光在人間

蘇更林

地面上用光投射出的“國際光年”標(biāo)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(zèng)，也有凝聚了一代代追光人智慧的光學(xué)成果。值此紀(jì)念2015“國際光年”之際，歷數(shù)光技術(shù)為人類帶來的福祉，并向致力于人類光學(xué)事業(yè)的科學(xué)家致以誠摯的敬意！

生命之源

科學(xué)家認(rèn)為，光為生命之源。地球生命的誕生是一個(gè)極其漫長復(fù)雜的過程，具體的細(xì)節(jié)并不被人們所知曉。但有一點(diǎn)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(fā)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(xiàn)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?dú)狻⑺魵?、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(fā)出的強(qiáng)烈輻射可以長驅(qū)直入到地球表面，從而為無機(jī)物向有機(jī)物的演變提供了巨量的能源。

在生命的進(jìn)化過程中，光合作用扮演了極其重要的角色。當(dāng)原始地球出現(xiàn)蛋白質(zhì)和核酸的時(shí)候，標(biāo)志著化學(xué)演化已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)新階段，預(yù)示著生命曙光的來臨。在原核細(xì)胞向真核細(xì)胞的進(jìn)化過程中，原核細(xì)胞不斷分化，有的發(fā)展成了后來的細(xì)菌，有的則在體內(nèi)出現(xiàn)了葉綠素，并進(jìn)而發(fā)展成了能夠自養(yǎng)的藍(lán)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(jìn)化創(chuàng)造了條件，因?yàn)橛醒鹾粑梢源蠓忍岣呱锏哪芰坷眯?，具有很?qiáng)的競爭優(yōu)勢。同時(shí)，大氣中氧氣的增加又促進(jìn)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(hù)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(chǔ)。人類對綠葉的崇拜，實(shí)際上就是對光合作用的崇拜?？茖W(xué)家認(rèn)為，模擬光合作用來利用和儲(chǔ)存太陽能是一項(xiàng)造福人類的偉大工程，從20世紀(jì)70年代開始，科學(xué)家就投入到模擬光合作用的探索之中了。比如，科學(xué)家就研發(fā)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)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(tài)系統(tǒng)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(zhuǎn)化為碳水化合物，并以有機(jī)碳的形式固定在植物體內(nèi)和土壤之中。生物固碳可以通過土地開發(fā)利用、植樹造林以及農(nóng)業(yè)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(xué)家十分關(guān)注的科學(xué)話題，具有十分重要的科學(xué)意義和生態(tài)意義。

“光”影不離

影子是一種光學(xué)現(xiàn)象。影子不是一個(gè)實(shí)體，而是物體的一個(gè)投影。影子是怎樣產(chǎn)生的呢？原來，光線在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播時(shí)，由于不能穿過不透明物體而形成一片較暗區(qū)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(fā)明了一種獨(dú)特的計(jì)時(shí)儀器——日晷。我們常說，“一寸光陰一寸金”，為什么“光陰”用“寸”來計(jì)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(gè)大格，每個(gè)大格代表兩個(gè)小時(shí)。當(dāng)太陽光照在日晷上時(shí)，晷針的影子就會(huì)投向晷面，并隨著太陽的移動(dòng)而移動(dòng)，如同鐘表的指針?！按珀小北硎救沼耙苿?dòng)一寸所代表的時(shí)刻，意味著時(shí)間短暫，后來人們習(xí)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(gè)大麻煩，比如在醫(yī)療手術(shù)時(shí)。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(xué)秘密嗎？我們仔細(xì)觀察光下的影子，就會(huì)發(fā)現(xiàn)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(gè)物體旁邊點(diǎn)燃一支蠟燭，物體就會(huì)投下一個(gè)清晰的影子。如果點(diǎn)燃兩支或者更多支蠟燭，那么本影部分就會(huì)變得越來越小，而半影部分就會(huì)出現(xiàn)很多層次……直到點(diǎn)上一圈蠟燭時(shí)，本影就會(huì)完全消失，半影也就淡得看不見了。無影燈就是根據(jù)上述原理制成的。無影燈將發(fā)光強(qiáng)度很大的燈在燈盤上排列成圓形，從而合成了一個(gè)大面積的光源。這樣，它就能從不同角度把光線照射到手術(shù)臺(tái)上，既保證了手術(shù)視野內(nèi)的光亮度，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生明顯的本影。

