物理学家是200年前的法国的菲涅尔（A. J. Fresnel 1788-1827），他在光科学历史上的重要成就是1815年左右的光的波动性理论．

在讨论菲涅尔的里程碑式的贡献前，我们有必要扼要回顾一下伊本·海赛姆时代到菲涅尔时代之间几乎８个世纪中，光学发展中的重要的人和事．这期间包括了欧洲的文艺复兴时期，其间不乏出现一些光学巨人及其里程碑式的贡献．

首先要提到的是开普勒（J. Kepler, 1571-1630），他因天文观测而对光学颇有研究．1604年他写了描述天文光学观测、眼睛视觉和各种镜片的几何光学的书［４］；1611年他又出版《折光学》一书，详细讨论了折射现象，还发现了全反射［６］，他还在书中给出了双凸透镜的望远镜设计，可惜他没有去制作．

再就是科学巨人伽利略（G. Galileo, 1564-1642），他是最早制造出望远镜的人之一，最早（1610）用来进行天文观测，发现月球上的火山口、木星卫星、太阳黑子．有物理史学家甚至考证出显微镜实际是伽利略发明的［５］．伽利略还设计了在两个山头之间传递灯光来测量光速的实验，但因光速太快，实验没有能成功［６］．

折射定律的最后完成也是在这一期间，斯涅尔（W. Snell, 1591-1626）通过实验在1621年得到了这个定律．笛卡儿（R. Descartes, 1596-1650）后来（1637）在他的《屈光学》一书中理论上推出了这个定律［６］．这里还要提到费马（P. Fermat, 1601-1665），1657年他提出了著名的“最小时间原理”，可方便地推出折射定律［７］．

1676年罗默（O. Romer, 1644-1710）利用木星卫星的蚀（被木星自己遮挡）之间的间隔在地球上不同季节不同，认为是木星卫星的光穿越地球轨道造成，从而首次测出了光速．

这期间最耀眼的是科学巨人牛顿（I. Newton, 1642-1727），他在物理学上的贡献在那个时代无人能与比肩．在光学方面他是科学巨人中唯一著有冠名《光学》（1704年出版，伦敦曾多次重印，最近版本为1931年版，爱因斯坦曾为该版作序，该版本的中译本见文献［８］）的著作的人．他在1666年用三角棱镜进行了光的色散实验，证明了白光是由不同颜色的光组成的，这些不同颜色的光的折射性能不同．他还在1668年第一个设计制造出反射式望远镜．牛顿在光学上最有影响的是他的光的微粒说，按照这个理论，光是以微小粒子的形式从发光体传播出来的．光的微粒说在１８世纪成为物理学界的主流学说，直到１９世纪初才由于托马斯·杨（T. Young, 1773-1829）和菲涅尔等人的努力使光的波动说得到普遍承认．但是，２０世纪光的粒子性认识又将再现光芒．

我们还要梳理一下这期间关于光的波动性的早期认识．首先是1666年出版的格里马耳迪（F. M. Grimaldi, 1618-1663）的书《光的物理数学》中描述的衍射现象［５］（“diffraction”这个术语起源于此［４］）．接着胡克（R. Hooke, 1635-1703）在1667年出版的书《显微术》中第一个主张光是由快的振动组成的概念［６］．胡克和牛顿之间在1672-1676年间曾对光到底是由微粒还是波组成展开过争论．到了1678年，著名的惠更斯（C. Huygens, 1629-1695）在法国科学院的一次会议上提出了《论光》的论文，这是解释光的波动理论的最早的重要尝试．惠更斯提出了一个后世以他名字命名的原理，按照这个原理，光扰动所到的“以太”（ether）的每一点，可以看作是一个新的扰动中心，向外发出球面波，这些次波的包络面决定了以后时刻的波阵面．用这一原理，惠更斯成功推导出反射和折射定律，还解释了当时已发现的晶体的双折射现象．1690年他的《光论》一书出版（1912年英文版的中译本见文献［９］）．菲涅尔之前的光的波动说阵营中还有一位重量级的人物，他就是托马斯·杨，他的名字因著名的双缝干涉实验而名垂青史．1801年，杨在英国皇家学会宣读了关于薄片颜色的论文，干涉原理的引入是他这篇论文跨出的一大步，他第一次用干涉原理彻底地解释了声和光的干涉现象．1807年描述他著名的双缝（双孔）干涉实验的论文发表［４］．这个实验的意义不止局限在光学，后来用微观粒子进行的同类实验也是量子物理中微观粒子波动性的重要证明．

