鐘錫華

（北京大學(xué)物理學(xué)院，北京 100871）

1 光與人類

人類與光的關(guān)系最為親密.日出而作，日落而息.春光明媚精神爽，天氣陰沉情緒降，這是心理光學(xué)的情事.陽(yáng)光普照大地，給人間送來(lái)光和熱，催化了地球上的萬(wàn)物生靈.也許反過(guò)來(lái)說(shuō)更為合理，唯有適應(yīng)了陽(yáng)光的生物，才能得以存活、生長(zhǎng)、繁衍和進(jìn)化，可謂適光者昌，抗光者亡.

“倘若不是我們的眼睛像太陽(yáng)，誰(shuí)還能欣賞光亮.”這是德國(guó)偉大詩(shī)人歌德的名句，詩(shī)人的浪漫得到了科學(xué)家的鑒賞，蘇聯(lián)科學(xué)院院長(zhǎng)瓦維洛夫，在其名著《眼睛和太陽(yáng)》一書的引論中，就選用這一詩(shī)句作為首語(yǔ).的確如此，人眼的感光性能與陽(yáng)光的光譜特性相當(dāng)匹配.以下從多方面對(duì)此考察審視之.

（1）人眼所能感受到的可見(jiàn)光波段，其波長(zhǎng)約在0.4～0.7μm 之間，波長(zhǎng)小于0.4μm 的光或大于0.7μm 的光，成為不可見(jiàn)的紫外光或紅外光.而太陽(yáng)輻射的本征光譜是一連續(xù)譜，其波段很寬，從0.1～3.2μm，光譜曲線的峰值出現(xiàn)在約0.56μm（黃綠光），這正是人眼可見(jiàn)光波段的居中位置.經(jīng)粗略估算，在可見(jiàn)光波段的太陽(yáng)輻射能量占有60%.換言之，波長(zhǎng)范圍僅占總波段約1/10的可見(jiàn)光，卻占有了總輻射能的6/10，而被人眼接受.可見(jiàn)，人眼對(duì)陽(yáng)光輻射能的利用率是很高的.

（2）假如人眼對(duì)太陽(yáng)輻射的全光譜均可見(jiàn)，那將會(huì)出現(xiàn)怎樣的后果？借用光量子語(yǔ)言，短波長(zhǎng)的紫外光，其頻率ν 甚高，相應(yīng)的光量子能量E＝hν也甚大，它在生化作用方面多數(shù)情形下將破壞有機(jī)體，乃至殺害有機(jī)體，廣泛使用于醫(yī)院、飯館和儲(chǔ)藏室的紫外線滅菌燈，就是一個(gè)例證.況且，人眼球腔中的晶狀體，對(duì)波長(zhǎng)短于0.4μm 的紫外線有很強(qiáng)的吸收，紫外線幾乎不能到達(dá)視網(wǎng)膜，這也體現(xiàn)了人體器官具有一種自我保護(hù)的功能.再看長(zhǎng)波端的紅外光情況，根據(jù)熱輻射定律，凡溫度T 不為零的物體均有輻射本領(lǐng)，而向四周輻射光波；體溫37℃相當(dāng)于絕對(duì)溫度T＝310K，相應(yīng)的人體熱輻射的光譜曲線其峰值位置約在9～10μm，向左陡降到波長(zhǎng)約5μm，向右緩降至30μm；倘若視網(wǎng)膜對(duì)如此一段廣闊的紅外波段的光均為可見(jiàn)，那整個(gè)眼球體就成為一個(gè)光球，甚至亮得宛如一個(gè)火球，周圍客體包括太陽(yáng)都變得暗淡無(wú)光.這是一個(gè)令人可怕的景象，也完全違背了人類造就眼睛的初衷.對(duì)于波長(zhǎng)在1～5μm 的近紅外光，無(wú)視覺(jué)反應(yīng)的機(jī)制，至今尚不清楚，也許從光電效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)的量子化特性入手分析，可能獲得一種合理的說(shuō)明，即紅外光量子的能量較低，不足以產(chǎn)生與視覺(jué)相聯(lián)系的光電子數(shù).這是生理光學(xué)中可待進(jìn)一步研究的課題.

