博顿导读

有人说，20世纪是电的世纪，21世纪是光的世纪。光是人类对世界的第一感知，今天博顿君来谈谈光与技术。

人类生命诞生伊始，睁开双眼，对周遭世界的第一感知便是那一抹光亮；而人们的工作生活也离不开光，还有光学。可见光是光学学科形成并发展的基础，这一感知看似平常，但实际上人类对光的认知历史却是漫长而曲折的。

光不仅给人们带来了生存所需的物质和能源，同时也是诸多信息的载体。地球上可以让人类采集使用的能源，大多都来自于太阳光。煤、石油和天然气等化石能源，这些都是经过数千万年的有机物沉积而成；如果没有太阳光，那么有机物就无法生成，又何谈提供能量。同样，有了阳光的温度，地球也不再冰冷，水也流动循环起来，有云有雨，有江河湖海，便有了充沛的水能，提供着万物生命的源泉。

古代文明对光的认知：中国与科学的失之交臂，两河流域的科学体系建立

中国作为世界上历史最为悠久的文明古国之一，我们的历史文化遗产已充分展现出历史上中国学者们的智慧与所积累的知识。但遗憾的是，我们缺乏较为系统的科学理论体系。对光来说，亦是如此。

早在春秋末期战国初期（大约公元前 476 年-公元前 390 年），墨子及其弟子所著的《墨经》中，就记载了其发现了小孔成像，并指出了光线沿直线行进的性质。文中具体所述如下：“光之人，煦若射。下者之人也高，高者之入也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在远近有端与于光故景库内也。”

这段话理解起来就是：“光线照到人，人体反射回的光就像射出的箭一样直线前进。这样，人的下半身会在屏幕高处成像，而上半身则在屏幕下方成像。人的影像便是倒转的，这因为来自脚的光线，下面有一部分被遮蔽了；而来自头的光线，上面有一部分被遮蔽的缘故。如果恰好光前进的路上或远或近存在小孔，可以让光线透过，那么暗匣中就会呈现出明亮的倒转影像。”

作为中国古代思想家、教育家、科学家、军事家，墨子被后世尊称为“科圣”，也正是因为他是中国历史上第一位在光线直射、光影关系、小孔成像、点线面体圆概念，乃至力的作用和杠杆原理等众多领域的探索发现。而且对光的这一发现，远超当时的其他人类文明，称其为“人类第一次明确指出光沿直线传播”也并不为过。

文中《墨经》部分（来源：网络）

但可惜的是，这些超前的发现并没有成为古代对光学研究的开端，反而很快就被历史的尘埃所掩埋。而随着历史车轮的滚滚前行，古代学者对小孔成像等光学问题，也如车轮般循环往复，没有深入地发展研究。诸如唐代的《酉阳杂俎》，北宋的《梦溪笔谈》都有过重复记载和描述，南宋诗人陆游也在《老学庵笔记》中写下亲身经历。陆游透过天窗和走廊里的窗户，观察到了颠倒的塔影，但最终也是“未易以理推也”。

对光学现象发现的反复，以及对原理深入探究的迟滞不前，一直到清末以至民初才得到了中国学者的再次重视，重新打开局面。在当时，顺应着“诸子百家的子学复兴”浪潮，墨学才再一次步入知识界的视野。来自英国的近代生物化学家、科学技术史专家李约瑟，也是《中国科学技术史》的作者就曾感叹：“墨家的科学水平，超过了整个古希腊！”

要知道，古希腊可谓是世界上光研究和探索的圣地。希腊哲学家安比杜克勒斯应该是第一个给出光现象定义“看见东西是因为人的眼睛发出光线碰到了物体”的人。而随后欧几里得用几何学和数学，第一次用直线和三角解释了光与视觉的问题。在给出如此感慨之后，他也提出了著名的“李约瑟难题”——“尽管中国古代对人类科技发展做出了很多重要贡献，但为什么科学和工业革命没有在近代的中国发生？”这个问题暂且不谈，我们回到人类历史上与光有关的“大事件”。

1015 年，也是和北宋时期沈括撰写《梦溪笔谈》比较相近的时期，物理学家伊本-海什木（Ibn Al-Haytham）发表了光学的开山之作，系统且详尽地描述出当时人们对“光”与“像”的认识。海什木这个名字，或许绝大多数人都没听过，但他于那些我们熟悉的大科学家——开普勒、伽利略、培根和牛顿等人而言，可谓遐迩闻名。