现在我们回到有关菲涅尔的光的波动理论的话题．从历史上看，就是主要由于他的里程碑式的贡献，光的波动理论才在１９世纪取得完全的胜利．1815年他将一篇关于衍射的重要论文寄给了法国科学院，接着几年又完成了一系列论文．在这些研究中他创造性地将杨的干涉原理应用到惠更斯的子波包络面作图法中，应用数学分析进行了计算衍射的严密数学推导．菲涅尔这样表达他的思想：“在任何一点的光波振动可以看作在同一时刻传播到那一点的光的元振动的总和，这些元振动来自所考察的未受阻拦的波的所有部分在它以前位置的任何一点．”［５］这一思想是一个很大的进步，惠更斯原理只是定性地用子波的包络确定以后时刻的波阵面，杨的干涉原理只是描述了两个波在空间的叠加（从而光强的空间分布显示干涉条纹），而菲涅尔的理论既包含了惠更斯的子波概念（菲涅尔说“元振动”），又要积分计算所有“元振动的总和”而不像杨那样只是两个波的叠加．后世所以把这种惠更斯原理加上干涉原理称为惠更斯－菲涅尔原理．

　　菲涅尔科学生涯中最为辉煌的时刻可能是1818年法国科学院悬奖征文求解衍射问题那次活动时，他以严密的数学推理，采用半波带法定量计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹，并与实验很好吻合．特别传奇的是评奖委员之一的泊松（S. D. Poission, 1781-1840）审查菲涅尔的理论时，得到不透明圆屏的阴影中心应有亮点这个当时认为不可能的结论，但很快被阿拉果（D. F. J. Arago, 1786-1853）用２ｍｍ的圆屏实验所证实［６］，轰动了法国科学院．光的波动理论从此完全站住了脚．后世称圆屏阴影中心的亮点为“泊松亮斑”．

　　泊松亮斑实验照片

　　泊松亮斑的数值计算显示图

菲涅尔还对在光的波动理论框架里认识光偏振作出了重要的贡献．对光偏振现象的认识起于1669年巴托莱纳斯（E. Bartholinus, 1625-1698）在冰洲石中发现的双折射，1672年惠更斯将从冰洲石晶体出来的每一条光线再通过第二个冰洲石晶体，并转动第二个晶体，发现了偏振现象［１０］．对光的偏振现象的解释，光的微粒论者煞费苦心而仍然牵强附会，包括大权威牛顿的“光线具有‘侧边’”论．1808年马吕斯（E. L. Malus, 1775-1812）发现了反射光的偏振（他1811年首次使用polarisation这个术语［４］），偏振现象不再只局限在双折射问题中，而成为普遍的光学现象．偏振现象的解释对光的波动理论也是一个严峻的考验，在马吕斯的时代甚至曾有人叹息这是“波动说历史上最黑暗的时候”．但是几位主要的光的波动论者杨、阿拉果、菲涅尔都投入到光的偏振研究中，杨和菲涅尔几乎同时认识到光波的横向振动．杨大约在1817年说过：“波动说可以解释横向振动，……粒子的运动是在相对于径向的某个方向上的，这就是偏振．”菲涅尔和阿拉果1819年共同详细研究了偏振的光的４种情况的干涉，包括偏振方向一致的光能够干涉，偏振互相垂直的光不能干涉等［１０］．菲涅尔明确指出，只有横向振动才有可能把这个事实纳入波动理论．菲涅尔推进了光偏振研究的整个课题．

菲涅尔还在1821年首先指出色散的起因，应考虑物质的分子结构．1823年他又从以太振动的动力学模型出发推出了反射光和折射光的强度和偏振所服从的、后来以他名字命名的公式［７］．

2015国际光年要纪念的第三位物理学家是麦克斯韦（J. C. Maxwell, 1831-1879），他在光科学历史上的重要成就是1865年提出的光的电磁理论．

虽然１９世纪光学有前面说到的辉煌成就，但几乎独立于光学的电磁学的发展更是轰轰烈烈．由于本文的目标只是概观光学的千年发展，因此这里只扼要罗列在麦克斯韦电磁波理论前与之密切相关的一些电磁学的重要成就．需要更详细了解的读者可参阅文献［１１］．

