光在人間

蘇更林

地面上用光投射出的“國際光年”標志

我們生活在光的海洋里，盡情享受著光帶給我們的恩惠。這其中既有太陽的無私饋贈，也有凝聚了一代代追光人智慧的光學成果。值此紀念2015“國際光年”之際，歷數光技術為人類帶來的福祉，并向致力于人類光學事業的科學家致以誠摯的敬意！

生命之源

科學家認為，光為生命之源。地球生命的誕生是一個極其漫長復雜的過程，具體的細節并不被人們所知曉。但有一點是必須的，那就是光芒四射的太陽。太陽是太陽系中唯一的一顆依靠自身發光的恒星。太陽的輻射為地球生命的誕生提供了足夠的能量，并哺育了地球上的生靈萬物。

在生命出現以前，大氣中幾乎是沒有氧氣的，而二氧化碳的含量則比較高，還有甲烷、氮氣、水蒸氣、硫化氫、氨氣等成分。這樣的大氣是不適于生命存在的。好在大氣中沒有游離的氧，不能在大氣層上方形成臭氧層。這樣一來，太陽發出的強烈輻射可以長驅直入到地球表面，從而為無機物向有機物的演變提供了巨量的能源。

在生命的進化過程中，光合作用扮演了極其重要的角色。當原始地球出現蛋白質和核酸的時候，標志著化學演化已經進入到一個新階段，預示著生命曙光的來臨。在原核細胞向真核細胞的進化過程中，原核細胞不斷分化，有的發展成了后來的細菌，有的則在體內出現了葉綠素，并進而發展成了能夠自養的藍藻。

光合作用放出的氧氣逐漸改變了原始大氣的成分，游離氧在大氣中的含量慢慢增加，這就為生物向喜氧的方向進化創造了條件，因為有氧呼吸可以大幅度提高生物的能量利用效率，具有很強的競爭優勢。同時，大氣中氧氣的增加又促進了大氣圈中臭氧層的形成，從而可以阻擋部分紫外線輻射，保護地球生命免遭太陽紫外線輻射的傷害。

綠葉“崇拜”

光合作用是綠色植物利用太陽能的“絕活”，并成為了生物界賴以生存的基礎。人類對綠葉的崇拜，實際上就是對光合作用的崇拜。科學家認為，模擬光合作用來利用和儲存太陽能是一項造福人類的偉大工程，從20世紀70年代開始，科學家就投入到模擬光合作用的探索之中了。比如，科學家就研發出“人工綠葉”，以模擬綠色植物的光合作用過程，從而在陽光的催化下把二氧化碳和水轉化成能量。

“人工樹葉”是一種如撲克牌大小的片狀材料，模擬了自然界中植物利用陽光將水、二氧化碳轉化成氧氣和碳水化合物的過程

我們通常所說的“生物固碳”，其實也是光合作用的功勞。所謂生物固碳就是指利用植物的光合作用來提高生態系統的碳吸收能力，從而減少二氧化碳在大氣中的濃度以減緩全球的變暖趨勢。原來，植物可以通過光合作用把大氣中的二氧化碳轉化為碳水化合物，并以有機碳的形式固定在植物體內和土壤之中。生物固碳可以通過土地開發利用、植樹造林以及農業措施等，來提高植物和土壤的固碳能力，因此是一種成本最低且副作用最小的固碳方法。在全球變暖的大背景下，生物固碳更成為國際科學家十分關注的科學話題，具有十分重要的科學意義和生態意義。

“光”影不離

影子是一種光學現象。影子不是一個實體，而是物體的一個投影。影子是怎樣產生的呢？原來，光線在同種均勻介質中沿直線傳播時，由于不能穿過不透明物體而形成一片較暗區域，這就是我們常說的影子。

古人從日影的角度變化中汲取靈感，發明了一種獨特的計時儀器——日晷。我們常說，“一寸光陰一寸金”，為什么“光陰”用“寸”來計量呢？這就出自于日晷。日晷通常由銅制的晷針和石制的圓盤晷面組成，晷針垂直地穿過圓盤中心，晷面呈南高北低，平行于天赤道面，這樣，晷針的上端正好指向北天極，下端正好指向南天極。晷面上刻劃有子丑寅卯等12個大格，每個大格代表兩個小時。當太陽光照在日晷上時，晷針的影子就會投向晷面，并隨著太陽的移動而移動，如同鐘表的指針。“寸晷”表示日影移動一寸所代表的時刻，意味著時間短暫，后來人們習慣于用“寸”來衡量光陰的長短。

