4.光学发展历史简要回顾

钱三强也说过：“物理学发展史是一块蕴藏着巨大精神财富的宝地，这块宝地很值得我们去开垦，这些精神财富很值得我们去探索.”人类对光的研究自古有之，早在公元前400年《墨经》中关于“小孔成像”的记述便代表了人类对光直线传播的直观感知，公元1015年阿拉伯物理学家伊本·海赛木出版BookofOptics，代表着对光学系统性研究的开始.随着惠更斯、牛顿、托马斯·杨、菲涅耳、麦克斯韦和爱因斯坦等众多科学家的卓越贡献，光学研究逐渐从几何光学、物理光学发展到量子光学.从一束光到一个光子，人类对光的认识与操控能力不断发展.伴随着量子力学及量子信息科学的诞生与发展，光子具有速度快、稳定性好等优点，成为承载量子信息技术的良好载体，随着人类对光子制备、操控及探测等能力的不断提升，也推动着量子信息科学技术的快速发展.

人类对光的研究起源很早，但对光本质的认识经历了一个较漫长的过程.光究竟是波还是粒子？光的波动说与微粒说之争从十七世纪初开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共三百多年的时间.光一直被认为是最小的物质，虽然它是个最特殊的物质，但可以说探索光的本性也就等于探索物质的本性.历史上，整个物理学正是围绕着物质究竟是波还是粒子而展开的.波粒二象性是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质.波粒二象性是量子力学中的一个重要概念.在经典力学中，研究对象总是被明确区分为两类：波和粒子.前者的典型例子是光，后者则组成了我们常说的“物质”.在此，通过分析光的波动性与光的粒子性的基础上，发现在宏观情况下，光表现出波动性，在微观情况下，表现出粒子性.

在古希腊时代，人们猜想光是一种从人们眼睛里发射出去的，当射到某样物体时，这个物体就被我们“看见”了.在古希腊时代，人们猜想光是一种从人们眼睛里发射出去的.到了罗马时代，卢克莱修在《物性论》中提出，光是从光源直接到达人的眼睛的.

1672年牛顿提出了：白光是由七中不同颜色的光混合而成的，并提出了光的复合和分解理论以及光的三基色.牛顿便支持微粒说.

惠更斯，胡克认为光是一种在以太里传播的纵波，并引入了“波前”等概念，成功地证明和推导了光的反射和折射定律.他的理论虽然还十分简略，但取得的成绩是杰出的.研究不断地深入：1669年丹麦物理学家巴塞林那斯发现了光通过方解石晶体时会发生双折射现象.

1803年杨氏写成了论文《物理光学的实验和计算》.他根据光的干涉定律对光的衍射现象作了进一步的解释，认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的.但由于他认为光是一种纵波，所以在理论上遇到了很多麻烦.他的理论受到了英国政治家布鲁厄姆的尖刻的批评，被称作是“不合逻辑的”、“荒谬的”、“毫无价值的”.虽然杨氏的理论以及后来的辩驳都没有得到足够的重视、甚至遭人毁谤，但他的理论激起了牛顿学派对光学研究的兴趣.

1808年拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射线现象，批驳了杨氏的波动说.

1809年马吕斯在试验中发现了光的偏振现象.在进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发现光在折射时是部分偏振的.因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有利证据.

1811年布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律.光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说陷入了困境，使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展.

1882年德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象.在他之后，德国另一位物理学家施维尔德根据新的光波学说，对光通过光栅后的衍射现象进行了成功的解释.至此，新的波动学说牢固的建立起来了，微粒说开始转向劣势.

1887年，赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，偶然发现了光电效应.赫兹用两套放电电极做实验，一套产生振荡，发出电磁波；另一套作为接收器.他意外发现，如果接收电磁波的电极受到紫外线的照射，火花放电就变得容易产生.赫兹的论文《紫外线对放电的影响》发表后，引起物理学界广泛的注意，许多物理学家进行了进一步的实验研究.

1888年，德国物理学家霍尔瓦克斯（WilhelmHallwachs）证实，这是由于在放电间隙内出现了荷电体的缘故.1899年，汤姆孙用巧妙的方法测得产生的光电流的荷质比，获得的值与阴极射线粒子的荷质比相近，这就说明产生的光电流和阴极射线一样是电子流.这样，物理学家就认识到，这一现象的实质是由于光（特别是紫外光）照射到金属表面使金属内部的自由电子获得更大的动能，因从金属表面逃逸出来的一种现象.

光电效应

1899—1902年，勒纳德（1862—1947）对光电效应进行了系统的研究，并首先将这一现象称为“光电效应”.为了研究光电子从金属表面逸出时所具有的能量，勒纳德在电极间加一可调节反向电压，直到使光电流截止，从反向电压的截止值，可以推算电子逸出金属表面时的最大速度.他选用不同的金属材料，用不同的光源照射，对反向电压的截止值进行了研究，并总结出了光电效应的一些实验规律.根据动能定理：，可计算出发射出电子的能量.可得出：.

1905年爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质.1921年爱因斯坦因为"光的波粒二象性"这一成就而获得了诺贝尔物理学奖.两个互相矛盾的理论：光的波动说与微粒说之争以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕.1924年德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性.根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，这被后来的电子衍射试验所证实.光的波粒二象性简单说就是光既具有波动特性，又具有粒子特性.