（3）必須指出，到達(dá)地面的陽(yáng)光，由于大氣層的吸收和散射，以及約30km 高度臭氧層對(duì)于0.29μm 紫外線的強(qiáng)烈吸收，其光譜特性有了顯著變化，它在0.45～0.65μm 波段的光譜曲線變得平直而趨于均勻，在兩側(cè)較長(zhǎng)或較短的波長(zhǎng)區(qū)域陡然下降.這不是一件好事，它不利于人們看清或識(shí)別客體（objects）.幸運(yùn)的是，人眼對(duì)光的感受靈敏度隨波長(zhǎng)而變，有一個(gè)所謂視見(jiàn)函數(shù)，其線型宛如墨西哥尖帽，在白天其峰值位置約為0.56μm，恰與陽(yáng)光本征光譜的峰值位置相近，也正是上述地面陽(yáng)光光譜曲線的居中位置，峰值兩側(cè)視見(jiàn)函數(shù)值下降，直至為零，當(dāng)波長(zhǎng)小于約0.4μm 或大于約0.7μm 時(shí)視見(jiàn)函數(shù)的這種局域性和非均勻性有利于我們看清對(duì)象和識(shí)別物體.

在這里不禁要問(wèn)，何為看清物體？深究起來(lái)它有兩個(gè)基本含義或者說(shuō)兩個(gè)基本指標(biāo)：一是看清楚對(duì)象內(nèi)部的細(xì)節(jié)；二是識(shí)別對(duì)象與周圍客體的差異，以顯示出對(duì)象的邊緣輪廓.前者是視覺(jué)的空間分辨率問(wèn)題，人類為追求高分辨率而不斷進(jìn)取，已持續(xù)努力了約300年，2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予單分子顯微鏡的發(fā)明者.后者是圖像識(shí)別問(wèn)題，要識(shí)別就必須有差別或襯比（contrast），或憑借亮度的差別即亮襯，或憑借色度的差別即色襯.人眼的色視覺(jué)，紅橙黃綠青藍(lán)紫，提供了色度襯比，而視見(jiàn)函數(shù)的非均勻性，提供了亮度襯比，兩者共同作用使人們識(shí)別圖像的本領(lǐng)得以極大提高.你看藍(lán)天白云，朵朵婀娜，千姿百態(tài)，其邊界形貌十分清晰，此乃其有高色襯和高亮襯之故.

（4）頗有意思的一個(gè)事實(shí)是，白晝?nèi)搜垡曇?jiàn)函數(shù)曲線，幾乎與綠色植物所反射和散射的陽(yáng)光光譜曲線相重合，后者也呈墨西哥尖帽狀，兩者峰值均在0.56μm（黃綠色）位置.自然，這種一致性對(duì)于生活在植物地帶，并以植物為主要食料的動(dòng)物是十分有利的，人類的祖先就是這類動(dòng)物之一種.因?yàn)檫@種一致性，使強(qiáng)光入射時(shí)的主觀亮度依然強(qiáng)，而使弱光入射時(shí)的主觀亮度變得更弱，從而提高了對(duì)叢林環(huán)境的識(shí)別能力，使這綠色世界包括植物、泥土、沼澤、河流和巖石更具層次感，也更容易識(shí)別出沒(méi)于森林中的其他動(dòng)物，以保持警惕和保護(hù)自身.

（5）另一個(gè)相反的事實(shí)是，在弱光環(huán)境下，人眼視見(jiàn)函數(shù)有所變化，相比白晝，黃昏或夜間的視見(jiàn)函數(shù)曲線向短波紫端方向移動(dòng)約有50nm，即其峰值位置約在0.51μm（青藍(lán)色）.這是否表明夜光的光譜曲線向短波方向移動(dòng)了？事實(shí)上恰巧相反，與白天光譜相比較，夜晚光譜中長(zhǎng)波成分增強(qiáng)了.除去可能出現(xiàn)的月光，夜光的來(lái)源有幾種成分，首先是宇宙中的星光，其次是大氣對(duì)陽(yáng)光的散射光，它占極小部分；再有天空本身的亮光，它占相當(dāng)大的部分，其主要貢獻(xiàn)者是大氣上層的氧和臭氧的熱輻射，它的主要光譜區(qū)靠近長(zhǎng)波紅端.于是，對(duì)夜晚視見(jiàn)曲線藍(lán)移效應(yīng)一種可能合理的解釋是，在弱光條件下，雖然長(zhǎng)波紅光成分相對(duì)而言比較強(qiáng)，但終究它是弱光，而短波藍(lán)光部分則更弱，擬應(yīng)通過(guò)視見(jiàn)函數(shù)的調(diào)整，使其視覺(jué)靈敏度得以提高；這樣夜間人眼對(duì)于夜空實(shí)際接受的光譜曲線就較為平直均勻，這相似于白天地面陽(yáng)光的光譜線型，雖然它處于低水平，這可突現(xiàn)夜間物體的邊緣輪廓，有利于人們識(shí)別周圍物體，比如障礙物和危險(xiǎn)動(dòng)物之類.我們可以這樣認(rèn)為，夜行者的當(dāng)務(wù)之急是識(shí)別環(huán)境，大體看見(jiàn)周圍物體，并非苛求看清物體細(xì)節(jié).

