光在人间

苏更林

地面上用光投射出的“国际光年”标志

我们生活在光的海洋里，尽情享受着光带给我们的恩惠。这其中既有太阳的无私馈赠，也有凝聚了一代代追光人智慧的光学成果。值此纪念2015“国际光年”之际，历数光技术为人类带来的福祉，并向致力于人类光学事业的科学家致以诚挚的敬意！

生命之源

科学家认为，光为生命之源。地球生命的诞生是一个极其漫长复杂的过程，具体的细节并不被人们所知晓。但有一点是必须的，那就是光芒四射的太阳。太阳是太阳系中唯一的一颗依靠自身发光的恒星。太阳的辐射为地球生命的诞生提供了足够的能量，并哺育了地球上的生灵万物。

在生命出现以前，大气中几乎是没有氧气的，而二氧化碳的含量则比较高，还有甲烷、氮气、水蒸气、硫化氢、氨气等成分。这样的大气是不适于生命存在的。好在大气中没有游离的氧，不能在大气层上方形成臭氧层。这样一来，太阳发出的强烈辐射可以长驱直入到地球表面，从而为无机物向有机物的演变提供了巨量的能源。

在生命的进化过程中，光合作用扮演了极其重要的角色。当原始地球出现蛋白质和核酸的时候，标志着化学演化已经进入到一个新阶段，预示着生命曙光的来临。在原核细胞向真核细胞的进化过程中，原核细胞不断分化，有的发展成了后来的细菌，有的则在体内出现了叶绿素，并进而发展成了能够自养的蓝藻。

光合作用放出的氧气逐渐改变了原始大气的成分，游离氧在大气中的含量慢慢增加，这就为生物向喜氧的方向进化创造了条件，因为有氧呼吸可以大幅度提高生物的能量利用效率，具有很强的竞争优势。同时，大气中氧气的增加又促进了大气圈中臭氧层的形成，从而可以阻挡部分紫外线辐射，保护地球生命免遭太阳紫外线辐射的伤害。

绿叶“崇拜”

光合作用是绿色植物利用太阳能的“绝活”，并成为了生物界赖以生存的基础。人类对绿叶的崇拜，实际上就是对光合作用的崇拜。科学家认为，模拟光合作用来利用和储存太阳能是一项造福人类的伟大工程，从20世纪70年代开始，科学家就投入到模拟光合作用的探索之中了。比如，科学家就研发出“人工绿叶”，以模拟绿色植物的光合作用过程，从而在阳光的催化下把二氧化碳和水转化成能量。

“人工树叶”是一种如扑克牌大小的片状材料，模拟了自然界中植物利用阳光将水、二氧化碳转化成氧气和碳水化合物的过程

我们通常所说的“生物固碳”，其实也是光合作用的功劳。所谓生物固碳就是指利用植物的光合作用来提高生态系统的碳吸收能力，从而减少二氧化碳在大气中的浓度以减缓全球的变暖趋势。原来，植物可以通过光合作用把大气中的二氧化碳转化为碳水化合物，并以有机碳的形式固定在植物体内和土壤之中。生物固碳可以通过土地开发利用、植树造林以及农业措施等，来提高植物和土壤的固碳能力，因此是一种成本最低且副作用最小的固碳方法。在全球变暖的大背景下，生物固碳更成为国际科学家十分关注的科学话题，具有十分重要的科学意义和生态意义。

“光”影不离

影子是一种光学现象。影子不是一个实体，而是物体的一个投影。影子是怎样产生的呢？原来，光线在同种均匀介质中沿直线传播时，由于不能穿过不透明物体而形成一片较暗区域，这就是我们常说的影子。

古人从日影的角度变化中汲取灵感，发明了一种独特的计时仪器——日晷。我们常说，“一寸光阴一寸金”，为什么“光阴”用“寸”来计量呢？这就出自于日晷。日晷通常由铜制的晷针和石制的圆盘晷面组成，晷针垂直地穿过圆盘中心，晷面呈南高北低，平行于天赤道面，这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。晷面上刻划有子丑寅卯等12个大格，每个大格代表两个小时。当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，并随着太阳的移动而移动，如同钟表的指针。“寸晷”表示日影移动一寸所代表的时刻，意味着时间短暂，后来人们习惯于用“寸”来衡量光阴的长短。

