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2015:国际光年的里程碑 精选

已有 20037 次阅读 2015-1-2 09:41 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

2015年被联合国命名为国际“光之年”(International Year of Light),以宣传和普及人类历史上那些与“光”有关的重大科技成就。之所以选择2015年作为节点,主要是因为至少七个里程碑事件恰逢50周年及其倍数,值得隆重纪念。

1015年,伊拉克物理学家海什木(Ibn Al-Haytham,西方人也称他为Alhazen)发表了光学的开山之作,系统地描述了当时人们对“光”和“像”的认识。尽管凭借当时的科技手段,海什木等科学家无法洞悉光的本质,但通过对光影现象及其规律的观察和归纳,他们依然理解了光与像的诸多基本性质。

800年之后的1815年,法国物理学家菲涅耳(Augustin Frenel)创建了波动光学理论,揭示出光的波动属性。作为一名工程师,菲涅耳在制造光学仪器方面也颇有心得,著名的“菲涅耳透镜”就出自他的手笔。1827年,年仅39岁的菲涅耳因结核病死于巴黎。令人遗憾的是,他对光学所做的杰出贡献在他的有生之年并没有得到广泛认可,直到去世很多年后,他的一些重要论文才得以陆续发表,对现代光学的发展产生了深刻的影响。最终菲涅耳的名字得以和其他71位法国著名人物的名字一道被刻在雄伟的埃菲尔铁塔上,流芳百世。

1865年,英国物理学家麦克斯韦(James Clerk Maxwell)提出了光的电磁波理论,将人类对光的认识提升到了一个崭新的高度。从小就聪明过人的麦克斯韦,16岁进入爱丁堡大学学习数学和物理学,19岁获得学士学位之后进入剑桥大学三一学院继续深造,四年以后毕业并留校任职。1856年,25岁的麦克斯韦离开工作了两年的剑桥大学,成为苏格兰马里沙耳学院的教授。在这里他结识了院长大人的千金凯瑟琳,并很快坠入爱河。凯瑟琳比麦克斯韦年长七岁,两人于1858年成婚,那时凯瑟琳已经34岁了,被戏称作维多利亚时代的老处女。从照片上看,凯瑟琳颇具大家闺秀的贤淑气质,但外界对她却所知甚少,而且两个人的婚姻似乎也没有留下子嗣。1860年,麦克斯韦携妻子来到伦敦,成为国王学院的讲席教授。他在这一时期深入研究了电学和磁学的诸多基本问题,陆续发表了被后世称作麦克斯韦方程组的电磁统一理论的雏形。1865年,在题为“电磁场的动力学理论”一文中,麦克斯韦完善了他的方程组并指出,“光和磁力是同一种物质的不同状态,而且光是一种遵从电磁学定律在电磁场空间传播的扰动。”这一伟大的预言于1888年被德国物理学家赫兹(Heinrich Hertz)的实验所证实,但可惜的是麦克斯韦早在九年前就因病去世,享年只有48岁。

麦克斯韦辞世的1879年,恰好爱因斯坦降生,现代物理学的精彩篇章因而得以续写下去。爱因斯坦的故事可谓家喻户晓,他于1905年提出了光量子的概念,成功地解释了光电效应实验,也推动了量子论的发展。至此物理学家们接受了光同时具有波动性和粒子性的本质。同一年爱因斯坦创立了狭义相对论,更是把光速作为宇宙的终极速度引入物理学,该速度不因参考系的选取而改变。十年之后的1915年,爱因斯坦又发表了震惊世界的广义相对论,指出光线在宇宙空间受到引力场的作用是可以发生弯曲的。后者也得到了实验的证实。

然而人类对于光的认识并没有终结。基于宇宙学大爆炸理论,原初的光子会在宇宙年龄约38万年时退耦,形成弥漫于宇宙全空间的微波背景辐射。1965年,美国射电天文学家阿尔诺·艾伦·彭齐亚斯(Arno Allan Penzias)和罗伯特·伍德罗·威尔逊(Robert Woodrow Wilson在《天体物理学杂志》上发表了一篇总字数不足940个单词的短文,宣布测量到了宇宙的背景光子。两人为此分享了1978年的诺贝尔物理学奖。

发生在1965年的另一个重要科学事件,是高锟在光导纤维通讯领域取得了革命性的突破。这位具有英美双重国籍的华裔物理学家当时正在国际电话电报公司设在英国的子公司工作,他基于无数次的实验尝试提出了以石英基玻璃纤维作长程信息传递的载体,使光纤通讯得以实现。如今全球已有超过10亿公里的光缆以闪电般的速度通过互联网传递各种信息,大大加快了人类的生活节奏。

光和人类的不解之缘,仍然在继续。

 

本文已正式发表在《科学世界》2015年1月号。



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