密立根对光电效应进行了长期的研究，经过十年之久的试验、改进和学习，有效地排除了表面接触电位差等因素的影响，获得了比较好的单色光.他的实验非常出色，于1914年第一次用实验验证了爱因斯坦方程是精确成立的，并首次对普朗克常数h作了直接的光电测量，精确度大约是0.5%(在实验误差范围内).1916年密立根发表了他的精确实验结果，他用6种不同频率的单色光测量反向电压的截止值与频率关系曲线关系，这是一条很好的直线，从直线的斜率可以求出的普朗克常数.结果与普朗克1900年从黑体辐射得到的数值符合得很好.

光的粒子性和波动性一直以来是物理界争论的焦点.早在十八世纪时，牛顿在他著名的Opticks就认为光线是由很多“小球”组成.然而，因为对于光的“衍射”等现象未能给出很好的解释，也使光的微粒说饱受争议.尤其当托马斯•杨在十九世纪所做的双缝干涉实验更是给了微粒说致命一击，该实验“表明”光的“干涉”和“衍射”等现象都是由于光的波动性造成的.此后，为解释光电效应，爱因斯坦^[1，2]又不得不把光看成是一个个不可分割的粒子.而随着量子力学的建立，人们更是取了个折衷的态度，认为光既是波又是粒子，即光具有波粒二相性^[3].如今，随着实验技术的进步，人们发现当光越来越弱的时候，在探测器上发生的总是“嗒”，“嗒”一样的声响，在观察屏上出现了不规则的点点光斑，因而可以说物理学家对光本性的认识，还没有得到满意的结果^[4-5].尽管如此，还没有人怀疑过当初杨氏实验的理论根据，即光的波动模型以及由此造成的所谓“干涉项”.牛顿、惠更斯、托马斯•杨、菲涅耳等多位著名的科学家成为这一论战双方的主辩手.正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱.跨世纪的争论引出了量子力学的诞生，它是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学，是20世纪人类文明发展的一个重大飞跃，引发了一系列划时代的科学发现与技术发明，对人类社会的进步做出重要贡献.在现代科学技术中的表面物理、半导体物理、凝聚态物理、粒子物理、低温超导物理、量子化学以及分子生物学等学科的发展中，都有重要的理论意义.我们的现代文明，从电脑、电视、手机到核能、航天、生物技术，几乎没有哪个领域不依赖于量子论.

薛定谔方程仅适用于速度不太大的非相对论粒子，其中也没有包含关于粒子自旋的描述.当计及相对论效应时，薛定谔方程由相对论量子力学方程所取代，其中自然包含了粒子的自旋.薛定谔提出的量子力学基本方程，建立于1926年.它是一个非相对论的波动方程.它反映了描述微观粒子的状态随时间变化的规律，它在量子力学中的地位相当于牛顿定律对于经典力学一样，是量子力学的基本假设之一.设描述微观粒子状态的波函数为Ψ（r，t），质量为m的微观粒子在势场U（r，t）中运动的薛定谔方程为

在给定初始条件和边界条件以及波函数所满足的单值、有限、连续的条件下，可解出波函数Ψ（r，t）.由此可计算粒子的分布概率和任何可能实验的平均值（期望值）.当势函数U不依赖于时间t时，粒子具有确定的能量，粒子的状态称为定态.定态时的波函数可写成式中Ψ（r）称为定态波函数，满足定态薛定谔方程，这一方程在数学上称为本征方程，式中E为本征值，是定态能量，Ψ（r）又称为属于本征值E的本征函数.

2012年麻省理工学院物理学家、诺奖得主弗兰克·韦尔切克在理论上首次预言了时间晶体的存在.在多年的辛苦研究之后，实验学家一直到2021年才终于造出了一枚时间晶体.不过，一支物理学家团队最近取得了另一项重大进步：用光线造出了时间晶体.研究报告于今年二月发表在了期刊《自然通讯》上.研究团队使用了两束激光束打入一个直径一毫米、呈圆盘状的晶体空腔中.两束激光会在空腔中来回反弹、不断相撞.研究人员特意选择了空腔的形状，并对激光束的特性加以控制，使得激光反射出的光线产生了任何普通光线都从未形成过的规律：在空腔内部来回反射的激光形成了多个孤立波.这些波具有可以预测的周期性，并且节奏完全匹配，因此可以视作一个时间晶体.

色散关系是指从因果律出发得出的积分关系式的统称.假设外界对某一物理系统输入信号，作为反应系统将产生输出信号.假如，该系统具有如下属性；第一，内部运动规律并不随时间改变;第二，输入及输出依据因果律方式联系;第三，输出是输入的线性泛函，则可求出该线性泛函的傅里叶变换的解析性质；从而得到可测量间的积分关系式--色散关系.

参考文献：

1.A.爱因斯坦，AnnalenderPhysik17，132，(1905)

2.A.爱因斯坦，AnnalenderPhysik20，199，(1906)

3.Ronchi，V，TheNatureofLight，(Heinemann，London，1970)

4.爱因斯坦，《爱因斯坦文集》，许良英等翻译，北京，商务印书馆，23（1976）

5.理••费曼，《QED：光和物质的奇异性》，张仲静译，北京，商务印书馆，37（1994）