物理世界（四十九）

刘文旺

光学（七）西方光学萌芽及发展（五）

我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。

几何光学以光的直线传播为依据，研究光在透明介质中的传播规律。几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。

物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。

波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系，而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。

量子光学：1900年普朗克在研究黑体辐射时，为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式，他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设，即“组成黑体的振子的能量不能连续变化，只能取一份份的分立值”。

1905年，爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的上述量子论，进而提出了光子的概念。他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样分布在波阵面上，而是集中在所谓光子的微粒上。在光电效应中，当光子照射到金属表面时，一次为金属中的电子全部吸收，而无需电磁理论所预计的那种累积能量的时间，电子把这能量的一部分用于克服金属表面对它的吸力即作逸出功，余下的就变成电子离开金属表面后的动能。

这种从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。

光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了：非但光有这种两重性，世界的所有物质，包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物，也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。

应用光学光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。

光学的另一个重要的分支是由成像光学、全息术和光学信息处理组成的。这一分支最早可追溯到1873年阿贝提出的显微镜成像理论，和1906年波特为之完成的实验验证；1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法，并依此由蔡司工厂制成相衬显微镜，为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖；1948年伽柏提出的现代全息照相术的前身——波阵面再现原理，为此，伽柏获得了1971年诺贝尔物理学奖。

自20世纪50年代以来，人们开始把数学、电子技术和通信理论与光学结合起来，给光学引入了频谱、空间滤波、载波、线性变换及相关运算等概念，更新了经典成像光学，形成了所谓“博里叶光学”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特内克斯改进了的全息术，形成了一个新的学科领域——光学信息处理。光纤通信就是依据这方面理论的重要成就，它为信息传输和处理提供了崭新的技术。

在现代光学本身，由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意。激光光谱学，包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，以及可调谐激光技术的出现，已使传统的光谱学发生了很大的变化，成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。它为凝聚态物理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术。

量子纠缠是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响影响的现象，虽然粒子在空间上可能分开。

量子力学是非定域的理论，这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实，因此，量子力学展现出许多反直观的效应。量子力学中不能表示成直积形式的态称为纠缠态。纠缠态之间的关联不能被经典地解释。所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题，并在量子计算和量子通信的研究中起着重要的作用。

多体系的量子态的最普遍形式是纠缠态，而能表示成直积形式的非纠缠态只是一种很特殊的量子态。历史上，纠缠态的概念最早出现在1935年薛定谔关于“猫态”的论文中。纠缠态对于了解量子力学的基本概念具有重要意义，已在一些前沿领域中得到应用，特别是在量子信息方面（例如，量子远程通信）。我国科学家潘建伟已经成功的制备了8粒子最大纠缠态。记者24日从中国科学技术大学获悉，该校科研团队在国际上首次实现十光子纠缠。

中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳、陈宇翱等组成的研究组也打破了之前由该研究组保持4年多的八光子纪录，再次刷新了光子纠缠态制备的世界纪录。

这一成果近日以“编辑推荐”的形式发表于国际权威学术期刊《物理评论快报》，并被美国物理学会《物理》网站和《自然》杂志研究亮点栏目报道。

多粒子纠缠操纵作为量子信息处理基本能力的核心指标，一直是国际角逐的焦点。

潘建伟及其同事首次实现并一直保持着多光子纠缠态的世界纪录，并系统性地应用于量子通信、量子计算等多个研究方向，成为国际上多光子纠缠领域的开创者和引领者。

最近，我们不断得到这一方面进展的信息。我国已经成功实现天地之间的量子通讯。这一借助于量子纠缠现象实现的通讯，将实现通讯系统的革命。

我们知道，以往的通讯是通过普通的电磁波传递的，电磁波的传播是通过地球上空电离层的反射实现的。而此就决定了电磁波的传递是眼人一可能的方向进行的。很容易被他国截获。从而带来可能的信息泄露。这对于重大的事件往往会带来致命的损害。

但是，利用量子纠缠现象就不存在这一问题。这是一个很大的问题。无论是从商业上还是军事上，都有着巨大的现实意义。

据说我们正在潜艇、飞机上使用这一技术。这将给电磁通讯带来颠覆性的革新。潜艇是一个我见得第二次核打击力量。当陆基核导弹受到攻击后，潜伏在大洋深处的潜艇就可以发射核导弹对帝国进行核报复。他的战略意义十分明显。在某一国家的航空母舰战斗群在我们的周边进行恐吓性游弋的时候，发现我们的核潜艇出航了（其卫星发现停泊在港口中的核潜艇消失了），就迅速撤离了。这就叫不战而屈人之兵。

但是，潜艇由一个致命的缺陷，就是航速永远没有反潜飞机快已经被发现很难逃脱。在历史上存在无数次的先例——在大海中的潜艇被空中的反潜飞机逼出大洋。这是何等被动的局面。若双反正处在交战状态，潜艇恐怕在劫难逃。但是，实现了量子通讯，就不会有信息的泄露，这样潜艇就可以在大海中信心满满地自由翱翔了。

     关于光的本性的探讨，至今没有确定的结论，一般认为光具有波粒二象性。当然，这里的粒子性与当年牛顿、加桑迪的观点不同，这里的波动性也与经典意义下的波有了区别。特别是狭义相对论的诞生，使得人们对光的波动性产生了困惑。我们知道，我们熟知的任何一种波动，都拥有确定的速度，这一运动速度与观察者的运动有关。当我们运动速度等于或超过波速时，我们会发现波速发生了变化。但是，迈克尔逊-莫雷的实验表明，光速相对于任何一个观测者，拥有不变的数值，这一点与我们熟知的波动是完全不一样的。

     还有，就光的粒子性也是能以自圆其说的。

     狭义相对论是为了描述光速不变性而引入的，并且由此诞生了狭义相对论，进而，在此基础上爱因斯坦在1915年又建立了广义相对论。但是，相对论中的尺缩现象不适用于光子，光子的波长并没有在其以光速运动时变为零。它拥有的质量、能量也没有因为其以光速运动而变成无穷大的数值。

     爱因斯坦的理论值得推敲。关于这一点，在我的博客中有大量的篇幅讨论，在此不再重复。

（未完待续）