但是，揮之不去的影子在有些場合卻是個大麻煩，比如在醫療手術時。在這樣的背景下，“無影燈”便誕生了，那么你知道“無影燈”的光學秘密嗎？我們仔細觀察光下的影子，就會發現影子的中部特別黑暗，四周則稍淺些。一般把影子黑暗的部分稱為“本影”，四周灰暗的部分稱為“半影”。如果在一個物體旁邊點燃一支蠟燭，物體就會投下一個清晰的影子。如果點燃兩支或者更多支蠟燭，那么本影部分就會變得越來越小，而半影部分就會出現很多層次……直到點上一圈蠟燭時，本影就會完全消失，半影也就淡得看不見了。無影燈就是根據上述原理制成的。無影燈將發光強度很大的燈在燈盤上排列成圓形，從而合成了一個大面積的光源。這樣，它就能從不同角度把光線照射到手術臺上，既保證了手術視野內的光亮度，同時又不會產生明顯的本影。

望遠鏡和顯微鏡都是利用光學原理而發明的。圖為正在夏威夷建設的世界最大光學天文望遠鏡（TMT）的概念圖，這座30米的光學-紅外望遠鏡分辨率將達到哈勃太空望遠鏡的10倍

“人造太陽”

太陽能是一種取之不盡的潔凈能源，利用太陽能發電主要有3種形式：光電轉換、光熱轉換、光化學轉換。其中，太陽能光伏發電技術是利用太陽能電池半導體材料的“光伏效應”將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種新型發電技術。太陽能電池（光伏電池）是太陽能光伏發電的能量轉換器，也是太陽能光伏發電系統的基礎和核心器件。

太陽對能源的貢獻還不只如此，它更啟發了“人造太陽”的宏偉設想，即利用太陽核聚變反應原理制造的一種能可控提供海量清潔能源的裝置。2013年9月初，中國“人造太陽”實驗裝置EAST與美國托卡馬克實驗裝置DIII-D首次聯合實驗并獲得成功，標志著“人造太陽”計劃取得重要技術突破。

核聚變能是由兩個較輕的原子核在結合成一個較重的原子核時釋放出來的能量，而產生聚變反應的主要燃料之一就是氫的同位素——氘。科學家發現，在每升海水中大約含有30毫克的氘，通過聚變反應產生的能量相當于300升汽油所含的熱能。設計“人造太陽”的初衷就是把海水中的氘提取出來，然后通過聚變反應而產生巨大的能量。為了實現“人造太陽”的夢想，中國、歐盟、印度、日本、俄羅斯、韓國和美國于2006年推出了一個國際合作計劃——國際熱核聚變實驗堆（ITER）。實現托卡馬克實驗裝置高性能穩態運行是ITER的目標之一，中國的EAST就是世界首個全超導托卡馬克裝置，DIII-D則是世界上運行最理想的托卡馬克裝置。

光纖通信

互聯網的誕生和發展，是20世紀末人類科技史上最偉大的事件之一。互聯網發展的物理基礎是什么？那就是人類在光纖物理學上的技術突破。用光纖系統支撐的互聯網，融合了現代通信技術和現代計算機技術，集各個部門和領域的各種信息資源為一體，從而構成了網上用戶共享的信息資源網。

光纖實際上就是一種透明度很高的石英玻璃絲，它是由芯子和包層組成的。芯子的直徑在10微米以下，主體材料為二氧化硅，并摻雜有少量氧化鍺或氧化磷，其作用在于提高光的折射率;包層的直徑在100微米上下，是由純二氧化硅材料構成的，或者摻雜有少量氧化硼或氟元素，其作用在于降低光的折射率。由于光導纖維的芯子和包層具有不同的折射率，因此經過調制的光信號可以不斷地在芯子和包層的交界處發生反射，從而在芯子內部沿著“之”字形傳播。

為什么纖細的光導纖維具有如此神奇的功能呢？原來，現代的光纖通信主要運用了光的反射原理，并把光的全反射限制在了纖細的光纖內部，這樣就用光信號取代電信號而完成了信息的遠距離傳遞，從而為互聯網的發展提供了強有力的物理支撐。

“神光”激光

激光是20世紀最偉大的科技發明之一，如果說太陽光使我們飽覽了世界萬物的風采的話，那么激光這個“人造神光”則把人類社會點綴得異彩紛呈！激光是一種由激光器發出的以受激輻射占主導地位的高亮度相干光束。人類歷史上第一束激光是在1960年5月15日從美國加利福尼亞州休斯實驗室發出的。

激光與普通的光有什么不同呢？其實，激光也是一種光，但與普通光相比具有高方向性、高相干性、高單色性、高亮度等優點。高方向性是指激光的輻射波十分集中地朝一個方向傳播;高單色性是指激光的顏色非常純凈;高亮度是指激光的亮度甚至可以超過太陽光的亮度。激光的這些優點決定了其非凡的應用價值，比如激光通信就是一種將對人類通信領域產生革命性影響的技術，各國軍方紛紛投入精力和財力加強對大氣激光通信的研究。

所謂大氣激光通信是指以大氣為傳輸介質的激光通信，它不但可以傳送電話信息，還可以傳送數據、傳真、電視和可視電話等。大氣激光通信具有非常好的反偵聽和抗干擾性能，像空間電離層的擾動和地球極光的閃爍等，都不會影響大氣激光通信的效果。甚至核武器爆炸時所產生的強烈的電磁脈沖，也奈何不了大氣激光通信的效果。原來，這些電磁脈沖沒有激光的頻率高，再者，核武器爆炸所產生的光輻射盡管能量很強但是向四面八方發散的，因此對大氣激光通信的影響是不大的。

