今天我们来聊聊关于光这件事。


让我们先回到公元1015年,这个历史上重要的年份。那一年,伊本·海赛姆发表了划时代的光学著作——《光学之书》


这位伟大的穆斯林科学家在那个“上古”年代便率先提出许多关于光的认知,比如:


人能看到东西,是由于物体上的光线反射并进入眼睛。


要知道,当时的普遍理解是,光线从人的眼睛中发出,碰到物体了,于是就看到了。


伊本·海赛姆是彻底推翻希腊光学理论的第一人。他不仅解释了关于视觉的客观事实,还建立了可靠的视觉理论,从而结束围绕着视觉产生的争论。


他融合了数学、生理学与医学知识,创立了全新的光学理论,制定出被科学认同的目标和标准。


人类的“光之时代”,就此展开。


伊本·海赛姆


一千年后,也就是2015年,为了纪念这位宗师级人物,以及千年来光对于人类文明的巨大推动,联合国将该年定为“光和光基技术国际年”。


不仅如此,联合国还将每年的5月16日定为“国际光日”——1960年的这一天,人类第一次成功产生激光。





对生命、对人类而言,光实在太重要了。


5亿年前,为了追寻光,生物逐渐进化出了眼睛:


从最初只有趋光性的感光细胞,到能够辨别方向、辨别物体形状的眼腔,再到复杂的现代眼睛,以及一整套视觉神经和中枢神经。


有了眼睛,生物能够更好地生存,探索更广阔的世界。于是光照之处,生生不息。


▲从感光细胞到眼腔


100万年前,人类学会使用火。第一次,人类把光握在了手中。这也预示着,人类这个物种必将登上生物之巅。


2500年前,鲁国人墨子完成了世界上第一个小孔成像的实验,并研究了光与影的关系、物体本影与副影的问题等等,比伊本·海赛姆早了一千多年。


可见,对光的系统性观察和思考,中国并不比西方晚。


然而,光学没有在中国诞生。


一种可能是:虽然古代中国有发达的造纸、陶瓷等工艺,却唯独缺少了玻璃这一最重要的光学材料。


17世纪,威尼斯和德国是全球玻璃工艺的中心,欧洲人对于光的认知和应用有了突飞猛进的发展。


彼时,几何光学诞生,人类能够计算光的折射和反射,牛顿完成了著名的三菱镜色散实验。


于是,显微镜、望远镜、照相机应运而生,人类终于能看得更远、看得更细微。


▲相机的雏形:16世纪的暗箱,最早被画家用于作画


19世纪,人类对光的理解再上一层台阶:光的波动性被证明。


随后,麦克斯韦在《电磁学通论》中系统总结了过往几代探索,优化了方程,建立起完整的电磁学理论。


他还提出,空间中存在电磁波,而光是电磁波的一种形式。


得益于电磁学的完善,有了无线电,遍布全球的人类个体开始被看不见的光联结在一起。


得益于电磁学的完善,有了电,第二次工业革命爆发。


▲尼古拉·特斯拉

发明了交流电及无线电,也被爱迪生打压了半生


但到了20世纪初,光的波动说在解释“光电效应”时遇到了bug,它无法解释这一问题。


爱因斯坦在前人的基础上,提出了光子假说,帮助人类完善了对光的理解:


原来,光有“双重性格”,它不仅是波,也具有粒子性。


光的波粒二象性让科学家不禁思考,是不是所有微观粒子,比如电子、中子,都具有波粒二象性?


著名的电子双缝干涉实验发现:人类不观察电子穿缝过程时,电子成波状;一旦人类用仪器观察,电子就“老老实实”地变成粒子状投射。


借由光的波粒二象性引出了“波函数坍缩”,即上文描述的实验现象,人类开始迈入感官完全无法理解的量子世界,一系列令全球科学家“毁三观”的事实和推测出现了。


量子力学开始让人类意识到,世界是不确定的。


一方面,科学家们还在努力攀爬物理学最后的高峰,试图获得峰顶那把“万能理论钥匙”。


正如霍金所说:在谨慎乐观的基础上,我仍然相信,我们可能已经接近于探索自然的终极定律的终点。


另一方面,无论科学家们最终成功与否,至少在常人所及的商业世界,量子力学的发展让半导体理论的框架构建有法可依。


▲利昂·M·莱德曼,美国物理学家及诺奖得主

上个世纪90年代他曾表示,美国1/3的GDP由量子力学贡献


回望过去千年、尤其是最近三百年对光的研究,我们可以这么说:人类对光的认知每加深一分,文明就前进一大步:


对光的波动性认知,催生了麦克斯韦的《电磁学通论》。


它推动了第二次工业革命,并与牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》一道,共同构成整个人类现代文明的基石。


对光的粒子性认知,催生了爱因斯坦的光子假说。


它打开了人类探索微观世界的大门,推动量子力学发展。量子力学不仅是现代物理学的两大支柱之一,也是第三次科技革命的基石。


在此过程中,全球通信、传媒、医学、航空航天等产业相应诞生,普惠众生。





那么,光究竟是如何产生的呢?我们可以这样理解:


