走進(jìn)《光學(xué)》 學(xué)習(xí)光學(xué)

葛惟昆

(清華大學(xué)物理系,北京 100084)

在人類歷史上,光的重要和神奇是一個(gè)永恒的主題。沒(méi)有光,我們不能認(rèn)識(shí)世界;其實(shí)沒(méi)有光,根本就沒(méi)有這個(gè)世界,沒(méi)有一切生命現(xiàn)象:因?yàn)椤叭f(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)”。按照大爆炸理論,在宇宙誕生的那最初的一瞬間,光與各種物質(zhì)混雜在一起;在一段時(shí)間內(nèi),物質(zhì)與輻射場(chǎng)攪和在一起,到某一時(shí)刻起,物質(zhì)與輻射脫耦,各自相對(duì)獨(dú)立演化。早期相互耦合的信息依然分別殘留于兩個(gè)場(chǎng)中。就是在原初的混沌,是個(gè)黑暗的宇宙,后來(lái)才有了光。巧合的是,《圣經(jīng)》的創(chuàng)世紀(jì)里也說(shuō)“上帝說(shuō)有光,于是就有了光!”如果我們把上帝理解為大自然,這話也很有先驗(yàn)的智慧。

光是如此重要,又如此神秘,對(duì)光的認(rèn)識(shí)和研究自然會(huì)是一門(mén)古老的科學(xué),在物理學(xué)中也始終占據(jù)高位。愛(ài)因斯坦在青年時(shí)代就立志:“我將用我的余生思索光的本性”。而一直到晚年,他承認(rèn)“對(duì)于什么是‘光量子’的思考已在我心中縈繞了50年,但是并沒(méi)有使我接近答案。如今每個(gè)人都自以為知道答案,實(shí)際上他們那是自欺欺人?！标P(guān)于光學(xué)的著作也因此層出不窮。譯者張曉光教授和筆者曾先后師從北京大學(xué)物理系著名的光學(xué)專家楊霞蓀教授。楊先生翻譯的Max Born 和 Emil Wolf所編《Principlesofoptics:electromagnetic theoryofpropagation,interferenceanddiffraction oflight》[1]是一部經(jīng)典的光學(xué)世界名著,是光學(xué)領(lǐng)域的奠基性教科書(shū),它歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)而長(zhǎng)盛不衰,甚至被稱為光學(xué)的“圣經(jīng)”。顧名思義,這本經(jīng)典著作是建立在電磁理論基礎(chǔ)上的。從歷史的觀點(diǎn)來(lái)看,麥克斯韋方程組的建立,就給出了電磁波的結(jié)果,所以19世紀(jì)末的物理學(xué)家認(rèn)為,從那時(shí)起,人們最終理解了光究竟是什么,即光是一種電磁波。

Professor Ajoy Ghatak

然而歷史同樣證明,電磁波的解釋并不是對(duì)光的最終理解。伽塔克這本《光學(xué)》[2]開(kāi)篇伊始,就以“光是什么:簡(jiǎn)要發(fā)展史”作為引言,明確闡述了光的波粒二象性,即:光既是(電磁)波,也是粒子,光子。對(duì)光作為粒子的認(rèn)識(shí),實(shí)際上是量子力學(xué)的發(fā)端。從1900年普朗克在對(duì)黑體輻射公式的修正中引入輻射能量分份(量子化)的概念,到1905年愛(ài)因斯坦用粒子模型解釋光電效應(yīng),經(jīng)典量子論開(kāi)始了它的艱難征程,直至20世紀(jì)30—40年代量子力學(xué)的建立。時(shí)至今日,量子力學(xué)仍然在被認(rèn)識(shí)、被發(fā)展的過(guò)程之中;就光子而言,它的糾纏現(xiàn)象也依然是謎一般的存在。正如費(fèi)曼所說(shuō),如果一個(gè)人說(shuō)他懂了量子力學(xué),他一定是不懂量子力學(xué)。也正因?yàn)槿绱?與時(shí)俱進(jìn)的伽塔克教授在他這本《光學(xué)》(第6版)中的第六部分“光子”中,增添了第26 章——“光子的量子性與光子糾纏”,以適應(yīng)近年來(lái)急速發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域——基于光子糾纏的量子通信與量子計(jì)算。