首先是1785 年库仑（C. A. de Coulomb, 1736-1806）通过他的著名的电扭秤实验得到后世以他名字命名的电荷相互作用力的定律，接着1839年高斯（C. F. Gauss, 1777-1855）依据库仑定律用他精湛的数学得到今天称为高斯定理的静电学的基本定理；另一方面，奥斯特（H. C. Oersted, 1777-1851）1820年完成了电流对磁体产生作用的著名实验，激发了当时研究者对电磁学的研究热情．很快，伟大的安培（A. M. Ampere, 1775-1836）在同年年底基于他的４个示零实验［１１］得到两个电流元相互作用力公式，后世称为安培定律．安培定律实际包含了同年稍前已报道的电流元产生磁场的毕奥－萨伐尔－拉普拉斯（Biot-Savart-Laplace）定律和电流元在磁场中受力的安培力公式．安培的这一贡献，麦克斯韦曾评价“形式完美和准确无误”，“科学中最光辉的成就之一”．1820年真是电磁学的丰收之年！

接着是1826年的欧姆（G. S. Ohm, 1787-1854）通过实验得到的欧姆定律．再就是１９世纪电磁领域最伟大的实验家法拉第（M. Faraday, 1791-1867）1831年发现的电磁感应定律．在1820年电流的磁效应被完全揭示后，经过１１年人们终于看到了其逆效应，由磁场变化得到电的效应．伟大的法拉第还以他“力线”（电力线、磁力线）的图像为后来者建立场的观念打下了基础．

科学巨人麦克斯韦就是在这样的背景下登上科学舞台的．他天资聪慧，从小受良好的教育，先后在爱丁堡大学和剑桥大学学习，在学生时代就因几项出色的研究崭露头角，显示出过人的才智、充沛的精力和不屈不饶的坚强毅力．毕业后２年就成为大学教授，最后规划筹建了剑桥的卡文迪什（Cavendish）实验室并作为第一任主任多年主持该实验室的工作．

麦克斯韦最重要的科学成就是建立了电磁场理论和光的电磁理论．从1854年起23岁的麦克斯伟进入电磁学研究领域．他在认真研读法拉第的３卷论文集《电学的实验研究》的基础上，以近距作用的场的观念来研究电磁现象，以他高超的数学功底，在10年左右时间内完成了３篇著名的电磁学论文，即1855-1856年的《论Faraday力线》，1861-1862年的《论物理力线》，1865年的《电磁场的动力学理论》，建立起完整的电磁场理论［１１］．

在第一篇论文里，麦克斯韦除了给法拉第的力线图像以定量的数学描述外，重要的是通过分析电磁感应效应引出后来（1861年）称为“涡旋电场”的量．麦克斯韦深刻地认识到，电磁感应中即使没有导体回路，变化的磁场也会在其周围激发出涡旋电场．在第二篇论文里，麦克斯韦建立了传播电磁作用的“以太”的“分子涡旋”电磁模型，在其基础上讨论电的作用时，他把极化的讨论从静止推广到变化的情况，变化的电场像电流一样会产生磁场，因此引出了独创的“位移电流”的概念（位移电流的最终定义是在1865年的第三篇论文中），进而麦克斯韦把电流产生磁场的安培环路定理，也从恒定情况推广到变化的情况．既然变化的磁场产生涡旋电场，变化的电场产生磁场，因此电磁扰动就以波的形式传播．麦克斯韦计算了电磁波的传播速度，与当时光学测量的几乎一致，麦克斯韦因此预言：“我们不可避免地推论：光是媒质中起源于电磁现象的横波”［１１］．这段话在原文中麦克斯韦用斜体字，充分表示了他当时的激动之情．第三篇论文是他的电磁场理论大厦的巅峰，他明确地指出：“我所提议的理论可以称为电磁场的理论，因为它必须涉及电或磁物体附近的空间，它也可以称为动力学的理论，因为它假设在该空间存在运动着的物质，导致可以观察的电磁现象．”麦克斯韦在这篇论文中列出了后世以他名字命名的电磁场方程组，共２０个标量方程，含２０个标量变量，方程组因此是完备的．后人将这２０个标量方程组合成矢量形式，形成２个旋度方程、２个散度方程（现今称这４个方程为麦克斯韦方程组，最初由亥维赛德（O. Heaviside, 1850-1925）和赫兹（H. R. Hertz, 1857-1894）写出），３个物质方程，１个电荷守恒方程．在这篇论文里，麦克斯韦在其第六部分“光的电磁理论”中再次强调：“光是按照电磁规律经过场传播的电磁扰动”，并且由他的方程组得到电磁波动方程，再次计算得出电磁波传播速度等于真空中的光速．应该指出的是，此后麦克斯韦又在1868年、1873年两次提供这一结论的不同的证明，还在他1873年的巨著《电磁通论》（西方曾有多次版本，近期的中译本见文献［１２］）中根据光的电磁波认识预言了光压（1899年被俄国科学家列别捷夫（P. N. Lebedev, 1866-1911）实验证实）．所有这一切，在赫兹1887年实验显示电磁波的存在，1888年测出电磁波波速确实等于光速后，完全地被科学界普遍接受．麦克斯韦的光的电磁理论是光学历史上重要的里程碑．

