千年之光

2012年10月28日，飓风桑迪（Hurricane Sandy）横扫了美国东海岸，使美国东部地区出现了狂风暴雨、暴雪及洪水等灾害。曼哈顿下城的夜晚也由于灾害的到来而陷入寂静。街灯和交通信号灯全部熄灭，公共区域一片黑暗。只有少量汽车灯光给空荡的街道带来了片刻的闪烁。公寓中，人们点起蜡烛，围坐一团，想起人们习以为常的灯火通明的情境，这才意识到灯光的存在并不是那么理所当然。

视力矫正眼镜，用X光检查骨·状况，卫星对地球的环境观测……人们在享受这些发明的同时或许没有意识到，它们都与光和光学之间存在密切关联。

受“光”在文化及科技方面扮演的核心角色的启发，联合国宣布2015年为“国际光与光学技术国际年”（International Year of Light and Light-based Technologies，即IYL2015）。联合国希望提高人们对光及光学技术在我们生活、社会发展及人类未来中的重要性的认识。而“国际光与光学技术国际年”的设立，也正是因为2015年是许多光学重要里程碑的周年纪念。

光，一千年来它究竟是如何影响人类的呢？

1000年前1015年，被后人誉为“光学之父”的阿拉伯学者伊本·海赛姆著写了五卷本光学著作。他的著作影响了一批科学家，如开普勒和牛顿。

200年前 菲涅尔曾是法国的一名土木工程师，后来他对光学产生了兴趣，1815年起他提出了光波的概念等理论，他的研究成果，标志着光学进入了一个弹性以太光学的新时期。

150年前1865年，英国物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，解释了光现象和电磁现象之间的联系。麦克斯韦电磁学理论被认为是电气时代的奠基石。

110年前 1905年，犹太裔物理学家爱因斯坦正确地解释了物理学家赫兹的光电效应。爱因斯坦的理论在当时遭到学术界的非议，但它却最终推动了量子力学的诞生。

100年前 1915年，爱因斯坦创立广义相对论，他通过广义相对论将光列为宇宙学的内在要素，光是构成宇宙的基本要素之一。

50年前 1965年，华裔物理学家高锟预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能实现光纤通信。如今，光纤通信已经成为现代通信的主要支柱之一。

相干性

从17世纪起，人们逐步认识到光的波动性（即相干性，是指为了产生显著的干涉现象，波所需具备的性质）。到19世纪初，研究者们已经发现了光的干涉、衍射、偏振等现象，确证了光是电磁波。到了19世纪中后期，英国物理学家麦克斯韦建立起了完整的电磁理论，人们对光的相干性已经有了更加深刻的认识，初步的波动光学体系己经形成，许多基本的理论和实验方面的问题都已解决。

虽然科学家们对于光的相干性的研究有很多，但由于那时候还没有设立诺贝尔奖，因此，诺贝尔奖中因光的相干性研究而获奖的研究相对较少。

1901年，诺贝尔奖刚刚设立，第一项物理学奖的颁发就是关于X射线的发现。

德国物理学家伦琴，因发现X射线而获得1901年的诺贝尔物理学奖。X射线可用于医学、工业等领域，也可以用来分析晶体结构。

德国物理学家劳厄，因发现X射线在晶体中的衍射而获得了1914年的诺贝尔物理学奖。晶体的X射线衍射的发现，令人们可以通过观察衍射花纹研究晶体的微观结构，并且对生物学、化学、材料科学的发展都起到了巨大的推动作用。

英国物理学家布拉格，因使用X射线衍射研究晶体结构方面所做出的开创性贡献而获1915年的诺贝尔物理学奖。通过晶体的X射线衍射花样，与晶体原子排布之间的相互转换关系，可以精确测定晶体中原子的空间分布。

英国物理学家巴克拉获得了1917年的诺贝尔物理学奖，该奖项是为了表彰他发现了标识伦琴辐射。

荷兰物理学家泽尼克，因论证相衬法，特别是发明了相衬显微镜而获1953年的诺贝尔物理学奖。相衬法是最早的光学信息处理方法之一，在光学的发展史上具有重要意义。

匈牙利裔物理学家盖伯，因发明全息术而获1971年的诺贝尔物理学奖。全息术是利用光的干涉和衍射原理，将携带物体信息的光波以干涉图的形式记录下来，并在一定条件下再现，形成原物体逼真的立体像。全息术在干涉计量、信息存储、军事、艺术等领域，均得到应用。