（6）小結(jié).無(wú)疑，眼睛是人類最精巧最機(jī)靈的一個(gè)感覺(jué)器官，它具有多種視覺(jué)功能，而首當(dāng)其要的是其光譜特性.綜上所述，眼睛的光譜特性，即其視見(jiàn)函數(shù)的局域性和非均勻性以及色效應(yīng)，正是適應(yīng)了陽(yáng)光本征光譜的特性，也更適應(yīng)地面綠色世界散射光的光譜特性.可以說(shuō)，這是漫長(zhǎng)時(shí)期以來(lái)自然選擇、生物進(jìn)化、生物自適應(yīng)和自我保護(hù)的結(jié)果.從這個(gè)意義上看，陽(yáng)光造就了眼睛，或者說(shuō)，眼睛是光這個(gè)精靈物化于人體中的一個(gè)精靈.

當(dāng)然，同在陽(yáng)光沐浴下的其他動(dòng)物，它們的眼睛結(jié)構(gòu)和光譜特色卻與人眼有著顯著差異，這是為什么？也許這是未來(lái)生物光學(xué)這門學(xué)科中一個(gè)頗有價(jià)值的研究專題.

2 光與信息

人類有5大感官系統(tǒng).耳朵是聽(tīng)覺(jué)器官用以獲取外部環(huán)境的聲音信息，鼻腔是嗅覺(jué)器官用以提取四周氛圍的氣味信息，舌頭是味覺(jué)器官用以獲取食物的味道信息，手腳也可以作為觸角器官用以感受對(duì)象的軟硬冷熱，而眼睛是視覺(jué)器官，用以獲取外部世界的光信息，這包括客體的明暗圖像信息和空間分布信息，以及色彩色度信息.實(shí)驗(yàn)表明，人眼對(duì)灰度的識(shí)別能力可達(dá)10階，而對(duì)色度的識(shí)別能力竟可達(dá)102級(jí)，即人眼具有十分敏感的色效應(yīng).我們的眼睛所接受的信息量是相當(dāng)豐富和巨大的.來(lái)自信息科學(xué)的統(tǒng)計(jì)顯示，一個(gè)人對(duì)外部世界所感受的信息量，其中80%是通過(guò)眼睛進(jìn)入的.

現(xiàn)代視覺(jué)理論，致力于探討體視覺(jué)、色視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)視覺(jué)的深層內(nèi)在機(jī)制，探討視覺(jué)細(xì)胞－視覺(jué)神經(jīng)－大腦這一關(guān)聯(lián)系統(tǒng)中的信息轉(zhuǎn)換、信息傳遞和信息處理的機(jī)制.從眼睛開(kāi)啟的這一視覺(jué)系統(tǒng)，使人們具有十分高明的識(shí)別和判斷能力.比如，繁華路口車來(lái)車往，在沒(méi)有交通信號(hào)燈的情況下，你是怎樣做出正確判斷以使自己安全通過(guò)馬路的.經(jīng)驗(yàn)告訴人們，要一站二看三通過(guò)，即，停下來(lái)，左顧右盼，大約只需要3、4秒鐘時(shí)間，一個(gè)人就可以做出一個(gè)可靠判斷，是過(guò)還是不過(guò).這個(gè)識(shí)別和判斷的任務(wù)，如果要讓計(jì)算機(jī)（電腦）來(lái)完成，據(jù)20世紀(jì)80年代美國(guó)總統(tǒng)的一位科學(xué)顧問(wèn)估算，這在當(dāng)時(shí)所需計(jì)算機(jī)數(shù)量之巨大，可以鋪滿整個(gè)加利福尼亞州.科學(xué)家們?cè)噲D從明了人眼視覺(jué)系統(tǒng)內(nèi)在運(yùn)行機(jī)制入手，為研制新一代計(jì)算機(jī)找到一個(gè)可行的途徑.這新一代計(jì)算機(jī)的運(yùn)行模式，將根本區(qū)別于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)遵循的專家路線的運(yùn)行模式，它具有宛如人眼加人腦系統(tǒng)那樣的識(shí)別、判斷和推理的能力.簡(jiǎn)言之，電腦的人腦化，從研究視覺(jué)內(nèi)在機(jī)制開(kāi)始.