不僅如此,光與狹義相對(duì)論也有非常深刻的關(guān)聯(lián),因?yàn)楠M義相對(duì)論就起源于愛(ài)因斯坦對(duì)不同坐標(biāo)系中光速是否變化的思考,而光速不變也正是狹義相對(duì)論兩個(gè)基本假設(shè)之一。

伽塔克教授是印度科學(xué)院院士,因其在光學(xué)科學(xué)和工程教育方面的杰出貢獻(xiàn)而獲得2003年的Esther Hoffman Beller 獎(jiǎng);2020年美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)聯(lián)合韓國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)授予伽塔克教授Sang Soo Lee獎(jiǎng),以表彰他在光纖光學(xué)和導(dǎo)波光子學(xué)領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)。伽塔克教授在基礎(chǔ)物理和光學(xué)工程方面均有建樹(shù)。他的著作反映了他作為科學(xué)家和教育家所具有的基礎(chǔ)與應(yīng)用兼得的長(zhǎng)處。全書(shū)在引言“光學(xué)史”和“光是什么:簡(jiǎn)要發(fā)展史”兩章之后,分為八大部分,一、幾何光學(xué)(共4 章);二、振動(dòng)與波動(dòng)(共6章);三、干涉(共5章);四、衍射(共4章);五、光的電磁特性(共3章);六、光子(共2章);七、激光與光纖光學(xué)(共4章);八、狹義相對(duì)論(共3章)。這樣總共33章,另有9個(gè)數(shù)學(xué)工具方面的附錄。這個(gè)內(nèi)容,涵蓋了從幾何光學(xué)、物理光學(xué),到光的本性的基本知識(shí)和許多最新進(jìn)展,可以說(shuō)是光學(xué)之集大成之作。

伽塔克教授的諸多著作

我個(gè)人覺(jué)得該書(shū)把干涉和衍射分別作為一大部分(第三部分和第四部分)獨(dú)立闡述,非常具有價(jià)值。因?yàn)楦缮婧脱苌涫枪鈱W(xué)的兩種最基本的現(xiàn)象,而許多學(xué)生從來(lái)沒(méi)有弄明白其中的奧妙。在干涉部分,從作為基礎(chǔ)的波的疊加,到光的相干性和傅里葉光譜學(xué),由淺入深,從原理到應(yīng)用,周到而全面。在衍射部分,從夫瑯禾費(fèi)衍射和菲涅爾衍射,再到全息術(shù),把衍射原理和應(yīng)用介紹得非常透徹。

該書(shū)的第五六部和第六部分分別介紹了光的電磁物性和光子論。電磁特性從現(xiàn)象(偏振與雙折射)到麥克斯韋電磁波理論及其物理意義,再?gòu)碾姶挪ǖ挠^點(diǎn)分析反射和折射,給與幾何光學(xué)以物理解釋。而光子的部分,則從輻射的粒子性和光子的量子性,延伸到光子糾纏以及光鑷效應(yīng)等新現(xiàn)象、新技術(shù)。第七部分的激光和光纖光學(xué)則是20世紀(jì)后半葉光學(xué)理論和技術(shù)應(yīng)用的重大進(jìn)展,值得濃墨重彩地予以描述。而光纖光學(xué)也正是譯者張曉光教授[3]的專長(zhǎng)之一。最后一部分的狹義相對(duì)論,介紹了狹義相對(duì)論的基本內(nèi)容:洛倫茲變換;時(shí)間膨脹和長(zhǎng)度收縮;以及質(zhì)能關(guān)系。這對(duì)于光學(xué)的研究者也是必要的知識(shí)。

