行業科普 | 光與技術漫談——光，人類對世界的第一感知

博頓導讀

有人說，20世紀是電的世紀，21世紀是光的世紀。光是人類對世界的第一感知，今天博頓君來談談光與技術。

人類生命誕生伊始，睜開雙眼，對周遭世界的第一感知便是那一抹光亮；而人們的工作生活也離不開光，還有光學。可見光是光學學科形成並發展的基礎，這一感知看似平常，但實際上人類對光的認知歷史卻是漫長而曲折的。

光不僅給人們帶來了生存所需的物質和能源，同時也是諸多信息的載體。地球上可以讓人類採集使用的能源，大多都來自於太陽光。煤、石油和天然氣等化石能源，這些都是經過數千萬年的有機物沉積而成；如果沒有太陽光，那麼有機物就無法生成，又何談提供能量。同樣，有了陽光的溫度，地球也不再冰冷，水也流動循環起來，有雲有雨，有江河湖海，便有了充沛的水能，提供著萬物生命的源泉。

古代文明對光的認知：中國與科學的失之交臂，兩河流域的科學體系建立

中國作為世界上歷史最為悠久的文明古國之一，我們的歷史文化遺產已充分展現出歷史上中國學者們的智慧與所積累的知識。但遺憾的是，我們缺乏較為系統的科學理論體系。對光來說，亦是如此。

早在春秋末期戰國初期（大約公元前 476 年-公元前 390 年），墨子及其弟子所著的《墨經》中，就記載了其發現了小孔成像，並指出了光線沿直線行進的性質。文中具體所述如下：「光之人，煦若射。下者之人也高，高者之入也下。足蔽下光，故成景於上；首蔽上光，故成景於下。在遠近有端與於光故景庫內也。」

這段話理解起來就是：「光線照到人，人體反射回的光就像射出的箭一樣直線前進。這樣，人的下半身會在屏幕高處成像，而上半身則在屏幕下方成像。人的影像便是倒轉的，這因為來自腳的光線，下面有一部分被遮蔽了；而來自頭的光線，上面有一部分被遮蔽的緣故。如果恰好光前進的路上或遠或近存在小孔，可以讓光線透過，那麼暗匣中就會呈現出明亮的倒轉影像。」

作為中國古代思想家、教育家、科學家、軍事家，墨子被後世尊稱為「科聖」，也正是因為他是中國歷史上第一位在光線直射、光影關係、小孔成像、點線面體圓概念，乃至力的作用和槓桿原理等眾多領域的探索發現。而且對光的這一發現，遠超當時的其他人類文明，稱其為「人類第一次明確指出光沿直線傳播」也並不為過。

文中《墨經》部分（來源：網絡）

但可惜的是，這些超前的發現並沒有成為古代對光學研究的開端，反而很快就被歷史的塵埃所掩埋。而隨著歷史車輪的滾滾前行，古代學者對小孔成像等光學問題，也如車輪般循環往復，沒有深入地發展研究。諸如唐代的《酉陽雜俎》，北宋的《夢溪筆談》都有過重複記載和描述，南宋詩人陸遊也在《老學庵筆記》中寫下親身經歷。陸遊透過天窗和走廊裡的窗戶，觀察到了顛倒的塔影，但最終也是「未易以理推也」。

對光學現象發現的反覆，以及對原理深入探究的遲滯不前，一直到清末以至民初才得到了中國學者的再次重視，重新打開局面。在當時，順應著「諸子百家的子學復興」浪潮，墨學才再一次步入知識界的視野。來自英國的近代生物化學家、科學技術史專家李約瑟，也是《中國科學技術史》的作者就曾感嘆：「墨家的科學水平，超過了整個古希臘！」

要知道，古希臘可謂是世界上光研究和探索的聖地。希臘哲學家安比杜克勒斯應該是第一個給出光現象定義「看見東西是因為人的眼睛發出光線碰到了物體」的人。而隨後歐幾裡得用幾何學和數學，第一次用直線和三角解釋了光與視覺的問題。在給出如此感慨之後，他也提出了著名的「李約瑟難題」——「儘管中國古代對人類科技發展做出了很多重要貢獻，但為什麼科學和工業革命沒有在近代的中國發生？」這個問題暫且不談，我們回到人類歷史上與光有關的「大事件」。