光學(xué)，Optics，該單詞源于希臘文一句子詞頭的組合，其意為What is seen，可漢譯為“看見(jiàn)這檔事是咋回事”.毋庸置疑，光學(xué)這門學(xué)科起源于人類對(duì)視覺(jué)外在機(jī)制的思考，旨在如何擴(kuò)展或增強(qiáng)視覺(jué)能力，以使自己看得遠(yuǎn)看得清.放大鏡、顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡，被統(tǒng)稱為助視光學(xué)儀器，就是這個(gè)道理.

人類為增強(qiáng)自己看清物體細(xì)節(jié)的能力，至今已持續(xù)奮斗了幾百年，不斷取得新進(jìn)展；迄今為止，人類對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)及其演化的認(rèn)知，幾乎全憑望遠(yuǎn)鏡獲取的光信息，包括其圖像信息和光譜信息；迄今為止，人類對(duì)凝聚態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、原子分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，主要憑借入射光與客體相互作用而傳遞出來(lái)的光信息，包括其光譜信息和衍射圖樣信息.對(duì)以上3個(gè)方面稍作如下詳述.

（1）顯微無(wú)止境.茲將300年來(lái)不斷進(jìn)展的顯微技術(shù)列于表1.

表1 顯微技術(shù)的發(fā)展

續(xù)表

對(duì)單分子光學(xué)顯微鏡的說(shuō)明：用一束弱光脈沖激發(fā)一部分熒光蛋白發(fā)光而稍后消退，它們離散分布其間距大于0.2μm，故可由Abbe顯微鏡分辨而獲得一幅清晰圖像；再重復(fù)這一步驟，使另外部分熒光蛋白發(fā)光，又獲得一幅蛋白分子分布圖像；如此照射多次，獲得許多幅不同時(shí)刻的圖像，并對(duì)光斑邊緣做銳化處理；當(dāng)所有這些透明圖像疊加一起時(shí)，單個(gè)蛋白分子的形貌及其分布圖像就清晰地呈現(xiàn)出來(lái)，其分辨率正是蛋白分子的線度約10nm 左右.可見(jiàn)單分子光學(xué)顯微鏡是非同時(shí)制測(cè)量模式，類似于近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡它是順序制測(cè)量，也屬于非同時(shí)制測(cè)量模式.

（2）哈勃知多少.美國(guó)研制造價(jià)30億的哈勃望遠(yuǎn)鏡，于1990年4月24日升天，運(yùn)行于大氣層之上距地面610km 的軌道上，重量約11t.其任務(wù)是，探測(cè)宇宙深層結(jié)構(gòu)及其演化、宇宙年齡及其空間范圍，特別關(guān)注宇宙膨脹速度，從而修正哈勃常數(shù)，并判定宇宙膨脹速度是變慢了還是變快了，這關(guān)系到宇宙生死歸宿.從最初幾年發(fā)回的信息，它已獲得若干舉世矚目的重大發(fā)現(xiàn).比如，1995 年拍攝到的圖像中的一個(gè)物體，是迄今所發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的天體，距離100億光年，含有3000個(gè)星體；攝譜儀顯示了一顆超新星1987A 的物質(zhì)成分，氧、氮和氫；紅外儀發(fā)現(xiàn)了一顆“皮斯托”星，它是迄今發(fā)現(xiàn)的最大的一個(gè)天體；在哈勃望遠(yuǎn)鏡的紅外圖像中，海王星的光環(huán)卻很明亮，且云層清晰可見(jiàn)；拍到一張γ射線大爆發(fā)的照片，這使人聯(lián)想到宇宙起源于這些令人費(fèi)解的能量釋放；哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，宇宙膨脹速度實(shí)際上并沒(méi)減慢.