但是，挥之不去的影子在有些场合却是个大麻烦，比如在医疗手术时。在这样的背景下，“无影灯”便诞生了，那么你知道“无影灯”的光学秘密吗？我们仔细观察光下的影子，就会发现影子的中部特别黑暗，四周则稍浅些。一般把影子黑暗的部分称为“本影”，四周灰暗的部分称为“半影”。如果在一个物体旁边点燃一支蜡烛，物体就会投下一个清晰的影子。如果点燃两支或者更多支蜡烛，那么本影部分就会变得越来越小，而半影部分就会出现很多层次……直到点上一圈蜡烛时，本影就会完全消失，半影也就淡得看不见了。无影灯就是根据上述原理制成的。无影灯将发光强度很大的灯在灯盘上排列成圆形，从而合成了一个大面积的光源。这样，它就能从不同角度把光线照射到手术台上，既保证了手术视野内的光亮度，同时又不会产生明显的本影。

望远镜和显微镜都是利用光学原理而发明的。图为正在夏威夷建设的世界最大光学天文望远镜（TMT）的概念图，这座30米的光学-红外望远镜分辨率将达到哈勃太空望远镜的10倍

“人造太阳”

太阳能是一种取之不尽的洁净能源，利用太阳能发电主要有3种形式：光电转换、光热转换、光化学转换。其中，太阳能光伏发电技术是利用太阳能电池半导体材料的“光伏效应”将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电技术。太阳能电池（光伏电池）是太阳能光伏发电的能量转换器，也是太阳能光伏发电系统的基础和核心器件。

太阳对能源的贡献还不只如此，它更启发了“人造太阳”的宏伟设想，即利用太阳核聚变反应原理制造的一种能可控提供海量清洁能源的装置。2013年9月初，中国“人造太阳”实验装置EAST与美国托卡马克实验装置DIII-D首次联合实验并获得成功，标志着“人造太阳”计划取得重要技术突破。

核聚变能是由两个较轻的原子核在结合成一个较重的原子核时释放出来的能量，而产生聚变反应的主要燃料之一就是氢的同位素——氘。科学家发现，在每升海水中大约含有30毫克的氘，通过聚变反应产生的能量相当于300升汽油所含的热能。设计“人造太阳”的初衷就是把海水中的氘提取出来，然后通过聚变反应而产生巨大的能量。为了实现“人造太阳”的梦想，中国、欧盟、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国于2006年推出了一个国际合作计划——国际热核聚变实验堆（ITER）。实现托卡马克实验装置高性能稳态运行是ITER的目标之一，中国的EAST就是世界首个全超导托卡马克装置，DIII-D则是世界上运行最理想的托卡马克装置。

光纤通信

互联网的诞生和发展，是20世纪末人类科技史上最伟大的事件之一。互联网发展的物理基础是什么？那就是人类在光纤物理学上的技术突破。用光纤系统支撑的互联网，融合了现代通信技术和现代计算机技术，集各个部门和领域的各种信息资源为一体，从而构成了网上用户共享的信息资源网。

光纤实际上就是一种透明度很高的石英玻璃丝，它是由芯子和包层组成的。芯子的直径在10微米以下，主体材料为二氧化硅，并掺杂有少量氧化锗或氧化磷，其作用在于提高光的折射率;包层的直径在100微米上下，是由纯二氧化硅材料构成的，或者掺杂有少量氧化硼或氟元素，其作用在于降低光的折射率。由于光导纤维的芯子和包层具有不同的折射率，因此经过调制的光信号可以不断地在芯子和包层的交界处发生反射，从而在芯子内部沿着“之”字形传播。

为什么纤细的光导纤维具有如此神奇的功能呢？原来，现代的光纤通信主要运用了光的反射原理，并把光的全反射限制在了纤细的光纤内部，这样就用光信号取代电信号而完成了信息的远距离传递，从而为互联网的发展提供了强有力的物理支撑。

“神光”激光

激光是20世纪最伟大的科技发明之一，如果说太阳光使我们饱览了世界万物的风采的话，那么激光这个“人造神光”则把人类社会点缀得异彩纷呈！激光是一种由激光器发出的以受激辐射占主导地位的高亮度相干光束。人类历史上第一束激光是在1960年5月15日从美国加利福尼亚州休斯实验室发出的。

激光与普通的光有什么不同呢？其实，激光也是一种光，但与普通光相比具有高方向性、高相干性、高单色性、高亮度等优点。高方向性是指激光的辐射波十分集中地朝一个方向传播;高单色性是指激光的颜色非常纯净;高亮度是指激光的亮度甚至可以超过太阳光的亮度。激光的这些优点决定了其非凡的应用价值，比如激光通信就是一种将对人类通信领域产生革命性影响的技术，各国军方纷纷投入精力和财力加强对大气激光通信的研究。

所谓大气激光通信是指以大气为传输介质的激光通信，它不但可以传送电话信息，还可以传送数据、传真、电视和可视电话等。大气激光通信具有非常好的反侦听和抗干扰性能，像空间电离层的扰动和地球极光的闪烁等，都不会影响大气激光通信的效果。甚至核武器爆炸时所产生的强烈的电磁脉冲，也奈何不了大气激光通信的效果。原来，这些电磁脉冲没有激光的频率高，再者，核武器爆炸所产生的光辐射尽管能量很强但是向四面八方发散的，因此对大气激光通信的影响是不大的。