1015 年，也是和北宋時期沈括撰寫《夢溪筆談》比較相近的時期，物理學家伊本-海什木（Ibn Al-Haytham）發表了光學的開山之作，系統且詳盡地描述出當時人們對「光」與「像」的認識。海什木這個名字，或許絕大多數人都沒聽過，但他於那些我們熟悉的大科學家——克卜勒、伽利略、培根和牛頓等人而言，可謂遐邇聞名。

伊本-海什木（來源：Wikipedia）

伊本-海什木在公元 965 年出生於兩河流域的美索不達米亞平原，也就是現在的伊拉克。他為光學做出了極大貢獻，尤其在幾何光學領域。他早期學習工程學，又閱讀希臘科學（據說以歐幾裡得筆記為主）的書籍，並學習了關於安達盧西亞學說的精華，並進一步發展了該學說。

據傳當年他曾聲稱可以在埃及的尼羅河上建立大壩，控制河水泛濫並解決乾旱問題。在被埃及哈裡發邀請前往實地之後，他發現自己的設想並不能實現，而為了避免殺身之禍，便開始裝瘋賣傻，一直被軟禁至 1021 年哈裡發去世。而正是在海什木軟禁期間，他完成了大量重要的論文。

海什木在 1015 年首次採用了「科學方法」，並光的視知覺及心理學等領域取得的開創性成果，因而被視為「第一位科學家」。他創建的「科學方法的四段論」在整整千年過去之後，至今未有改變。海什木既是「光學之父」，也是「科學方法論之父」，他的這兩個思想集合成了一套共 7 卷的書籍——《光學》（Book of Optics）。這套著作顯著地改善了光學領域的發展，其以實驗證明光線進入人眼，因而產生了影像；也發明了暗箱，來說明光線的物理性質。

雖然受到當時社會物質條件等因素的制約，海什木等學者都沒有更好地科技手段來進一步洞悉光的本質；但他們依然依靠對光影現象的觀察，歸納其中的規律，理解了許多光與像的基本性質。《光學》這套書籍也成為了世界上最古老的高等院校之一，埃及伊斯蘭教學府愛資哈爾大學（Azhar，al-Jami『al，建校於公元 972 年）的基礎教材，同樣已傳承使用了千年，未有改變。

近代：第一次工業革命後的科學爆發

如今，人們總習慣用第幾次「工業革命」或者「科技革命」來形容諸如網際網路、人工智慧等一個時期的新技術將給人類社會發展帶來怎樣大的改變。而歸咎其原因，或許是因為人類歷史上的第一次工業革命帶來的影響實在極為深刻。

第一次工業革命在 18 世紀中後期從英國發起，這場革命以工作機的誕生吹響了伊始的號角，而以蒸汽機作為動力源頭的廣泛使用作為標誌，開創了以機器代替手工勞動的時代。技術的革命，隨之帶來了一場對社會關係的革命，工業資產階級和工業無產階級逐步取代了生產效率底下的自耕農階級。與此同時，世界各地之間的聯繫也被第一次工業革命所加強，改變了世界面貌，也是最終確立資產階級對世界統治地位的開端。而率先完成了工業革命的英國，很快就成為了世界霸主。

第一次工業革命的理論基礎，正是源於 1687 年牛頓所著的《自然哲學的數學原理》，這本書是牛頓的科學才華處於巔峰時期所寫的曠世巨著，是「個人智慧的偉大結晶」。牛頓在書中用數學方法證明了萬有引力定律和三大運動定律，建立起經典力學體系，也奠定了用數學語言來描述宇宙運動的基礎。

牛頓（來源：Wikipedia）

更為重要的是，牛頓的發現結束了人們被動看待世界的狀態，宣告了科學時代的來臨，他告訴人們一個事實：自然界存在規律，並且是能夠被人類所認知的。牛頓為工業革命帶來了一把科技的鑰匙，同時也開啟了自然科學發展的新時代。

於光學領域來說，牛頓也有著代表性意義。從 17 世紀中期開始，科學家著手對光學現象進行系統研究，開始了關於「光的本性」的分析，就出現了「微粒說」與「波動說」的爭論。其中，主張「波動說」的科學家以惠更斯為代表，還有笛卡爾和胡克等科學家；而牛頓則是主張「微粒說」的代表。也正是在雙方努力地不斷論戰之下，「光的本質」才逐漸被人們所知，並最終認識到了光具有波粒二象性。

