孫正凡

（作者為科學(xué)松鼠會成員）

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

1015年，阿拉伯學(xué)者伊本·海賽姆寫成《光學(xué)之書》，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，愛因斯坦在狹義相對論中還指出，對任何觀測者來說，光速總是不變的，一切速度都不可能超過光速。1915年，愛因斯坦又發(fā)表了廣義相對論，預(yù)言光線經(jīng)過太陽引力場會發(fā)生彎曲，這一預(yù)言很快得到了證實。

光電效應(yīng)是太陽能電池的基礎(chǔ)。當(dāng)光線照射在金屬或半導(dǎo)體上時，光子會使電子逃脫，從而可以用于發(fā)電。光的波長越短，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，貝爾實驗室發(fā)現(xiàn)在晶體硅中摻入一定量的雜質(zhì)后對光更加敏感，太陽電池技術(shù)的時代終于到來。70年代能源危機(jī)之后，太陽能這種可再生環(huán)保能源成為各國政府青睞的對象。目前，全球最大的屋頂太陽能電池系統(tǒng)位于德國南部伯茨達(dá)特，面積達(dá)4萬平方米。中國也是太陽能光伏產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先的國家，擁有超過400家光伏企業(yè)，長三角等地區(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家電網(wǎng)。

愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論除了在純科學(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定位儀是通過接受衛(wèi)星發(fā)射的無線電時序信號（也可以看作光譜的一部分）工作的。根據(jù)狹義相對論，高速移動物體的時間流逝得比地面要慢。衛(wèi)星時速為1.4萬千米，每天要比地球上的時鐘慢7微秒。而廣義相對論認(rèn)為引力對時間施加的影響更大，衛(wèi)星位于距離地面大約2萬千米的太空中，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)星上的時鐘每天大約比地面快38微秒。由于時間和空間是一個相互聯(lián)系的整體，信號從發(fā)射到接受，必須要用相對論效應(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。

激光是又一項對現(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，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年愛因斯坦提出的一種效應(yīng)，兩個耦合的粒子之間即使分開很長距離仍然具有相關(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。在這方面中國科學(xué)家也取得了杰出的成就，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊已經(jīng)建成了國際上首個規(guī)?；牧孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，實用的量子通信技術(shù)呼之欲出；量子技術(shù)的另一應(yīng)用是未來的量子計算機(jī)，它比經(jīng)典的計算技術(shù)要快萬億倍以上，屆時再難的計算任務(wù)也會變得輕而易舉，信息社會的形態(tài)又將呈現(xiàn)全新的面貌。