去追寻你的光（追寻光的方向）

最近，中科院长春光学精密机械与物理研究所公布了我国“巡天”空间望远镜的计划。据悉，“巡天”空间望远镜将在2024年进入太空运行。“巡天”望远镜的发射意味着，我们终于可以更清晰的看千百万光年之外的星星；同时，也是光学技术的体现。今天就来聊一聊，我们是如何追寻光的。

光学的产生源于一个问题：我们是如何看见物体的？而且无论是古中国还是古希腊的光学，最初都是源于对这一问题的思考。

早在春秋战国时期《墨经》中就曾提出：“以目见，而目以火见，而火不见。”即人能够看见事物是凭借火光看到的。在那个还没有光的反射概念的年代，能够提出这样的构想着实是很超前了。

同时，墨子也提出了很多光学的知识：景。光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在远近有端，与于光，故景库内也。

翻译后大致为：影，就是光线照到的地方，影子就不存在；如果光线始终存在，那么就不会产生影子。影，两条光线夹一条光线，一条光线就会变成影子。光线照射到人，如果人在下方，影子会投射到上方。因为足部挡住了自下而来的光，因此成影在上方；头部挡住了自上而下射来的光，因此成影就在下方。

这也证明了墨子已经清晰的了解了光是沿直线传播，同时，墨子也发现，太阳光透过小孔后，会在小孔后面形成倒像，这是人类第一个小孔成像的实验，同时也是世界上第一个光学实验。

大概在墨子之后的100年左右，古希腊的科学家也对光学的研究有了重大突破：著名科学家欧几里得在其著作《反射光学》中就记载了很多有关光的反射的知识，同时还提出了光的反射定理和投影的假设。

大约公元100年克莱门德和托勒密研究了光的折射现象,最早测定了光在两介质界面的入射角和折射角。阿拉伯学者阿勒·哈增写过一部《光学全书》, 讨论了许多光学现象。

但在此时，无论是东方还是西方，对于光学的研究都还处于萌芽阶段，大多停留于对日常现象的观察，还没有进入系统研究。

到了公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明了透镜,到16世纪初, 凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件也已相继出现。此时，西方进入文艺复兴时期，自然科学开始爆发式向前推进；而光学，也在这个时候获得了极大的发展。

1608年荷兰人李普塞发明第一架望远镜，两年后，伽利略制作了人类第一个天文望远镜，同年，显微镜也被延森和冯特纳制作出来。这些光学器件的发明标志着人类对于光学的探索已经由萌芽时期进入了几何光学时期。

除了光学器件以外，光学理论也在快速发展；1630年斯涅尔和笛卡尔总结出光的折射定律。1657年费马得出著名的费马原理，并从原理出发推出了光的反射和折射定律。这两个定律奠定了几何光学的基础，光学开始真正形成一门科学。之后，牛顿在1666年提出光的微粒理论：光是高速运动的细小微粒。解释光的直线传播和反射折射定律。

这一时期，光学已经解释了所有肉眼直接可见的光学现象，同时也回答了最初的问题：人们看到物体，是因为物体反射光。看上去光学已经到了尽头，直到出现了衍射现象。

1666年，格里马尔迪在实验中无意发现了光的衍射，即光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播的现象。

注意：这个小孔或障碍物的尺寸比光波的波长小，或者跟波长差不多时，光才能发生明显的衍射现象。由于可见光波长范围为4×10-7m至7.7×10-7m之间，所以日常生活中很少见到明显的光的衍射现象。

惠更斯在1678年提出光的波动理论:光是在“以太”中传播的波。成功的解释了光的反射，折射定律以及光的衍射。

此后的100多年间，科学界一直在为光的本质究竟是微粒还是波争论。18世纪以前微粒理论占上风, 这种优势在19世纪初被打破。

1801年托马斯·杨的“杨氏双缝干涉实验”解释了光的干涉现象,初步测定了光的波长, 并于1817年提出光是一种横波。这一实验标志着人类对于光学的研究由几何光学阶段进入了波动光学时期。