　　麦克斯韦纪念碑上刻的麦克斯韦方程（英国爱丁顿市乔治街）

麦克斯韦依据他渊博的学识、丰富的想象力、深刻的洞察力建立了电磁场理论，使他成为了一位在科学史上可以与牛顿、爱因斯坦比肩的科学巨人．爱因斯坦在评价电磁场理论时说：“……这一变革是物理学自牛顿以来的一次最深刻和最富有成效的变革．”麦克斯韦电磁场理论是继牛顿力学之后划时代的巨大贡献．麦克斯韦方程组还蕴含了规范理论的观念，正是基于这种观念才出现了２０世纪粒子物理非常成功的标准模型［１３］．

麦克斯韦英年早逝，但他以旺盛的创造力给我们留下了丰富的科学遗产．他还用实验精确验证了电力的反平方律；在分子运动论和热学方面推出麦克斯韦速度分布律、麦克斯韦关系式、提出著名的“麦克斯韦妖”；在光学方面他建立了色度学的定量理论，提出几何光学的绝对仪器范例“麦克斯韦鱼眼”等等．

2015国际光年要纪念的第四位物理学家是科学巨人爱因斯坦（A. Einstein, 1879-1955），他在光科学历史上的重要成就是1905年的光电效应理论和1915年通过广义相对论将光列为宇宙学的内在要素．

在我们进入２０世纪仰望伟大的爱因斯坦为光学、乃至物理学竖起的丰碑之前，让我们还是再回望一下１９世纪菲涅尔、麦克斯韦之后光学的主要进展．这里首先要提到的是光速的测量［６］．继1676年罗默利用木星卫星的蚀测量光速、1728年布拉德雷（J. Bradley, 1693-1782）根据恒星的光行差再次测量光速之后，1849年斐索（A. H. Fizeau, 1819-1896）用旋转齿轮法首次在地面的实验测得光速，1862年傅科（J. L. Foucault, 1819-1868）用旋转镜法也测得了光速．之后著名的实验家迈克耳孙（A. A. Michelson, 1852-1931）用改进的旋转镜法在1879、1883年多次更好地测量了光速．

另一个在光学中迅速发展来的领域是光谱学［６］．继德国人夫琅和费（J. von Fraunhofer, 1787-1826）1815年细心观察太阳光谱后，1859年德国人基尔霍夫（G. R. Kirchhoff, 1824-1887）和本生（R. W. Bunsen, 1811-1899）制成了第一台棱镜光谱仪，研究了很多元素的火焰光谱．１９世纪最后２０年氢光谱线系的仔细观测研究特别重要，促成了1884年巴耳末（J. J. Balmer, 1825-1898）提出氢光谱的巴耳末公式．各元素光谱规律的研究由此展开．1896年塞曼（P. Zeeman, 1865-1943）发现磁场可以使放置其中的原子的光谱线分裂，后世称塞曼效应．

与此相联系的是光通过加有外场的物质的一些新现象的发现．首先是1845年法拉第发现某些物质放置在磁场中时通过的光的偏振状态会发生变化，是一种磁光效应，又称法拉第效应．现代的光隔离器就是依据这个效应设计的．1875年克尔（J. Kerr, 1824-1907）发现在强电场中，某些各向同性的透明介质会变成各向异性的，从而使光的传输发生变化，效应与所加电场强度的平方成比例，称二次电光效应，也称克尔效应．1893年泡克尔斯（F. C. A. Pockels, 1865-1913）发现某些单轴晶体在强电场中会变成双轴晶体，从而使光的传输发生变化，效应与所加电场强度的一次方成比例，称线性电光效应，也称泡克尔斯效应．这两种电光效应是现代光学实验中电光调制器、电光开关的设计原理．