伊本-海什木（来源：Wikipedia）

伊本-海什木在公元 965 年出生于两河流域的美索不达米亚平原，也就是现在的伊拉克。他为光学做出了极大贡献，尤其在几何光学领域。他早期学习工程学，又阅读希腊科学（据说以欧几里得笔记为主）的书籍，并学习了关于安达卢西亚学说的精华，并进一步发展了该学说。

据传当年他曾声称可以在埃及的尼罗河上建立大坝，控制河水泛滥并解决干旱问题。在被埃及哈里发邀请前往实地之后，他发现自己的设想并不能实现，而为了避免杀身之祸，便开始装疯卖傻，一直被软禁至 1021 年哈里发去世。而正是在海什木软禁期间，他完成了大量重要的论文。

海什木在 1015 年首次采用了“科学方法”，并光的视知觉及心理学等领域取得的开创性成果，因而被视为“第一位科学家”。他创建的“科学方法的四段论”在整整千年过去之后，至今未有改变。海什木既是“光学之父”，也是“科学方法论之父”，他的这两个思想集合成了一套共 7 卷的书籍——《光学》（Book of Optics）。这套著作显著地改善了光学领域的发展，其以实验证明光线进入人眼，因而产生了影像；也发明了暗箱，来说明光线的物理性质。

虽然受到当时社会物质条件等因素的制约，海什木等学者都没有更好地科技手段来进一步洞悉光的本质；但他们依然依靠对光影现象的观察，归纳其中的规律，理解了许多光与像的基本性质。《光学》这套书籍也成为了世界上最古老的高等院校之一，埃及伊斯兰教学府爱资哈尔大学（Azhar，al-Jami‘al，建校于公元 972 年）的基础教材，同样已传承使用了千年，未有改变。

近代：第一次工业革命后的科学爆发

如今，人们总习惯用第几次“工业革命”或者“科技革命”来形容诸如互联网、人工智能等一个时期的新技术将给人类社会发展带来怎样大的改变。而归咎其原因，或许是因为人类历史上的第一次工业革命带来的影响实在极为深刻。

第一次工业革命在 18 世纪中后期从英国发起，这场革命以工作机的诞生吹响了伊始的号角，而以蒸汽机作为动力源头的广泛使用作为标志，开创了以机器代替手工劳动的时代。技术的革命，随之带来了一场对社会关系的革命，工业资产阶级和工业无产阶级逐步取代了生产效率底下的自耕农阶级。与此同时，世界各地之间的联系也被第一次工业革命所加强，改变了世界面貌，也是最终确立资产阶级对世界统治地位的开端。而率先完成了工业革命的英国，很快就成为了世界霸主。

第一次工业革命的理论基础，正是源于 1687 年牛顿所著的《自然哲学的数学原理》，这本书是牛顿的科学才华处于巅峰时期所写的旷世巨著，是“个人智慧的伟大结晶”。牛顿在书中用数学方法证明了万有引力定律和三大运动定律，建立起经典力学体系，也奠定了用数学语言来描述宇宙运动的基础。

牛顿（来源：Wikipedia）

更为重要的是，牛顿的发现结束了人们被动看待世界的状态，宣告了科学时代的来临，他告诉人们一个事实：自然界存在规律，并且是能够被人类所认知的。牛顿为工业革命带来了一把科技的钥匙，同时也开启了自然科学发展的新时代。

于光学领域来说，牛顿也有着代表性意义。从 17 世纪中期开始，科学家着手对光学现象进行系统研究，开始了关于“光的本性”的分析，就出现了“微粒说”与“波动说”的争论。其中，主张“波动说”的科学家以惠更斯为代表，还有笛卡尔和胡克等科学家；而牛顿则是主张“微粒说”的代表。也正是在双方努力地不断论战之下，“光的本质”才逐渐被人们所知，并最终认识到了光具有波粒二象性。

