孫正凡

（作者為科學(xué)松鼠會(huì)成員）

2015年是聯(lián)合國(guó)大會(huì)確定的“光和光基技術(shù)國(guó)際年”，簡(jiǎn)稱“國(guó)際光學(xué)年”。一方面，2015年恰好是1000年以來(lái)人類在光領(lǐng)域多項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)的紀(jì)念周年；另一方面，聯(lián)合國(guó)也希望借此強(qiáng)調(diào)光學(xué)技術(shù)在推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展、解決能源、教育、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域問(wèn)題的重要性。

1015年，阿拉伯學(xué)者伊本·海賽姆寫(xiě)成《光學(xué)之書(shū)》，他描述放大鏡和眼睛晶狀體的工作原理，推論出了光線的反射和折射定律。1905年，愛(ài)因斯坦用“波粒二相性”解釋了光電效應(yīng)，指出光既是一種波，也具有粒子性質(zhì)，建立了光量子理論。同一年，愛(ài)因斯坦在狹義相對(duì)論中還指出，對(duì)任何觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，光速總是不變的，一切速度都不可能超過(guò)光速。1915年，愛(ài)因斯坦又發(fā)表了廣義相對(duì)論，預(yù)言光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)引力場(chǎng)會(huì)發(fā)生彎曲，這一預(yù)言很快得到了證實(shí)。

光電效應(yīng)是太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)。當(dāng)光線照射在金屬或半導(dǎo)體上時(shí)，光子會(huì)使電子逃脫，從而可以用于發(fā)電。光的波長(zhǎng)越短，頻率越高，電子所具有的能量就越高。20世紀(jì)50年代，隨著半導(dǎo)體研究深入，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)在晶體硅中摻入一定量的雜質(zhì)后對(duì)光更加敏感，太陽(yáng)電池技術(shù)的時(shí)代終于到來(lái)。70年代能源危機(jī)之后，太陽(yáng)能這種可再生環(huán)保能源成為各國(guó)政府青睞的對(duì)象。目前，全球最大的屋頂太陽(yáng)能電池系統(tǒng)位于德國(guó)南部伯茨達(dá)特，面積達(dá)4萬(wàn)平方米。中國(guó)也是太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先的國(guó)家，擁有超過(guò)400家光伏企業(yè)，長(zhǎng)三角等地區(qū)已經(jīng)有居民在家中安裝光伏系統(tǒng)，自行發(fā)電并將多余電力賣給國(guó)家電網(wǎng)。

愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論除了在純科學(xué)方面促進(jìn)了粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)研究之外，在日常生活中也有著重要的應(yīng)用。例如，汽車和手機(jī)上使用的全球定位系統(tǒng)（GPS）。GPS定位儀是通過(guò)接受衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電時(shí)序信號(hào)（也可以看作光譜的一部分）工作的。根據(jù)狹義相對(duì)論，高速移動(dòng)物體的時(shí)間流逝得比地面要慢。衛(wèi)星時(shí)速為1.4萬(wàn)千米，每天要比地球上的時(shí)鐘慢7微秒。而廣義相對(duì)論認(rèn)為引力對(duì)時(shí)間施加的影響更大，衛(wèi)星位于距離地面大約2萬(wàn)千米的太空中，受地球引力較小，每天比地球要快45微秒。兩者綜合的結(jié)果是，衛(wèi)星上的時(shí)鐘每天大約比地面快38微秒。由于時(shí)間和空間是一個(gè)相互聯(lián)系的整體，信號(hào)從發(fā)射到接受，必須要用相對(duì)論效應(yīng)修正才能得到準(zhǔn)確的定位結(jié)果。如果不加以校正的話，GPS系統(tǒng)每天將累積大約10千米的定位誤差。

激光是又一項(xiàng)對(duì)現(xiàn)代科學(xué)和生活產(chǎn)生重要影響的光學(xué)技術(shù)，超市條形碼掃描儀、眼科手術(shù)等都與此有關(guān)。在臨床外科手術(shù)中，激光可以聚焦成為極小的光點(diǎn)，成為“光刀”，可以進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)，祛除病魔。激光還是量子糾纏研究的重要載體。量子糾纏是1935年愛(ài)因斯坦提出的一種效應(yīng)，兩個(gè)耦合的粒子之間即使分開(kāi)很長(zhǎng)距離仍然具有相關(guān)性，利用這種效應(yīng)可以在兩地之間進(jìn)行瞬間保密通信。2006年《自然》雜志創(chuàng)辦了子刊《光子學(xué)》，專門報(bào)道激光技術(shù)及其在量子通信、生物醫(yī)療等方面的進(jìn)展。在這方面中國(guó)科學(xué)家也取得了杰出的成就，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建成了國(guó)際上首個(gè)規(guī)?；牧孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，實(shí)用的量子通信技術(shù)呼之欲出；量子技術(shù)的另一應(yīng)用是未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)，它比經(jīng)典的計(jì)算技術(shù)要快萬(wàn)億倍以上，屆時(shí)再難的計(jì)算任務(wù)也會(huì)變得輕而易舉，信息社會(huì)的形態(tài)又將呈現(xiàn)全新的面貌。