电子围绕原子核做高速运动,占据着特定的轨道。即使离开起始轨道,也只能朝更高或更低的特定轨道移动。


这就好比人走楼梯,每次只能向上或向下跨越一级或两级台阶,但不能走一级半台阶。


当有能量注入原子中,比如与其它原子发生碰撞,吸收了能量的电子就会发生跃迁,跳上多级台阶,到达更高的轨道。


当电子回落到它的起始轨道时,就会以光波包的形式把额外的能量释放出来——这份光波包就是光子。


因此,光是电磁波、是粒子,本质上也是能量。光的能量大小只与频率有关——频率越高、波长越短的光,能量越高。


按照频率或波长,我们可以把光分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线七种类型。可见光只是光谱中很小的一部分。



▲全光谱





光孕育了生命。然而如果对光“照单全收”的话,生命很有可能不会诞生。


宇宙中有强烈的伽马射线、X射线和短波紫外线,这些光的波长与原子核、原子和分子尺寸相当,会摧毁细胞核和细胞。


尤其是能量极高的伽马射线,堪称最危险的“太空武器”:打破DNA、杀死生命。所以也在医学中用于肿瘤治疗。


得益于大气层的保护,我们接触到的日光中,约52%为可见光,42%为红外线,6%为中长波紫外线。


但即使是生活中常见的自然光、人造光源,如果不加以控制,也会有很多副作用。


就拿眼睛来说。眼球中的晶状体相当于凸透镜,光线射入后,在眼球底部的视网膜形成图像。这就是眼睛成像的基本原理。


如果光强过强,就会灼伤视网膜。比如夜间被远光灯照射眼睛,或是在没有防护的情况下,在大量反射阳光的雪地停留过久。轻则不适,重则视力削弱,甚至失明。


此外,夜间各类电子屏幕发出的短波高频蓝光,会让身体误以为白天已经开始。所以许多人的失眠问题,也许是光害的。





今天,所有国家都在努力减少碳排放。其中来自建筑的碳排放是亟待解决的大问题。


据建筑网站ArchDaily数据,建筑物所排放的温室气体占全球与能源相关排放量的33%,这使它成为全球最大的单一排放单位。


尽管人类正在努力降低每平方米建筑环境的能源强度(每年下降1.5%) ,但全球建筑面积的增长率(每年增长2.3%) 超过了这一速度。


看细项的话,建筑碳排放除了来自施工时的钢筋水泥,还来自后续的制冷、取暖及照明——这部分的能耗,与对太阳光的有效利用息息相关。


因为,一方面,现代建筑大量采用玻璃作为外立面,以改善采光、提升设计感:据统计,仅在中国就有超过30亿平米的玻璃幕墙,每年新建幕墙约为9000万平方米。


另一方面,日光中携带热量的主要是红外线,其无法被普通玻璃遮蔽。而如果采用窗帘等物体进行阻挡,热量是下降了,但同时也大大降低了自然采光,于是需要增加室内照明进行补偿——能耗还是上去了。


如果存在“聪明”的玻璃或光学材料,智能调节对阳光中“光”和“热”的获取与利用,就能够大量节约建筑内用于照明和制冷的能耗。


在欧美,这样的材料已开始普及,并应用于商业和公共建筑、汽车和飞机舷窗。



在众多的智能光学材料中,电致变色其中是最有潜力实现大规模商业化和应用的技术。


这种技术能让材料在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化,从而调节材料对光的反射率、透过率、吸收率等。


在它的帮助下,玻璃内外的光线与热量将变得可控。





如果说20世纪是电的时代,21世纪就是光的纪元。


中国正在努力攻克的35项卡脖子技术中,约1/5与光技术有关,包括光刻机、激光雷达、手机射频器件等。


在未来,随着摩尔定律趋近极限,全球智能物联网对计算和传输的极大要求,硅光芯片、光量子计算将成为第二次信息技术变革的关键。


由于全球对清洁能源的需求,激光核聚变也有望成为补充太阳能的、最高效能源之一。


更不用说深空通信和太空技术,人类依靠光探寻外星生命,开拓星系文明。


站在今天,当我们回望20多亿年前地球上第一次出现光合作用,5亿多年前生物第一次进化出感光细胞,会感叹,如果世上存在光之神,我们再怎么赞美他、感谢他都不为过。


以光为刃,人类展开全新的宏观和微观世界;以光为媒,我们连接70亿同胞、机器与遥远的太空。


欢迎来到光的时代。


参考资料及延伸阅读:

《超越视觉》,金伯莉·阿坎德,梅甘·瓦茨克著

《现代玻璃材料科学之父:奥托·肖特》,吴限著

《迷人的材料》,马克·米奥多尼克著

《上帝掷骰子吗》,曹天元著

《全球科技通史》,吴军著


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来源:云时资本
图片来源:际光日官网Wikipedia及光羿科技。

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