揭开“光本质”面纱的过程实际颇有波折，最先研究这个问题的人是法国哲学家、物理学家、数学家笛卡儿，他的观点实则兼具微粒说和波动说两种特征。但随着“微粒说”代表牛顿的出场，从 17 世纪末开始，光的微粒说在英法等国得到广泛认可。因为牛顿在 17 世纪 70 年代到 80 年代间多次向皇家学会提交光学领域的论文，并继承了笛卡尔的微粒观点，系统地提出了光的微粒说。

但在 1672 年，牛顿在《哲学会报》上发表关于光的微粒说观点的论文之后，胡克、卢卡斯、利尼斯等人就相继表示反对光的微粒说，胡克提出：光以球面波的形式快速且小振幅地振动，向四面八方传播的。1675 年之后，惠更斯、莱布尼兹、伯努利兄弟等也加入了争论。作为“波动说”的代表，惠更斯首先发现了双折射和光的偏振现象，并提出了光的波动说和惠更斯原理。他在 1678 年写了《论光》（Traité de la lumière），宣布了他用两年时间发展出的“光的波动理论（严格来说应该是光的脉冲理论）”。

不过，由于早期的波动说缺乏数学基础并不完善，因此以符合力学规律的粒子行为来描述光学现象，在当时被认为是唯一合理的科学理论。直到 19 世纪，托马斯·杨和菲涅尔等科学家的研究工作才让光的波动说得到复兴。1801 年，托马斯·杨在皇家学会宣布了《关于薄片颜色》的论文，重新肯定了波动说。而后，菲涅尔在 1818 年为法国科学院写了一篇悬赏征文，用波动说的观点很好地解释了光的干涉，这让波动说在法国开始兴起，也改变了托马斯·杨在英国被科学界舆论压制近二十年的窘境。

菲涅尔的光波动理论（来源：Menna/Shutterstock）

而后托马斯·杨在研究数年后提出了光是横波的观点，纠正了自惠更斯以来光是纵波的传统见解，进一步发展了波动说并建立了波动光学的基本理论。菲涅尔则是把托马斯·杨的干涉原理和惠更斯的原理二者相结合，以数学理论来阐述波动理论，奠定了波动传播的一般理论基础，从而建立了经典波动光学。这也是光学史上的又一大事件。

此外，菲涅尔作为一名工程师，他在光学仪器的制造领域也颇有心得，著名的“菲涅尔透镜”就出自他手。遗憾的是，菲涅尔在 1827 年便因结核病死于巴黎，年仅 39 岁。因此，他对光学所做的卓越贡献并没有在其有生之年得到广泛认可，直到菲涅尔去世多年以后，他的一些重要论文才相继发表，并给现代光学的发展带来了深刻影响。

总而言之，托马斯·杨和菲涅尔两人的研究成果，标志着光学进入了一个崭新的时期：“弹性以太光学时期”。而波动学说的成功，也被爱因斯坦称为“在牛顿物理学中打开了第一道缺口”。而菲涅尔因其在光学研究上的成就，也被人们誉为“物理光学的缔造者”。

光与电的交互：现代物理学的“众神时期”

虽然说第一次工业革命是以牛顿的经典力学体系为理论基础，但实际上许多革命性的技术发明都源于普通工人和技师们的实践经验，可以说科学与技术的革新并没有真正意义上的结合。而在第二次工业革命期间，自然科学的新发展，逐步与工业生产的联系变得紧密起来，科学在推动生产力发展方面发挥了更为重要的作用，因而第二次工业革命的发明者多是科学家和工程师。

对第二次工业革命，人们普遍认为是由电带来的，也称其为“电气时代”，为此打下科学基础的则是英国物理学家、化学家迈克尔·法拉第。从小家境贫寒的法拉第只读了两年小学便因为父亲的病倒而辍学，1803 年 12 岁的他为了生计成为了一名报童。做了一年报童之后，法拉第去了一家书店做学徒，学习装订手艺。在书店的工作之余，他主动阅读了店里的众多书籍，其中既有《哈姆雷特》《李尔王》等莎士比亚经典文学，也包括了《大英百科全书》《化学漫谈》等科学名著。这段经历使得法拉第被科学所深深吸引，也激发了他对实验的热情。