同时，科学家还把在激光作用下生物体所发生的物理、化学、生物学的反应，称为激光生物学效应。利用激光的生物学效应可以进行生物技术开发和诱变育种等操作。实践证明，激光育种是行之有效的育种手段，并且激光生物技术在基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等方面取得了令人瞩目的成就。同时，激光还在医疗、家电、能源、制造等领域都获得了蓬勃发展。如激光在眼科、牙科、心脏病、癌症等诊断治疗方面具有重要的应用;激光在能源工业中可以进行核聚变点火。前面提到了核聚变装置，而点燃核聚变燃料需要上亿度的高温，激光的发明则很好地解决了这个问题。

“上海光源”

“上海光源”是一种什么光？原来，“上海光源”是“上海同步辐射光源”的简称，它被誉为我国最大的“大科学装置”，也是我国最先进的多学科前沿研究实验平台。该光源包括一系列的“神奇之光”， 能够覆盖从远红外到硬X射线的宽广波段，从而照亮微观世界的“黑箱”。

同步辐射是由以接近光速运动的电子在磁场中做曲线运动改变运动方向时所产生的电磁辐射。由于这种现象最先是于1947年在高能物理实验用的同步加速器上发现的，因而被命名为“同步辐射”。简单来说，“上海光源”的工作原理是让以接近光速运动的电子在磁场中做曲线运动，由于改变运动方向而释放出来的能量则可以转换成各种波段的电磁波。

“上海光源”具有高亮度、高强度、高稳定等优点，强度是X光机的上万倍，亮度是最强的X光机的上亿倍，可同时提供从远红外线、紫外线到硬X射线等不同波长的高亮度光束。科学家可以利用“上海光源”来破解生物大分子的三维结构，从而为“后基因组时代”生命科学的研究创造良好的条件。科学家还可以利用“上海光源”的X光显微成像和断层扫描成像技术，直接获取亚细胞结构图像。

链接2：

光与诺贝尔奖

1901年，德国人伦琴因发现X射线而获得诺贝尔物理学奖。X射线可用于医学、工业等领域，也可用来分析晶体结构。

1905年，德国人伦纳德因对阴极射线的研究而获得诺贝尔物理学奖。

1907年，美国人迈克尔逊因创造精密的光学仪器用以进行光学研究并精确测出光速而获得诺贝尔物理学奖。

1908年，法国人李普曼因发明基于干涉现象的彩色照相技术而获得诺贝尔物理学奖。

1914年，德国人劳厄因发现X射线在晶体中的衍射而获得诺贝尔物理学奖。

1915年，英国人布拉格父子因在使用X射线衍射研究晶体结构方面所做的研究而获得诺贝尔物理学奖。

1918年，德国人普朗克因作为量子力学的重要创始人，提出能量量子理论而获得诺贝尔物理学奖。量子力学作为现代物理学两大支柱之一，导致了计算机、激光等技术的产生。

1919年，德国人斯塔克因发现光线在电场中的分裂而获得诺贝尔物理学奖。

1921年，爱因斯坦因阐明光电效应而获得诺贝尔物理学奖。

1930年，印度人拉曼因在光散射方面的研究，并提出“拉曼效应”而获得诺贝尔物理学奖。

1953年，荷兰人泽尼克因发明相衬显微镜而获得诺贝尔物理学奖。

1955年，美国人兰姆因对氢原子光谱的精确测量而获得诺贝尔物理学奖。

1964年，美国人汤斯和苏联人巴索夫、普罗霍罗夫因在量子电子学领域的研究工作导致了激光器的诞生而获得诺贝尔物理学奖。

1971年，匈牙利裔英国人加博尔因发明全息术而获得诺贝尔物理学奖。

1981年，荷裔美国人布罗姆伯根因激光光谱学和非线性光学的研究而获得诺贝尔物理学奖。

2000年，俄国人阿尔费罗夫和美国人基尔比、克勒默因对半导体的研究并将其应用于高速光电子元件而获得诺贝尔物理学奖。

2005年，美国人格劳伯、霍尔和德国人亨施因为量子光学奠定基础而获得诺贝尔物理学奖。

2009年，华裔美籍物理学家高锟因在纤维中传送光以达成光学通信的成就而获得诺贝尔物理学奖。

2014年，日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二因发明高亮度蓝色发光二极管而获得诺贝尔物理学奖。

2014年，美国科学家贝齐格、莫纳和德国科学家黑尔，因突破光学显微镜的极限而获得诺贝尔化学奖。