值得一提的是，上述100億光年的距離是怎樣測(cè)算出來(lái)的.其實(shí)，它還是由該天體的光譜信息所謂“紅移”效應(yīng)而得到的：該天體的某一條特征譜線λ0將向長(zhǎng)波端移動(dòng)了Δλ，根據(jù)多普勒效應(yīng)頻移公式，由Δλ 值推算出該天體的遠(yuǎn)離速度vr，再根據(jù)著名的哈勃定理vr＝H0r，由vr值最終推算出距離r，這里H0正是哈勃常數(shù).光，這個(gè)精靈，就這樣自由地遨游于太空，以其每秒30萬(wàn)km 的速度，將這遙遠(yuǎn)星體100億年前的狀態(tài)傳送到地球，呈現(xiàn)于世人面前.

回溯400年前，17世紀(jì)初相繼發(fā)明的里普希望遠(yuǎn)鏡、伽利略望遠(yuǎn)鏡和開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡，開(kāi)創(chuàng)了人類可清晰觀察天象的新紀(jì)元.作為首臺(tái)太空望遠(yuǎn)鏡，哈勃望遠(yuǎn)鏡的出世是人類望遠(yuǎn)鏡技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)巨大里程碑.與傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡相比較，太空望遠(yuǎn)鏡獲取的關(guān)于宇宙星際的信息量空前巨大.它動(dòng)態(tài)巡天，可觀測(cè)眾多天體；它多波段攝取同一星體的圖像信息，可見(jiàn)光圖像、紅外圖像乃至短波X 射線圖像和γ 射線圖像；它兼?zhèn)涔庾V分析功能，用以了解星體的物質(zhì)成分、正在發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)，以及星體遠(yuǎn)離退行速度；它以其大口徑所具有的強(qiáng)聚光能力和高分辨率，可以探測(cè)遙遠(yuǎn)10億光年至100億光年的星體，從而揭示宇宙深層結(jié)構(gòu)及其演化.

自1990年以后，世界強(qiáng)國(guó)歐美和日本，均抓緊研制太空望遠(yuǎn)鏡，并先后成功升天.我國(guó)研制的一臺(tái)“大天區(qū)多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡”，投資2.35億人民幣，經(jīng)7年努力，已于2012年9月28日正式啟動(dòng)巡天觀測(cè)，它被命名為郭守敬望遠(yuǎn)鏡，英文名稱為L(zhǎng)AMOST，坐落在國(guó)家天文臺(tái)觀測(cè)基地河北興隆縣的山頭上，一個(gè)貌似導(dǎo)彈發(fā)射架的白色巨塔.它是目前世界上口徑最大的大視場(chǎng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，其球面主鏡的口徑面積6.67m×6.05m，其最顯要之處是在焦面上安插了有特定位置分布的4000條光纖，連接16臺(tái)光譜儀，故可同時(shí)觀測(cè)4000個(gè)天體的光譜.有望在5年時(shí)間中獲得超過(guò)500萬(wàn)條高質(zhì)量的恒星光譜數(shù)據(jù)，為科學(xué)家研究銀河系結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)以及銀河系形成和演化提供更加豐富可靠的依據(jù)，也看看它在探測(cè)銀河系的質(zhì)量分布特別在暗物質(zhì)方面，是否可能有所貢獻(xiàn).

除光學(xué)顯微鏡作為主要的星體探測(cè)器之外，人類在其他電磁波段的太空探測(cè)方面也有所建樹(shù).近40年來(lái)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中，有5 次授予這方面的杰出貢獻(xiàn)者，其主要成就分別為：1974年，開(kāi)拓射電天文學(xué)，發(fā)展孔徑綜合技術(shù)，發(fā)現(xiàn)脈沖星；1978年，發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射；2002 年，開(kāi)拓天體物理學(xué)領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)宇宙中的X 射線源；2006年，發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性；2011 年，由觀測(cè)遙距超新星而發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹.