功夫不负有心人，法拉第几经波折，终于在 1813 年 3 月，22 岁的他进入到皇家学院，成为一名助理实验员，正式开始了他的科学研究生涯。虽然他的科学生涯和成长经历一般，并不是一帆风顺，但是金子总归会发光。1831 年，经过多次不同的实验设计，法拉第证实了当磁作用力的变化时能产生电流，进而提出了电磁感应定律。同年 10 月，基于自己的理论研究，他发明了圆盘发电机。这是人类第一次发明发电机。

法拉第（来源：wiki）

随后的法拉第步入了自己科学研究成果的爆发期，从 1834 年到 1845 年，他总结出法拉第电解定律，又引入了电场与磁场的概念，从而打破了牛顿力学“超距作用”的传统观念；而后，他在 1828 年提出电力线的新概念，来解释电、磁现象，成为物理学理论的又一次重大突破；1843 年，他用著名的“冰桶实验”证明了电荷守恒定律。在不知道经历了多少次失败之后，法拉第终于在 1845 年用实验证明了光和磁的相互作用，发现了“磁光效应”，为电、磁和光的统一理论奠定了基础。七年之后，他又引入磁力线概念，为建立经典电磁学理论奠定了基础。

看到这里，或许有人会感到疑惑，为什么讲光学的历史会牵涉电的发展？这是因为光与电二者之间有着密切联系，而这正和法拉第，以及他人的后续研究相关。

从上面对法拉第的介绍可以看出，他已经取得了举世瞩目的成绩。但是，或许是因为法拉第小时候并没有接受过正统的学术教育，他的数学能力相比于实验能力就显得弱了许多。法拉第一直苦于自己无法给出关于电磁理论的精确数学表述，甚至觉得自己此生无望时，另一名伟大的科学家出现并握住了他的接力棒，这个人就是麦克斯韦。

1865 年，英国物理学家麦克斯韦提出了光的电磁波理论，用完美的数学公式，即麦克斯韦方程组，证明了法拉第的电磁理论猜想。同时，他还指出“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。”麦克斯韦还计算了电磁波的传播速度，与当时光学测量的结果几近相同。他的发现让所有先前已知的光学定律都可以通过麦克斯韦方程组导出，甚至许多先前并未发现的事实和关系也可以用该方程导出，这让人类对光本性的认识又向前迈出很大一步。

麦克斯韦在生前与菲涅尔一样，并没有享受到其对科学做出贡献的应有荣誉。他对电磁波的预言在 1888 年被德国物理学家赫兹用实验所证实，但可惜的是，麦克斯韦并没有看到这一幕。早在九年前（1879 年），麦克斯韦就因病在剑桥去世，年仅 48 岁。而那一年，恰好爱因斯坦出生了。

爱因斯坦对麦克斯韦的评价（来源：网络）

阿尔伯特·爱因斯坦的降生，让现代物理学的精彩篇章得以续写，他的名字和故事可谓家喻户晓。1905 年，物理学史、乃至科学史上评价的“爱因斯坦奇迹年”，当时才 26 岁的爱因斯坦还在瑞士专利局工作，在不到一年的时间里他写出了 6 篇具有划时代意义的论文，并先后发表在《物理学杂志》上。这 6 篇文章分别为现代物理学的三个不同领域做出了划时代的伟大贡献，可以说创造了科学史上“前无古人，后也几乎不可能有来者”的奇迹。

和光学相关的，是他提出了“光量子”概念，成功解释了光电效应实验，并推动了量子理论的发展。也正是他的发现，结束了波动说和微粒说的争论，让物理学家们接受了光同时具有波动性和粒子性的本质。同年另外的研究则是创立了狭义相对论，更是把光速作为不应参考系的选取而改变的宇宙终极速度引入了物理学，还推导出了著名的质能方程 E=mc²。

十年之后，爱因斯坦在 1915 年又发表了至今仍让后人无限感慨为“奇迹发现”的广义相对论，指出了光线在宇宙空间中受到引力场作用是可以发生弯曲的。一年后，爱因斯坦预言“原子和分子可以产生受激辐射”，他指出，如果能让受激辐射继续去激发其他粒子，进而造成类似雪崩一样的连锁反应来放大效果，最后就能得到单色性极强的辐射，也就是激光。而这也为现代光学的发展奠定了理论基础。