揭開「光本質」面紗的過程實際頗有波折，最先研究這個問題的人是法國哲學家、物理學家、數學家笛卡兒，他的觀點實則兼具微粒說和波動說兩種特徵。但隨著「微粒說」代表牛頓的出場，從 17 世紀末開始，光的微粒說在英法等國得到廣泛認可。因為牛頓在 17 世紀 70 年代到 80 年代間多次向皇家學會提交光學領域的論文，並繼承了笛卡爾的微粒觀點，系統地提出了光的微粒說。

但在 1672 年，牛頓在《哲學會報》上發表關於光的微粒說觀點的論文之後，胡克、盧卡斯、利尼斯等人就相繼表示反對光的微粒說，胡克提出：光以球面波的形式快速且小振幅地振動，向四面八方傳播的。1675 年之後，惠更斯、萊布尼茲、伯努利兄弟等也加入了爭論。作為「波動說」的代表，惠更斯首先發現了雙折射和光的偏振現象，並提出了光的波動說和惠更斯原理。他在 1678 年寫了《論光》（Traité de la lumière），宣布了他用兩年時間發展出的「光的波動理論（嚴格來說應該是光的脈衝理論）」。

不過，由於早期的波動說缺乏數學基礎並不完善，因此以符合力學規律的粒子行為來描述光學現象，在當時被認為是唯一合理的科學理論。直到 19 世紀，託馬斯·楊和菲涅爾等科學家的研究工作才讓光的波動說得到復興。1801 年，託馬斯·楊在皇家學會宣布了《關於薄片顏色》的論文，重新肯定了波動說。而後，菲涅爾在 1818 年為法國科學院寫了一篇懸賞徵文，用波動說的觀點很好地解釋了光的幹涉，這讓波動說在法國開始興起，也改變了託馬斯·楊在英國被科學界輿論壓制近二十年的窘境。

菲涅爾的光波動理論（來源：Menna/Shutterstock）

而後託馬斯·楊在研究數年後提出了光是橫波的觀點，糾正了自惠更斯以來光是縱波的傳統見解，進一步發展了波動說並建立了波動光學的基本理論。菲涅爾則是把託馬斯·楊的幹涉原理和惠更斯的原理二者相結合，以數學理論來闡述波動理論，奠定了波動傳播的一般理論基礎，從而建立了經典波動光學。這也是光學史上的又一大事件。

此外，菲涅爾作為一名工程師，他在光學儀器的製造領域也頗有心得，著名的「菲涅爾透鏡」就出自他手。遺憾的是，菲涅爾在 1827 年便因結核病死於巴黎，年僅 39 歲。因此，他對光學所做的卓越貢獻並沒有在其有生之年得到廣泛認可，直到菲涅爾去世多年以後，他的一些重要論文才相繼發表，並給現代光學的發展帶來了深刻影響。

總而言之，託馬斯·楊和菲涅爾兩人的研究成果，標誌著光學進入了一個嶄新的時期：「彈性以太光學時期」。而波動學說的成功，也被愛因斯坦稱為「在牛頓物理學中打開了第一道缺口」。而菲涅爾因其在光學研究上的成就，也被人們譽為「物理光學的締造者」。

光與電的交互：現代物理學的「眾神時期」

雖然說第一次工業革命是以牛頓的經典力學體系為理論基礎，但實際上許多革命性的技術發明都源於普通工人和技師們的實踐經驗，可以說科學與技術的革新並沒有真正意義上的結合。而在第二次工業革命期間，自然科學的新發展，逐步與工業生產的聯繫變得緊密起來，科學在推動生產力發展方面發揮了更為重要的作用，因而第二次工業革命的發明者多是科學家和工程師。

對第二次工業革命，人們普遍認為是由電帶來的，也稱其為「電氣時代」，為此打下科學基礎的則是英國物理學家、化學家麥可·法拉第。從小家境貧寒的法拉第只讀了兩年小學便因為父親的病倒而輟學，1803 年 12 歲的他為了生計成為了一名報童。做了一年報童之後，法拉第去了一家書店做學徒，學習裝訂手藝。在書店的工作之餘，他主動閱讀了店裡的眾多書籍，其中既有《哈姆雷特》《李爾王》等莎士比亞經典文學，也包括了《大英百科全書》《化學漫談》等科學名著。這段經歷使得法拉第被科學所深深吸引，也激發了他對實驗的熱情。