还需要简单提一下一个新发展起来的领域—热辐射［６］，它实际可看成是特殊情况的光学．因温度不同辐射能量随波长的分布不同是首先被关注的问题，1859年基尔霍夫提出热辐射定律，1862年又提出绝对黑体的概念；1893 年维恩（W. Wien, 1864-1928）提出辐射能量分布定律，后几年的实验表明该定律在短波方向与实验符合得好，而长波方向差；1900年瑞利（L. Rayleigh, 1842-1919）提出新的辐射公式，在长波方向与实验符合得好；同年普朗克（M. Plack, 1858-1947）用能量不连续的谐振子模型推出了与实验资料很好吻合的辐射定律，后世以他名字命名．量子理论由此登场．

再接着应该提到对“光以太”（或“电磁以太”）的研究．人们认为虚空中存在以太这种特殊媒质由来已久．光的波动论被认可后，探索传播光波的以太的实验不断涌现．菲涅尔提出以太的机械模型，推出以太被运动物体“拖曳”的结果，1851年斐索用光通过流水做实验支持了菲涅尔的模型．但在真空中，菲涅尔的曳引系数为零，以太应静止，因此地球在以太中运动应感到“以太风”，著名的实验家迈克耳孙与莫雷（E. W. Morley, 1842-1919）1887年精细地进行了名垂青史的干涉实验，得到否定的结果．现在我们知道，迈克耳孙与莫雷“精湛的实验工作，铺平了相对论发展的道路”（爱因斯坦语）．到２０世纪，科学家已丢弃了以太的概念．

最后是光学中最重要的效应之一光电效应的发现和研究了．最初是赫兹在1887年做电磁波实验时发现紫外光照射到放电火花隙金属电极时放电增强，接着这一、二年，几位物理学家进一步实验，明确了金属负电极在光（紫外光、电弧光、阳光）照射下会释放出带电负粒子，形成光电流．到1899年汤姆孙（J. J. Thomson, 1856-1940）用磁场偏转法测光电流的荷质比，证明了光电流和阴极射线、β射线一样，都是由电子组成的．1900年勒纳德（P. Lenard, 1862-1947）系统做了光电效应实验，得到光电流只有当光的频率超过一个临界值时才产生，而与光的强度无关等结论．经典理论解释与这些结论格格不入，解释光电效应的重任落在了２０世纪科学家的肩上．

历史选择了年轻的科学天才爱因斯坦以耀眼的方式照亮了新世纪的物理舞台．在1905年，这个被后世称为“爱因斯坦奇迹年”的不平凡的一年里，爱因斯坦发表了３篇影响整个物理学界至今的论文．第一篇是《关于光的产生与转化的启发性观点》，在这篇论文里，爱因斯坦提出了“光量子”的概念（“光子”（photon）这个术语直到1926年才由G. N. Lewis建议后广泛使用），以新的观点圆满解释了光电效应，这是我们国际光年要纪念的他的一个里程碑式的巨大成就．第二篇是《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮微粒的运动》，内容包括布朗运动，证实原子的真实存在，并以新的方式确定玻尔兹曼常数．第三篇是《论动体的电动力学》，内容包括狭义相对论及随之而来的著名的质能公式，这也是影响巨大的物理学历史上的丰碑．

站在光学的立场我们把关注点聚焦到爱因斯坦提出“光量子”的那篇论文．爱因斯坦在文章的前言中革命性地提出他的思想［１４］：“关于黑体辐射、光致发光、紫外光产生阴极射线，以及其他一些有关光的产生和转化的现象的观察，如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假说来解释，似乎就更好理解．按照这里所设想的假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的空间中，而是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来．”这是典型的光的微粒说．在物理学界刚刚欢呼麦克斯韦的光的电磁理论全面成功的时代，年轻的爱因斯坦提出这样清楚明白的挑战性的观点，真可以说是石破天惊！