20世纪下半叶开始，光的相干性与量子性的研究有了密切的结合。

量子性

有关光的量子性的研究发展迅速，所获得的诺贝尔奖较多，随着理论和实践的并行发展，人类对光的本性的认识也在逐步深入。19世纪末到20世纪初，人们对黑体辐射、原子的离散光谱结构以及光电效应的困惑，使经典物理学遇到了严峻的挑战。

为了解决上述问题，20世纪前期的物理学有了极大的突破：

德国物理学家维恩，因发现热辐射规律，获得1911年的诺贝尔物理学奖。

德国物理学家普朗克，因提出能量量子理论而获得1918年的诺贝尔物理学奖。量子力学作为现代物理学两大支柱之一，推动了计算机、激光等技术的产生，从而引发了新一轮的科技革命。

犹太裔物理学家爱因斯坦，因阐明了光电效应原理而获1921年的诺贝尔物理学奖。利用光电效应可制作各类光电探测器，用于各个领域的信号检测。

丹麦物理学家玻尔获得了1922年的诺贝尔物理学奖，表彰其在研究原子结构，特别是研究从原子出发的辐射所作的贡献。

美国物理学家康普顿获得了1927年的诺贝尔物理学奖，因他发现了康普顿效应。“康普顿效应”是发展量子物理学的核心。

光的粒子性以及实物粒子波动性的提出，使人们认识到光具有波粒二象性。这段时期，随着对光的相干性认识地不断完善，人们对光的量子性表现出越来越大的兴趣。有关光的量子性的理论促进了相应的实验和应用的发展。

美国物理学家戴维森和英国物理学家汤姆孙共同获得了1937年的诺贝尔物理学奖。原因是，他们用晶体对电子衍射所做出的实验发现。电子衍射的发现证实了L.V.德布罗意提出的电子具有波动性的设想，构成了量子力学的实验基础。

美国物理学家兰姆，因对氢原子光谱的精确测量而获得1955年的诺贝尔物理学奖。氢原子光谱中兰姆位移的发现显示了氢原子能级不完全精确符合量子力学理论计算的结果，直接促进了量子电动力学的建立。

荷裔物理学家布罗姆伯根，因激光光谱学和非线性光学的研究而获1981年诺贝尔物理学奖。在激光出现后，非线性光学得到了长足的发展。

总的来说，对光的量子性的研究使人们对光本性的认识产生了质的飞跃。同时还可以看出，相干性是量子性的重要基础。量子性是人们对光的本质在更高层次上的认识，是光学发展的必然结果。

至关重要的激光

激光在光学研究中发挥着重要作用。激光作为一种新型光源，不仅具有亮度高、单色性好、方向性强等特点，而且激光本身就是相干性、量子性和非线性的集大成者。激光器是一个非平衡、非线性的系统，其辐射具有极好的相干性，而有关激光的很多现象都需要用全量子理论给予解释。

激光的出现给全息光学、量子光学、非线性光学、激光光谱学等领域的研究带来了深远的影响。

在第一台激光器问世后仅4年，美国物理学家查尔斯·汤斯、前苏联科学家尼古拉·巴索夫、前苏联科学家亚历山大·普罗霍洛夫三人共同获得了1964年的诺贝尔物理学奖，因为他们从事量子电子学方面的研究工作使基于微波激射器和激光原理制成的振荡器和放大器得以出现。时至今日，激光已在光存储、通讯、医疗、加工、测量等领域得到广泛应用。

20世纪60年代以来，特别是激光问世之后，光学还与其他科学技术紧密结合，相互渗透。如：全息技术已经在显微技术、信息存储、信息编码、红外全息等方面得到了广泛应用；在集成电路的启示下，材料科学、电子技术和光学融合发展，形成了集成光学这一边缘学科，在光通讯、信息处理等方面起到了很大的作用；光子晶体以及量子信息的研究和发展将给信息技术开辟一个崭新的天地。

正如科学家们所说，光电技术将会把人类带入怎样的境界无人能够准确预测，但是光无时无刻不在陪伴和指引着我们未来的生活。

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