同時，科學家還把在激光作用下生物體所發生的物理、化學、生物學的反應，稱為激光生物學效應。利用激光的生物學效應可以進行生物技術開發和誘變育種等操作。實踐證明，激光育種是行之有效的育種手段，并且激光生物技術在基因工程、細胞工程、酶工程和發酵工程等方面取得了令人矚目的成就。同時，激光還在醫療、家電、能源、制造等領域都獲得了蓬勃發展。如激光在眼科、牙科、心臟病、癌癥等診斷治療方面具有重要的應用;激光在能源工業中可以進行核聚變點火。前面提到了核聚變裝置，而點燃核聚變燃料需要上億度的高溫，激光的發明則很好地解決了這個問題。

“上海光源”

“上海光源”是一種什么光？原來，“上海光源”是“上海同步輻射光源”的簡稱，它被譽為我國最大的“大科學裝置”，也是我國最先進的多學科前沿研究實驗平臺。該光源包括一系列的“神奇之光”， 能夠覆蓋從遠紅外到硬X射線的寬廣波段，從而照亮微觀世界的“黑箱”。

同步輻射是由以接近光速運動的電子在磁場中做曲線運動改變運動方向時所產生的電磁輻射。由于這種現象最先是于1947年在高能物理實驗用的同步加速器上發現的，因而被命名為“同步輻射”。簡單來說，“上海光源”的工作原理是讓以接近光速運動的電子在磁場中做曲線運動，由于改變運動方向而釋放出來的能量則可以轉換成各種波段的電磁波。

“上海光源”具有高亮度、高強度、高穩定等優點，強度是X光機的上萬倍，亮度是最強的X光機的上億倍，可同時提供從遠紅外線、紫外線到硬X射線等不同波長的高亮度光束。科學家可以利用“上海光源”來破解生物大分子的三維結構，從而為“后基因組時代”生命科學的研究創造良好的條件。科學家還可以利用“上海光源”的X光顯微成像和斷層掃描成像技術，直接獲取亞細胞結構圖像。

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光與諾貝爾獎

1901年，德國人倫琴因發現X射線而獲得諾貝爾物理學獎。X射線可用于醫學、工業等領域，也可用來分析晶體結構。

1905年，德國人倫納德因對陰極射線的研究而獲得諾貝爾物理學獎。

1907年，美國人邁克爾遜因創造精密的光學儀器用以進行光學研究并精確測出光速而獲得諾貝爾物理學獎。

1908年，法國人李普曼因發明基于干涉現象的彩色照相技術而獲得諾貝爾物理學獎。

1914年，德國人勞厄因發現X射線在晶體中的衍射而獲得諾貝爾物理學獎。

1915年，英國人布拉格父子因在使用X射線衍射研究晶體結構方面所做的研究而獲得諾貝爾物理學獎。

1918年，德國人普朗克因作為量子力學的重要創始人，提出能量量子理論而獲得諾貝爾物理學獎。量子力學作為現代物理學兩大支柱之一，導致了計算機、激光等技術的產生。

1919年，德國人斯塔克因發現光線在電場中的分裂而獲得諾貝爾物理學獎。

1921年，愛因斯坦因闡明光電效應而獲得諾貝爾物理學獎。

1930年，印度人拉曼因在光散射方面的研究，并提出“拉曼效應”而獲得諾貝爾物理學獎。

1953年，荷蘭人澤尼克因發明相襯顯微鏡而獲得諾貝爾物理學獎。

1955年，美國人蘭姆因對氫原子光譜的精確測量而獲得諾貝爾物理學獎。

1964年，美國人湯斯和蘇聯人巴索夫、普羅霍羅夫因在量子電子學領域的研究工作導致了激光器的誕生而獲得諾貝爾物理學獎。

1971年，匈牙利裔英國人加博爾因發明全息術而獲得諾貝爾物理學獎。

1981年，荷裔美國人布羅姆伯根因激光光譜學和非線性光學的研究而獲得諾貝爾物理學獎。

2000年，俄國人阿爾費羅夫和美國人基爾比、克勒默因對半導體的研究并將其應用于高速光電子元件而獲得諾貝爾物理學獎。

2005年，美國人格勞伯、霍爾和德國人亨施因為量子光學奠定基礎而獲得諾貝爾物理學獎。

2009年，華裔美籍物理學家高錕因在纖維中傳送光以達成光學通信的成就而獲得諾貝爾物理學獎。

2014年，日本科學家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科學家中村修二因發明高亮度藍色發光二極管而獲得諾貝爾物理學獎。

2014年，美國科學家貝齊格、莫納和德國科學家黑爾，因突破光學顯微鏡的極限而獲得諾貝爾化學獎。