爱因斯坦是从热辐射问题入手说明引入“光量子”的必要性的，在分析普朗克和维恩的黑体辐射定律后，爱因斯坦考察了单色辐射的熵及其极限定律，进而按照玻耳兹曼原理来解释单色辐射熵对体积的依赖关系，由此得出：“能量密度小的单色辐射（在维恩辐射公式有效的范围内），从热学方面看，就好像它是由一些互不相关的、大小为Ｒβν／Ｎ的能量子组成．”［１４］

这篇文章的第二个重点是用光量子的观点圆满解释了光电效应．在第８节“关于固体通过辐照而产生阴极射线”中，爱因斯坦得到了著名的光电方程，并依此指出，实验中加上的遏制光电流产生的电势与光的频率的函数“必定是一条直线，它的斜率同所研究的物质的性质无关”．这一结论经历了11年，才在1916年由美国物理学家密立根（R. Millikan, 1868-1953）用精细的实验证实［６］．

　　密立根光电效应实验中遏制光电流的电势与光的频率的关系图

爱因斯坦1905年对光学、乃至物理学的这个里程碑式的贡献，使他荣获1921年的诺贝尔物理学奖．他的光量子的观念，除了光电效应的检验，后来在1923年还被康普顿（A. H. Compton, 1892-1962）等人的著名的Ｘ射线被电子散射的实验更全面（不只在能量守恒方面，还在动量守恒方面）地检验，历经考验，终被物理学界普遍接受．光除了体现波动性的一面，还会体现粒子性的一面，这种认识影响科学界至今．

　　《广义相对论基础》手稿第一页（现存以色列希伯来大学）

国际光年还要纪念伟大的爱因斯坦1915年提出广义相对论的巨大贡献，这一理论应用到宇宙学，使人们认识到光应该列为宇宙学的内在要素．广义相对论无疑是人类思想史中的辉煌篇章，它基于两个基本原理，即等效原理和广义协变原理，应用黎曼张量运算，得到著名的引力场方程，开创了现代宇宙学研究的先河．广义相对论与光学明显相关的有两处：一处是广义相对论的３个著名的实验验证（水星近日点的进动、光线在引力场中的弯曲、光谱线的引力红移）有两个密切与光有关；另一处是基于爱因斯坦引力场方程发展起来的宇宙学理论，导出宇宙膨胀的结果（虽然爱因斯坦并未注意到他的理论会导出这样的结果），哈勃（E. P. Hubble, 1889-1953）等人观测星云的红移支持这一结果，彭齐亚斯（A. Penzias, 1933-）和威尔逊（R. Wilson, 1936-）观测宇宙微波背景辐射也支持这一结果，这样宇宙起源于一次大爆炸的现代宇宙学建立起来了．在大爆炸理论中，光（辐射）存在始终，理所当然应该列为宇宙学的内在要素．

科学巨人爱因斯坦是少数几个最伟大的科学家之一，他在物理学上的贡献几乎可以说无人能比．即使在光学方面，他的里程碑式的贡献也不止国际光年纪念的这两项，1916年他的辐射的量子理论，提出了受激辐射的概念，直接导致了1954年微波激射器、1960年激光的产生；他1924年将玻色统计用于原子理想气体，预言原子气体“简并”的理论，７０年后催生了意义重大的玻色－爱因斯坦凝聚的实现．

2015国际光年要纪念的最后三位物理学家是彭齐亚斯、威尔逊和高锟，1965年彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景辐射，高锟在光纤光导理论方面取得突破．

我们仍然简要回顾一下从爱因斯坦提出光量子概念的1905年到1965年间光学的重要进展．这个时段里也不乏一些光学中里程碑式的成就．

首先要提到的是Ｘ射线的一系列研究成就，这是因为Ｘ射线的研究常常与通常光学的研究方法一致．自1895年伦琴（W. K. Rongen, 1845-1923）发现Ｘ射线以来，经过十多年人们才确定Ｘ射线实际是波长比可见光短得多的电磁波，这是由于劳厄（M. V. Laue, 1879-1960）等人1912年的Ｘ射线的衍射实验证实的．1913年布拉格父子（R. H. Bragg, 1862-1942；W. L. Bragg, 1890-1971）进一步将Ｘ射线衍射用于晶体分析，可依据衍射图样得到晶格常数．1916年德拜（P. J. W. Debye, 1884-1966）发展出Ｘ射线粉末衍射法．