望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡都是利用光學(xué)原理而發(fā)明的。圖為正在夏威夷建設(shè)的世界最大光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡（TMT）的概念圖，這座30米的光學(xué)-紅外望遠(yuǎn)鏡分辨率將達(dá)到哈勃太空望遠(yuǎn)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(fā)電主要有3種形式：光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換、光化學(xué)轉(zhuǎn)換。其中，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是利用太陽能電池半導(dǎo)體材料的“光伏效應(yīng)”將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電技術(shù)。太陽能電池（光伏電池）是太陽能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器，也是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心器件。

太陽對能源的貢獻(xiàn)還不只如此，它更啟發(fā)了“人造太陽”的宏偉設(shè)想，即利用太陽核聚變反應(yīng)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(shí)驗(yàn)裝置EAST與美國托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置DIII-D首次聯(lián)合實(shí)驗(yàn)并獲得成功，標(biāo)志著“人造太陽”計(jì)劃取得重要技術(shù)突破。

核聚變能是由兩個(gè)較輕的原子核在結(jié)合成一個(gè)較重的原子核時(shí)釋放出來的能量，而產(chǎn)生聚變反應(yīng)的主要燃料之一就是氫的同位素——氘?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在每升海水中大約含有30毫克的氘，通過聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油所含的熱能。設(shè)計(jì)“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(yīng)而產(chǎn)生巨大的能量。為了實(shí)現(xiàn)“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(gè)國際合作計(jì)劃——國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）。實(shí)現(xiàn)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置高性能穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是ITER的目標(biāo)之一，中國的EAST就是世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置，DIII-D則是世界上運(yùn)行最理想的托卡馬克裝置。

光纖通信

互聯(lián)網(wǎng)的誕生和發(fā)展，是20世紀(jì)末人類科技史上最偉大的事件之一?；ヂ?lián)網(wǎng)發(fā)展的物理基礎(chǔ)是什么？那就是人類在光纖物理學(xué)上的技術(shù)突破。用光纖系統(tǒng)支撐的互聯(lián)網(wǎng)，融合了現(xiàn)代通信技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，集各個(gè)部門和領(lǐng)域的各種信息資源為一體，從而構(gòu)成了網(wǎng)上用戶共享的信息資源網(wǎng)。

光纖實(shí)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(gòu)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(dǎo)纖維的芯子和包層具有不同的折射率，因此經(jīng)過調(diào)制的光信號(hào)可以不斷地在芯子和包層的交界處發(fā)生反射，從而在芯子內(nèi)部沿著“之”字形傳播。

為什么纖細(xì)的光導(dǎo)纖維具有如此神奇的功能呢？原來，現(xiàn)代的光纖通信主要運(yùn)用了光的反射原理，并把光的全反射限制在了纖細(xì)的光纖內(nèi)部，這樣就用光信號(hào)取代電信號(hào)而完成了信息的遠(yuǎn)距離傳遞，從而為互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的物理支撐。

“神光”激光

激光是20世紀(jì)最偉大的科技發(fā)明之一，如果說太陽光使我們飽覽了世界萬物的風(fēng)采的話，那么激光這個(gè)“人造神光”則把人類社會(huì)點(diǎn)綴得異彩紛呈！激光是一種由激光器發(fā)出的以受激輻射占主導(dǎo)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(shí)驗(yàn)室發(fā)出的。

激光與普通的光有什么不同呢？其實(shí)，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(yōu)點(diǎn)。高方向性是指激光的輻射波十分集中地朝一個(gè)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(yōu)點(diǎn)決定了其非凡的應(yīng)用價(jià)值，比如激光通信就是一種將對人類通信領(lǐng)域產(chǎn)生革命性影響的技術(shù)，各國軍方紛紛投入精力和財(cái)力加強(qiáng)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(zhì)的激光通信，它不但可以傳送電話信息，還可以傳送數(shù)據(jù)、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(dòng)和地球極光的閃爍等，都不會(huì)影響大氣激光通信的效果。甚至核武器爆炸時(shí)所產(chǎn)生的強(qiáng)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(chǎn)生的光輻射盡管能量很強(qiáng)但是向四面八方發(fā)散的，因此對大氣激光通信的影響是不大的。