爱因斯坦的种种成就让后人始终觉得如同面前有一座物理学的珠穆朗玛峰，甚至有人并非开玩笑地去猜想他是否是从后世穿越回来的。但人类对光的认识仍在继续，目光也延伸至广袤而神秘的宇宙。这就涉及了“大爆炸宇宙论”（The BigBang Theory），它是现代宇宙学中最有影响力的一种学说，基于该理论原初的光子会在宇宙年龄约 38 万年时退耦，从而产生微波背景辐射弥漫于宇宙的全空间中。

1965 年，两位美国天文学家，当时在贝尔实验室工作的阿尔诺·艾伦·彭齐亚斯和罗伯特·伍德罗·威尔逊宣布测量到了宇宙的背景光子。他们使用了号角式的高灵敏度天线系统，以噪声的形式完成了人类和“宇宙背景辐射”第一次亲密接触。当时这个发现只在《天体物理学》杂志上占据了不足 940 个单词的篇幅，却让二人分享了 1978 年的诺贝尔物理学奖。

同年还发生了另外一个重大科学事件，华裔科学家高锟在光导纤维通信领域取得了革命性突破。他基于无数次实验提出了用光代替电流，用玻璃纤维代替导线的设想；仅过了一年，美国康宁公司在 1970 年便实际验证了该想法，正式推开了光纤通信新时代的大门。如今，全球的光缆早已超过 10 亿公里，它们让互联网得以用闪电般的速度传递各种信息，加快了人们工作生活的节奏。

现在与未来

光学进入现代也发生在 20 世纪 60 年代，得益于激光的出现，大批光学方向的新成果不断涌现，并派生出一系列新分支，也因而得到了多领域的实际应用。这些之后的文章会陆续介绍。

总之，光与人类的缘分仍在延续，而从前两次工业革命早已看出科学基础的突破与发展，将为技术与产业带来如何巨大的伴生影响；同时，第二次工业革命时期，一些国家其实尚未完成第一次工业革命，却也让两次产业跃迁同时进行，这也应该引发对科学发展的思考。

于人类来说，虽然对光的感知要远早于对电的认识，但电却在实际的产业应用中将光远远地落在身后。而这其中的原因，以后也将从电子学和光子学两者之间的关系说起。

END

参考：

惜哉《墨子》（品味古籍），人民网，2015-08-14

洪震寰，《＜墨经＞光学八条釐说》，《科学史集刊》第4期，第14页

陈奇猷，《墨子的科学——力学与光学》，收录于《中华文史论丛（第4册）》，中华书局，1963，第60~61页

高亨，《墨经校诠》，中华书局，1962，第129~130页

李师群，光学千年[J]。物理与工程，2015 Vol.25

马明祥，光学的发展历史概述[J]。大众科技，2007(05):82-83

李儒新等，超快光学与超强激光技术前沿研究[J]。中国科学， 2016 Vol.46

杜祥琬，激光发明50周年的几点启示[J]。物理，2010Vol.39

文章来源：硬科技研究 ，作者杨大可，著作权属原创者所有，内容为作者个人观点。

感谢每一位作者的辛苦付出与创作，我们转载此文出于传播更多资讯之目的，无商业用途。

如涉著作权事宜请联系博顿君，我们将及时处理。

“博顿光电”是一家专业从事新型离子源及离子束装备关键技术研发、设计和制造的创新型高科技企业。

博顿光电是国家高新技术企业，核心团队在光电技术与微纳加工高端装备制造领域具备国内顶尖的专业技术研发与设计能力，主营业务与产品为：

各类高端离子源设备产品：RF离子源、中空阴极霍尔离子源、IBF专用离子源、其他特种离子源离子束微纳加工装备产品与解决方案提供离子束薄膜沉积、刻蚀及表面处理工艺方案开发与服务面向光电细分行业的物联网与工业互联网平台服务

博顿光电致力于通过高端离子源核心技术及离子束装备的国产化，在离子束微纳加工核心部件与整机装备细分领域取得突破、成为行业“单打”冠军，打破国外垄断，解决国内在高端离子源及离子束设备领域“用不上”和“用不起”的行业困局，从上游核心部件解决精密光电行业的“卡脖子”问题，有力支撑我国精密光学、光通信、OLED、半导体等战略性产业的创新和发展升级，带动相关产业和行业的能力与价值提升。