1815年菲涅尔补充了惠更斯原理,形成惠更斯—菲涅尔原理;解释了光在各向同性介质中的直线传播和光的衍射现象,并推出菲涅尔公式。

1845年法拉第发现了光的振动面在强磁场中的旋转, 揭示了光与电磁场的内在联系。1856年韦伯和柯尔劳斯发现电荷的电磁单位与静电单位的比值等于光在真空中的传播速度。1861年麦克斯韦建立起著名的电磁理论,该理论预言了电磁波的存在, 并指出电磁波的速度与光速相同, 提出光是一种电磁波的假设。1888年赫兹发现了波长较长的电磁波——无线电波, 它有反射、折射、干涉、衍射等与光类似的性质,传播速度恰好等于光速。

针对惠更斯波动理论中的光的传播介质“以太”是否存在这一问题, 麦克尔逊和莫雷于1887年利用光的干涉效应,试图探测地球相对于“以太”的运动, 得到了否定的结论,证实以太根本不存在。至此,光的本质正式被确定为电磁波的一种。

但是，电磁波存在波长，不同的电磁波波长不同但却存在一定规律，这一时期光学的问题变成了探寻光的波长规律。

并且，1887年，德国物理学家赫兹在一次实验中发现，将某种特定频率的光束照射到金属板上，金属板上产生了微弱的电流。在当时，科学家已经确定电流并不是波，而是一种微粒（电子）。这一现象被命名为光电效应，这与光是电磁波的结论大相径庭，如何解释这一现象，成了下一个时代物理学上空的一片乌云。

进入20世纪，由于加速器的发明，量子物理学开始高速发展。1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念,提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波,只能以各自确定分量的能量从振子射出,这种能量微粒称为量子,光的量子称为光子。量子论很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律,以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。

量子论被看作是近代物理学的奠基石，同时，也标志着光学进入量子光学时期。

1905年爱因斯坦发展了光的量子理论,成功地解释了光电效应,提出了光的波粒二象性。光的波粒二象性，简单来说就是，光在部分情况下表现出粒子性如：光电效应，热辐射；在另一部分下表现出波动性，如：光的干涉，衍射。

同时爱因斯坦提出，光束中应该存在一种比原子分子更小的粒子。1926年，由美国物理化学家吉尔伯特·路易斯发现并正式命名。光子本质是传递电磁相互作用的基本粒子。

后来进一步研究表明，所有物体均具有波粒二象性。只是需要在不同的观测角度下才能发现这些不同的性质。

现代物理学家结合多年来人们对光的研究，对于光做出了如下定义：光是一种电磁波，同时也是一种光子流，也可以认为是可见光频率的光子流。光可以看作是一种概率波，当光子数量极大时，可以认为是一种波。在宏观上，大多数光都表现出波的性质，在微观上则表现粒的性质。

在解释光电效应的同时，爱因斯坦在实验中发现，在原子周围分布的粒子存在不同的能量级，当微粒从高能量级跃迁（可以粗略的理解为闪现）到低能量级时，会同时辐射出一种强光，这种光具有极高的能量。爱因斯坦将他命名为“受激辐射的光放大”，简称激光。

然而随之而来的二战让科学研究陷入了停滞，直到战后。1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现：将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。由此，他们提出了"激光原理"，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光--激光。

1960年, 美国科学家梅曼用红宝石制成第一台激光器，成功制造了人类历史上第一束激光。此后，人类光学史进入了现代光学时期。

激光是如今光学领域研究的重点，同时也是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”，广泛应用于打孔、切割、导向、测距、医疗、通讯等方面。

千百年来，追寻光的方向，人们为了看透了光的本质，不断争论，不断提出新的观点和见解。会看整个光的历程，不经想起中国光学之父王大珩院士的一句话：

发明与创造往往寓于工作疑难之中，解决了所遇到的问题，知识就增加了，水平就提高了。那种自始至终一帆风顺，最终结果与开始的预测相差无几的情况，对一项工程来说，是顺利地完成；但对于一项科学研究，所得却是微乎其微的。