光学一千年

孙正凡

（作者为科学松鼠会成员）

2015年是联合国大会确定的“光和光基技术国际年”，简称“国际光学年”。一方面，2015年恰好是1000年以来人类在光领域多项重大发现的纪念周年；另一方面，联合国也希望借此强调光学技术在推动可持续发展、解决能源、教育、农业等领域问题的重要性。

1015年，阿拉伯学者伊本·海赛姆写成《光学之书》，他描述放大镜和眼睛晶状体的工作原理，推论出了光线的反射和折射定律。1905年，爱因斯坦用“波粒二相性”解释了光电效应，指出光既是一种波，也具有粒子性质，建立了光量子理论。同一年，爱因斯坦在狭义相对论中还指出，对任何观测者来说，光速总是不变的，一切速度都不可能超过光速。1915年，爱因斯坦又发表了广义相对论，预言光线经过太阳引力场会发生弯曲，这一预言很快得到了证实。

光电效应是太阳能电池的基础。当光线照射在金属或半导体上时，光子会使电子逃脱，从而可以用于发电。光的波长越短，频率越高，电子所具有的能量就越高。20世纪50年代，随着半导体研究深入，贝尔实验室发现在晶体硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感，太阳电池技术的时代终于到来。70年代能源危机之后，太阳能这种可再生环保能源成为各国政府青睐的对象。目前，全球最大的屋顶太阳能电池系统位于德国南部伯茨达特，面积达4万平方米。中国也是太阳能光伏产业领先的国家，拥有超过400家光伏企业，长三角等地区已经有居民在家中安装光伏系统，自行发电并将多余电力卖给国家电网。

爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论除了在纯科学方面促进了粒子物理学和宇宙学研究之外，在日常生活中也有着重要的应用。例如，汽车和手机上使用的全球定位系统（GPS）。GPS定位仪是通过接受卫星发射的无线电时序信号（也可以看作光谱的一部分）工作的。根据狭义相对论，高速移动物体的时间流逝得比地面要慢。卫星时速为1.4万千米，每天要比地球上的时钟慢7微秒。而广义相对论认为引力对时间施加的影响更大，卫星位于距离地面大约2万千米的太空中，受地球引力较小，每天比地球要快45微秒。两者综合的结果是，卫星上的时钟每天大约比地面快38微秒。由于时间和空间是一个相互联系的整体，信号从发射到接受，必须要用相对论效应修正才能得到准确的定位结果。如果不加以校正的话，GPS系统每天将累积大约10千米的定位误差。

激光是又一项对现代科学和生活产生重要影响的光学技术，超市条形码扫描仪、眼科手术等都与此有关。在临床外科手术中，激光可以聚焦成为极小的光点，成为“光刀”，可以进行微创手术，祛除病魔。激光还是量子纠缠研究的重要载体。量子纠缠是1935年爱因斯坦提出的一种效应，两个耦合的粒子之间即使分开很长距离仍然具有相关性，利用这种效应可以在两地之间进行瞬间保密通信。2006年《自然》杂志创办了子刊《光子学》，专门报道激光技术及其在量子通信、生物医疗等方面的进展。在这方面中国科学家也取得了杰出的成就，中国科学技术大学潘建伟院士带领的团队已经建成了国际上首个规模化的量子通信网络，实用的量子通信技术呼之欲出；量子技术的另一应用是未来的量子计算机，它比经典的计算技术要快万亿倍以上，届时再难的计算任务也会变得轻而易举，信息社会的形态又将呈现全新的面貌。