綜上所述，種種望遠(yuǎn)鏡包括傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡、巡天望遠(yuǎn)鏡和太空望遠(yuǎn)鏡，一概依賴于光波或電磁波作為載波，將星際天體的圖像信息、光譜信息和空間分布信息即宇宙結(jié)構(gòu)信息，傳送到人間.真是不可想象，倘若沒(méi)有光波，人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)仍將停留在怎樣的原始狀態(tài).倒也不難想象，當(dāng)下人們對(duì)所謂宇宙暗物質(zhì)的認(rèn)知，正是處于這種原始狀態(tài).據(jù)天體物理學(xué)家的理論推算，這類暗物質(zhì)占宇宙總質(zhì)量約30%，它們對(duì)外無(wú)輻射（電磁波）.因此，憑借光波作為載波的一切探測(cè)手段，面對(duì)暗物質(zhì)均告失靈.路在何方，一是試圖用一種實(shí)物探測(cè)器升空，直接捕獲暗物質(zhì)；二是從理論乃至觀念上，探索與暗物質(zhì)相聯(lián)系的也許是一種非同尋常的“輻射”，研制相應(yīng)的探測(cè)器.前者是現(xiàn)實(shí)主義的物理學(xué)，后者是浪漫主義的想象力.還有第三條途徑，是在粒子對(duì)撞機(jī)上試圖通過(guò)已知粒子的對(duì)撞，把預(yù)言中的暗物質(zhì)粒子撞出來(lái).

在試圖明了星際天體空間分布及宇宙結(jié)構(gòu)時(shí)，不能不考慮到存在一個(gè)“同時(shí)性假象”問(wèn)題.須知，望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測(cè)到的眾多遙遠(yuǎn)星體的圖像，乃是這些目標(biāo)在不同時(shí)刻所呈現(xiàn)的狀態(tài).雖然光速甚高，但光速畢竟有限.比如，某望遠(yuǎn)鏡同時(shí)獲得距離分別為102光年、104光年和108光年等3顆恒星（A、B、C）的圖像包括其光譜圖，它們呈現(xiàn)的正是A 星102年前、B 星104年前和C 星108年前的狀態(tài)，這些非同時(shí)狀態(tài)的集合被認(rèn)定為這些星體的空間分布，顯然是不恰當(dāng)?shù)?，除非這些星體狀態(tài)始終恒定不變.對(duì)于研究大尺度宇宙結(jié)構(gòu)和演化而言，上述這個(gè)“同時(shí)性假象”問(wèn)題是必須費(fèi)心破解的.

（3）光譜明秋毫.概而論之，光譜分析指稱，通過(guò)光譜儀獲取物質(zhì)的光譜圖，進(jìn)而分析出物質(zhì)的化學(xué)成分.若從1814年夫瑯禾費(fèi)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)連續(xù)譜中，含有許多條離散的暗線起算，歷經(jīng)200年，當(dāng)今光譜技術(shù)已經(jīng)成為檢測(cè)物質(zhì)成分的必要手段，乃至成為窺測(cè)原子分子結(jié)構(gòu)的首選手段.光譜儀已有多種類型，棱鏡光譜儀、光柵光譜儀和法布里－珀羅分光儀，還有一種誕生于1970’s的傅里葉變換光譜儀，它是區(qū)別于傳統(tǒng)色散型光譜儀的一種新型光譜儀.獲取的光譜圖也有多種類型，發(fā)射光譜、吸收光譜和拉曼散射光譜.1928年，印度人C.V.拉曼，首先在四氯化碳、苯、甲苯、水和其他多種氣體、蒸氣、液體和冰中，發(fā)現(xiàn)散射光的頻率有所變化，在入射光譜線兩側(cè)還出現(xiàn)了一對(duì)伴線，稱其為拉曼頻移效應(yīng)；從拉曼頻移值中，可以獲得有關(guān)分子能級(jí)結(jié)構(gòu)的知識(shí)，同時(shí)從測(cè)量技術(shù)上評(píng)價(jià)，它把與分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)相聯(lián)系的紅外光譜的直接測(cè)量，巧妙地轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光波段的間接測(cè)量；1930年拉曼獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).1971年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，授予著名光譜學(xué)家德國(guó)人G.赫茲堡，他最精彩的一批研究成果，均為分子光譜學(xué)在天文學(xué)中的應(yīng)用，比如識(shí)別了星際空間里的CH＋離子，在彗星光譜中確認(rèn)了水離子H2O＋；他在光譜學(xué)方面出色且豐富的研究成果，系統(tǒng)地總結(jié)為一套專著（三卷本），《雙原子分子光譜》《多原子分子的紅外光譜和拉曼光譜》和《多原子分子的電子光譜》.這里不禁要問(wèn)，光這個(gè)精靈，憑借什么能鉆入原子分子的“肚皮”，而將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息攜帶出來(lái).我們知道，決定原子分子物化性質(zhì)的主角是電子，或者說(shuō)是電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而光是一種電磁波，它可以與電子發(fā)生直接的相互作用；換言之，光與物質(zhì)的相互作用，歸根結(jié)底是電磁波與電子的相互作用，正是憑借這種相互作用，光將微觀世界的信息帶到人間.