評(píng)價(jià)一本教科書(shū),最重要的是科學(xué)性、實(shí)用性和時(shí)代感?？茖W(xué)性中最重要的是正確而嚴(yán)謹(jǐn)。許多教科書(shū)錯(cuò)誤百出。我本人在美國(guó)最好的本科大學(xué)之一達(dá)特茅斯學(xué)院講授過(guò)“固體物理”,為此參考了十余種教科書(shū),只發(fā)現(xiàn)Ashcroft &Mermin[4]那本沒(méi)有錯(cuò)誤。寫(xiě)過(guò)或翻譯過(guò)書(shū)的人都知道,做到完全沒(méi)有差錯(cuò)其實(shí)是很不容易的一件事。伽塔克教授這本書(shū)我沒(méi)有細(xì)讀,但我希望以他作為一位物理學(xué)家又是高技術(shù)專家的功底,這本書(shū)應(yīng)該沒(méi)有或極少錯(cuò)誤。我這里主要想突出該書(shū)的實(shí)用性。一般而言,需要學(xué)習(xí)光學(xué)這門(mén)課程或相關(guān)知識(shí)的,一種是從事光學(xué)研究的,他們的實(shí)驗(yàn)室里擺放著布滿光學(xué)儀器和元器件的光學(xué)平臺(tái)。這種工作需要對(duì)幾何光學(xué)和物理光學(xué)有深入的了解。這本書(shū)對(duì)他們是非常合適的。另一種是研究物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì),特別是光譜學(xué),例如原子分子光譜、凝聚態(tài)光譜、化學(xué)光譜、天文光譜等,本書(shū)也提供了足夠的基礎(chǔ)知識(shí)。最后是光學(xué)工程的從業(yè)人員,這本書(shū)對(duì)他們特別適用,因?yàn)閺脑淼綉?yīng)用,這本書(shū)可以說(shuō)是應(yīng)有盡有。

說(shuō)到時(shí)代感,就是需要補(bǔ)充新的進(jìn)展,特別是重大的變革。作為物理工作者,我本人近年來(lái)關(guān)注自旋電子學(xué)的發(fā)展,因此對(duì)圓偏振光作為電子自旋的注入源的技術(shù)經(jīng)常接觸。本書(shū)第25章第4節(jié)專門(mén)介紹“光子的角動(dòng)量”,這一節(jié)對(duì)于偏振旋轉(zhuǎn)算符及其本征態(tài)做了簡(jiǎn)要而正確的解釋,對(duì)于任意偏振態(tài)的光子的角動(dòng)量測(cè)量值的概率分布,也給出了明確的說(shuō)法。遺憾的是,沒(méi)有把光子角動(dòng)量和電子自旋等關(guān)聯(lián)起來(lái),沒(méi)有介紹兩者交互作用的實(shí)驗(yàn)觀察和實(shí)際應(yīng)用。另外例如生物光學(xué)的某些先進(jìn)領(lǐng)域,像光合作用、深紫外LED 殺病毒(包括LED 的發(fā)展,2014年的諾貝爾獎(jiǎng)等)等,似乎也可以涉及。在光子糾纏方面,書(shū)中第26章第10 節(jié)對(duì)EPR 佯謬與貝爾不等式做了簡(jiǎn)單分析。這里不但給出了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程,也介紹了愛(ài)因斯坦定域論的觀點(diǎn)和隱變量理論,最后以簡(jiǎn)單的量子力學(xué)計(jì)算否定了貝爾不等式,亦即否定了愛(ài)因斯坦的定域論、肯定了量子力學(xué)的正確性。這一節(jié)簡(jiǎn)明扼要,對(duì)從事光學(xué)實(shí)驗(yàn)工作者及一般對(duì)物理有基本了解的讀者都很有幫助。

伽塔克教授與張曉光教授

產(chǎn)生糾纏光子對(duì)的演示圖

總的來(lái)講,伽塔克教授這本《光學(xué)》,內(nèi)容翔實(shí),科學(xué)性、實(shí)用性和時(shí)代感都令人折服,譯文也非常流暢,因此值得大力推介?？上У氖菦](méi)有附上索引,對(duì)認(rèn)真的讀者會(huì)有少許不便。