接着要提到几项光谱研究中重要效应的发现．一是原子光谱线在电场中发生分裂的现象在1913年被斯塔克（J. Stark, 1874-1957）发现，该效应后世即以他的名字命名．再一个是1928年印度物理学家拉曼（C. V. Raman, 1888-1970）发现光照射到物质上散射光频率会发生变化，后世以他的名字命名的这种效应对分析物质结构非常有用，以致在很多领域拉曼光谱仪的应用十分普遍．另一项是1947年兰姆（W. E. Lamb, 1913-2008）用微波方法测出氢原子精细结构能级的位移，该位移的产生起源于原子和真空场涨落的相互作用，是量子电动力学的实验验证，由此兰姆获1955年度的诺贝尔物理学奖．

另一项与前面的磁光效应、电光效应并列同属与控制光密切相关的新效应———声光效应也在这期间被发现．1922年布里渊（L. N. Brillouin, 1889-1969）提出在介质中传输的声波会对光发生衍射，后世称为声光效应．该效应后来在１０年后的1932年被德拜等人实验证实．现代的声光调制器是基于这个效应设计的．

再就是光学上非常有名的全息术．1948年伽伯（D. Gabor, 1900-1979）提出了全息照相术，这是一种记录被摄物体反射波的振幅和位相等全部信息的新型光学技术．普通照相只记录物体面上反射光的光强分布，不能记录位相信息，而全息照相术将光源发出的光分为两束，一束经被摄物反射后再射向感光片（物光），另一束直接射向感光片（参考光），两束光在感光片上叠加产生干涉，干涉条纹记录了物光的振幅和位相等全部信息．全息摄影图片要借助参考光才能重现被摄物的像．全息术在1960年激光器发明后才得到迅速发展．伽伯因发明和发展了全息照相术，获得了1971年的诺贝尔物理学奖．

还必须着重谈到光学、乃至物理学在２０世纪的一个伟大的里程碑式的成就———1960年激光的实现．激光的原意是“用辐射的受激发射放大光”（laser），其精髓是1916年爱因斯坦提出的受激辐射的概念．这一思想首先在微波段实现．1954年汤斯（C. H. Towenes, 1915-2015）等人完成了“用辐射的受激发射放大微波”（maser），又称微波激射器，“脉塞”．1958年汤斯和肖洛（A. L. Schawlow, 1921-1999）认为这一思想也可在光频段实现，终于1960年由梅曼（T. H. Maiman, 1927-2007）研制成功了第一台红宝石激光器．紧接着氦氖激光器和其他激光器也相继问世，如今激光器已发展成各种介质、各种波长、各种工作形式（连续、脉冲）、各种功率、各种脉宽、各种线宽的相干光源．激光的出现极大地推动了光学的发展，一个生机勃勃的现代光学时代开始了．由于汤斯的杰出贡献，他和其他两位前苏联的科学家一起荣获1964年诺贝尔物理学奖．

这个时段中我们最后要提到的是促成现代量子光学兴起的两个重要的研究成就．其一是1956年汉布瑞· 布朗（R. Hanbury Brown, 1916-2002）和璀斯（R. W. Twiss, 1920-2005）完成的强度干涉实验．该实验一反以往干涉实验中的振幅－振幅干涉模式，实现的是强度－强度干涉，从此推动光学进入了光的高阶相干性研究的新阶段；该实验还为后来研究光场的量子统计性质和非经典光场提供了手段．这个时段的另一个重要的研究进展是格劳伯（Roy. J. Glauber, 1925-）在1963年发表的光的量子相干理论．格劳伯将光场的光电检测过程用量子方法描述，系统地引入干态来研究光场的量子统计性质，为量子光学的现代发展奠定了理论基础．因此格劳伯于2005年荣获诺贝尔物理学奖．