光或電磁波攜帶物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息的另外一種方式是衍射.光通過(guò)一維光柵（晶絲）或二維光柵（晶片）或三維光柵（晶體），將呈現(xiàn)一幅夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣，其衍射斑的分布與光柵結(jié)構(gòu)的幾何特征量直接相關(guān)，而且，衍射單元越微小，其衍射斑就越分散，因而越便于測(cè)量，這里存在一個(gè)衍射反比律，及其蘊(yùn)含的衍射放大原理，這是衍射應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)測(cè)量的理論基礎(chǔ)；當(dāng)然，為了獲得一張有效的衍射圖，應(yīng)當(dāng)選擇光波長(zhǎng)或電磁波長(zhǎng)λ 要小于光柵常數(shù)d，即λ＜d，否則，當(dāng)λ＞d，則衍射波將成為隱失波，僅存在于光柵附近的局域，它不能作為載波，將物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息傳送到遠(yuǎn)場(chǎng)，供人們觀測(cè).作為三維周期結(jié)構(gòu)的晶體，其晶格常數(shù)d 約在0.1～1nm，而X 射線作為一種短波長(zhǎng)的電磁波，其居中波長(zhǎng)λ 在0.1nm，可見(jiàn)兩者（d，λ）搭配，用一束X 射線投射晶體可以獲得一幅晶體衍射圖，世稱勞厄斑（勞厄相）和德拜環(huán)（德拜相），通過(guò)對(duì)晶體衍射圖樣特征的測(cè)量，可以反演而求出晶格周期、晶軸方向，乃至重構(gòu)晶體點(diǎn)陣和空間結(jié)構(gòu).20世紀(jì)初的30年間，研究X 射線晶體衍射成為國(guó)際物理學(xué)界的一個(gè)大熱門，先后產(chǎn)生了4 位諾貝爾獎(jiǎng)得主，德國(guó) M.勞厄（1914 年），英國(guó)W.L.布拉格和W.H.布拉格（1915年），荷蘭P.J.D 德拜（1936年），他們?cè)谶@一領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng)性工作，催生了X 射線衍射學(xué)、X 射線形貌學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的建立.衍射手段一直是人類認(rèn)知微結(jié)構(gòu)的主要途徑.60 年前，憑借X 射線衍射圖，確認(rèn)了DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)，開(kāi)創(chuàng)了分子生物學(xué)新時(shí)代；30年前，憑借電子衍射圖，發(fā)現(xiàn)了一類準(zhǔn)晶體，開(kāi)拓了凝聚態(tài)物理學(xué)和材料科學(xué)研究的一片新天地.

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，從顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、光譜圖和衍射圖所彰顯的光與信息的關(guān)系中，我們充分認(rèn)可光，這個(gè)精靈，像孫悟空神通廣大本領(lǐng)高超，迄今為止唯有光，可在宇觀世界、宏觀世界和微觀世界中，自由穿越左右逢源，給人類帶來(lái)無(wú)限豐富的信息.正如著名光學(xué)專家、1907年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主A.A.邁克耳孫所言，“光是人類探測(cè)無(wú)限大和無(wú)限小最得力的工具.”

與精靈共舞，與天使對(duì)話，人類在未來(lái)必將發(fā)現(xiàn)光的更多奇異性，必將開(kāi)拓出光的更多神奇應(yīng)用，像如今電子計(jì)算機(jī)、激光、互聯(lián)網(wǎng)和LED 等這般風(fēng)光那樣，足以深刻影響人類生活，乃至社會(huì)進(jìn)步.

［1］瓦維洛夫.眼睛和太陽(yáng)［M］.湯定元，譯.北京：科學(xué)出版社，1956.

［2］鐘錫華，現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)［M］.2版.北京：北京大學(xué)出版社，2012.