同時(shí)，科學(xué)家還把在激光作用下生物體所發(fā)生的物理、化學(xué)、生物學(xué)的反應(yīng)，稱為激光生物學(xué)效應(yīng)。利用激光的生物學(xué)效應(yīng)可以進(jìn)行生物技術(shù)開發(fā)和誘變育種等操作。實(shí)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(shù)在基因工程、細(xì)胞工程、酶工程和發(fā)酵工程等方面取得了令人矚目的成就。同時(shí)，激光還在醫(yī)療、家電、能源、制造等領(lǐng)域都獲得了蓬勃發(fā)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(yīng)用;激光在能源工業(yè)中可以進(jìn)行核聚變點(diǎn)火。前面提到了核聚變裝置，而點(diǎn)燃核聚變?nèi)剂闲枰蟽|度的高溫，激光的發(fā)明則很好地解決了這個(gè)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(yù)為我國最大的“大科學(xué)裝置”，也是我國最先進(jìn)的多學(xué)科前沿研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該光源包括一系列的“神奇之光”， 能夠覆蓋從遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)的電子在磁場中做曲線運(yùn)動(dòng)改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)所產(chǎn)生的電磁輻射。由于這種現(xiàn)象最先是于1947年在高能物理實(shí)驗(yàn)用的同步加速器上發(fā)現(xiàn)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(yùn)動(dòng)的電子在磁場中做曲線運(yùn)動(dòng)，由于改變運(yùn)動(dòng)方向而釋放出來的能量則可以轉(zhuǎn)換成各種波段的電磁波。

“上海光源”具有高亮度、高強(qiáng)度、高穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)度是X光機(jī)的上萬倍，亮度是最強(qiáng)的X光機(jī)的上億倍，可同時(shí)提供從遠(yuǎn)紅外線、紫外線到硬X射線等不同波長的高亮度光束。科學(xué)家可以利用“上海光源”來破解生物大分子的三維結(jié)構(gòu)，從而為“后基因組時(shí)代”生命科學(xué)的研究創(chuàng)造良好的條件?？茖W(xué)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(shù)，直接獲取亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖像。

鏈接2：

光與諾貝爾獎(jiǎng)

1901年，德國人倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。X射線可用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域，也可用來分析晶體結(jié)構(gòu)。

1905年，德國人倫納德因?qū)﹃帢O射線的研究而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1907年，美國人邁克爾遜因創(chuàng)造精密的光學(xué)儀器用以進(jìn)行光學(xué)研究并精確測出光速而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1908年，法國人李普曼因發(fā)明基于干涉現(xiàn)象的彩色照相技術(shù)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1914年，德國人勞厄因發(fā)現(xiàn)X射線在晶體中的衍射而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1915年，英國人布拉格父子因在使用X射線衍射研究晶體結(jié)構(gòu)方面所做的研究而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1918年，德國人普朗克因作為量子力學(xué)的重要?jiǎng)?chuàng)始人，提出能量量子理論而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。量子力學(xué)作為現(xiàn)代物理學(xué)兩大支柱之一，導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)、激光等技術(shù)的產(chǎn)生。

1919年，德國人斯塔克因發(fā)現(xiàn)光線在電場中的分裂而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1921年，愛因斯坦因闡明光電效應(yīng)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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

1953年，荷蘭人澤尼克因發(fā)明相襯顯微鏡而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1955年，美國人蘭姆因?qū)湓庸庾V的精確測量而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1964年，美國人湯斯和蘇聯(lián)人巴索夫、普羅霍羅夫因在量子電子學(xué)領(lǐng)域的研究工作導(dǎo)致了激光器的誕生而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1971年，匈牙利裔英國人加博爾因發(fā)明全息術(shù)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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

2000年，俄國人阿爾費(fèi)羅夫和美國人基爾比、克勒默因?qū)Π雽?dǎo)體的研究并將其應(yīng)用于高速光電子元件而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2005年，美國人格勞伯、霍爾和德國人亨施因?yàn)榱孔庸鈱W(xué)奠定基礎(chǔ)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2009年，華裔美籍物理學(xué)家高錕因在纖維中傳送光以達(dá)成光學(xué)通信的成就而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2014年，日本科學(xué)家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科學(xué)家中村修二因發(fā)明高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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