现在我们回到有关1965年彭齐亚斯和威尔逊以及高锟取得的巨大成就的话题．首先是彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙微波背景辐射，这是２０世纪６０年代天文学的重大发现，被誉为现代大爆炸宇宙学的３大佐证（哈勃膨胀，微波背景辐射，轻元素合成）之一．大爆炸宇宙学的奠基人伽莫夫（G. Gamov, 1904-1968）1948年就预言，原初大爆炸的那个“火球”由于膨胀冷却，在现今宇宙应残留下来大约１０Ｋ的背景辐射，频谱在微波区．观测宇宙微波背景辐射被认为是一个检验宇宙模型的里程碑，吸引若干天体物理学家投入探测，例如普林斯顿的迪克（R. H. Dicke, 1916-1997）等．但幸运落在在美国贝尔实验室工作的彭齐亚斯和威尔逊身上，从1964年起他们把一台喇叭型的天线指向天空用以研究来自太空的无线电信号，他们改进了设备的性能，排除了所有可能的噪声源，发现总有多余的相当３Ｋ左右的背景噪声．经过迪克等人的讨论确认，彭齐亚斯和威尔逊观测到的背景信号，就是大家夜思梦想的宇宙微波背景辐射．1965年两个研究组同时发表了分别是理论和实验观测的文章，彭齐亚斯和威尔逊文章的题目是：“在4080ＭＨｚ上额外天线温度的测量”［１５］．后来又有一些研究者进一步的观测，包括在气球上、火箭上、卫星（COBE）上的观测，证实微波背景辐射的频谱高度符合普朗克的黑体辐射定律，相应温度约2.73Ｋ．为此，彭齐亚斯和威尔逊荣获1978年诺贝尔物理学奖，利用COBE卫星观测到宇宙微波背景中微弱的各向异性现象的两位科学家马瑟（J. Mather）和斯穆特（G. Smoot）荣获2006年诺贝尔物理学奖．

这一年在大西洋彼岸的英国，在国际电话电报公司（ITT）工作的、眼睛一直盯着地面通信的华裔科学家高锟（Charles K. Kao, 1933-）投出了一篇注定后来会影响到世界的研究论文，论文的题目是：“光频介质纤维表面波导”［１６］．文章开创性地指出光导纤维在通信上应用的基本原理，描述了长程及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性，特别强调只要解决好石英基玻璃的纯度和成分等问题，就能够利用玻璃制作光学纤维，当玻璃纤维损耗率下降到20 dm/Km 时，高效传输信息将成为可能．他能提出这个当时人们都还认识不到的革命性的通信新模式不是偶然的．高锟从1957年即开始从事光导纤维在通信领域中运用的探索．1964年，他提出在电话网络中以光代替电流，以玻璃纤维代替导线；1965年在无数次试验的基础上，才有了那篇影响世界的宏文．高锟的理论引起了世界通信技术的一次革命．如今利用多股光纤制成的光缆已经铺遍全球，成为互联网、全球通信网络等的基石，光纤构成了支撑我们信息社会的环路系统．诺贝尔奖评委会这样说：“光流动在细小如线的玻璃丝中，它携带着各种信息数据向每一个方向传递，文本、音乐、图片和视频因此能在瞬间传遍全球．”光纤还在医学、工业、军事等很多其他领域得到广泛应用．由于他的这一开创性的重要贡献，高锟被誉为“光纤之父”，还荣获2009年诺贝尔物理学奖．高锟是继李政道、杨振宁、丁肇中、李远哲、朱棣文、崔琦及钱永健之后，第八位获得诺贝尔科学奖的华裔科学家．

从上面围绕国际光年举办周年纪念的光科学历史上的一系列里程碑式的重要成就，我们对光学千年的发展作的回顾可以看到，人类对光的认识源远流长，光学是人类文明的知识宝库中极为灿烂的一部分．1960年激光出现后，光学进入了一个通常称为现代光学的新阶段．从后面的内容我们可以看到，现代光学是现代科学发展中最为活跃的分支之一，也是影响人类社会最为深刻的分支之一．

（未完待续；下期内容预告：２光学的现代发展和光子学３光学的技术应用）

　　参考文献

　　［１］联合国教科文组织（UNESCO）国际光年网页：http://www.light2015.org/home.html（中国光学学会、中国物理学会国际光年网页：http://www.lightchina.org.cn）

　　［２］国际光学工程学会（SPIE）网页：http://spie.org/x105138.xml

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　　［６］郭奕玲，沈慧君．物理学史［Ｍ］．２版．北京：清华大学出版社，２００５．

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　　［１２］麦克斯韦．电磁通论［Ｍ］．北京：北京大学出版社，２０１０．

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　　［１４］爱因斯坦．爱因斯坦文集（增补本）第二卷［Ｍ］．北京：商务印书馆，２０１０．

　　［１５］ Penzias A A, Wilson R W. A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/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．