功夫不負有心人，法拉第幾經波折，終於在 1813 年 3 月，22 歲的他進入到皇家學院，成為一名助理實驗員，正式開始了他的科學研究生涯。雖然他的科學生涯和成長經歷一般，並不是一帆風順，但是金子總歸會發光。1831 年，經過多次不同的實驗設計，法拉第證實了當磁作用力的變化時能產生電流，進而提出了電磁感應定律。同年 10 月，基於自己的理論研究，他發明了圓盤發電機。這是人類第一次發明發電機。

法拉第（來源：wiki）

隨後的法拉第步入了自己科學研究成果的爆發期，從 1834 年到 1845 年，他總結出法拉第電解定律，又引入了電場與磁場的概念，從而打破了牛頓力學「超距作用」的傳統觀念；而後，他在 1828 年提出電力線的新概念，來解釋電、磁現象，成為物理學理論的又一次重大突破；1843 年，他用著名的「冰桶實驗」證明了電荷守恆定律。在不知道經歷了多少次失敗之後，法拉第終於在 1845 年用實驗證明了光和磁的相互作用，發現了「磁光效應」，為電、磁和光的統一理論奠定了基礎。七年之後，他又引入磁力線概念，為建立經典電磁學理論奠定了基礎。

看到這裡，或許有人會感到疑惑，為什麼講光學的歷史會牽涉電的發展？這是因為光與電二者之間有著密切聯繫，而這正和法拉第，以及他人的後續研究相關。

從上面對法拉第的介紹可以看出，他已經取得了舉世矚目的成績。但是，或許是因為法拉第小時候並沒有接受過正統的學術教育，他的數學能力相比於實驗能力就顯得弱了許多。法拉第一直苦於自己無法給出關於電磁理論的精確數學表述，甚至覺得自己此生無望時，另一名偉大的科學家出現並握住了他的接力棒，這個人就是麥克斯韋。

1865 年，英國物理學家麥克斯韋提出了光的電磁波理論，用完美的數學公式，即麥克斯韋方程組，證明了法拉第的電磁理論猜想。同時，他還指出「光和磁力是同一種物質的不同狀態，而且光是一種遵從電磁學定律在電磁場空間傳播的擾動。」麥克斯韋還計算了電磁波的傳播速度，與當時光學測量的結果幾近相同。他的發現讓所有先前已知的光學定律都可以通過麥克斯韋方程組導出，甚至許多先前並未發現的事實和關係也可以用該方程導出，這讓人類對光本性的認識又向前邁出很大一步。

麥克斯韋在生前與菲涅爾一樣，並沒有享受到其對科學做出貢獻的應有榮譽。他對電磁波的預言在 1888 年被德國物理學家赫茲用實驗所證實，但可惜的是，麥克斯韋並沒有看到這一幕。早在九年前（1879 年），麥克斯韋就因病在劍橋去世，年僅 48 歲。而那一年，恰好愛因斯坦出生了。

愛因斯坦對麥克斯韋的評價（來源：網絡）

阿爾伯特·愛因斯坦的降生，讓現代物理學的精彩篇章得以續寫，他的名字和故事可謂家喻戶曉。1905 年，物理學史、乃至科學史上評價的「愛因斯坦奇蹟年」，當時才 26 歲的愛因斯坦還在瑞士專利局工作，在不到一年的時間裡他寫出了 6 篇具有劃時代意義的論文，並先後發表在《物理學雜誌》上。這 6 篇文章分別為現代物理學的三個不同領域做出了劃時代的偉大貢獻，可以說創造了科學史上「前無古人，後也幾乎不可能有來者」的奇蹟。

和光學相關的，是他提出了「光量子」概念，成功解釋了光電效應實驗，並推動了量子理論的發展。也正是他的發現，結束了波動說和微粒說的爭論，讓物理學家們接受了光同時具有波動性和粒子性的本質。同年另外的研究則是創立了狹義相對論，更是把光速作為不應參考系的選取而改變的宇宙終極速度引入了物理學，還推導出了著名的質能方程 E=mc²。

十年之後，愛因斯坦在 1915 年又發表了至今仍讓後人無限感慨為「奇蹟發現」的廣義相對論，指出了光線在宇宙空間中受到引力場作用是可以發生彎曲的。一年後，愛因斯坦預言「原子和分子可以產生受激輻射」，他指出，如果能讓受激輻射繼續去激發其他粒子，進而造成類似雪崩一樣的連鎖反應來放大效果，最後就能得到單色性極強的輻射，也就是雷射。而這也為現代光學的發展奠定了理論基礎。

愛因斯坦的種種成就讓後人始終覺得如同面前有一座物理學的珠穆朗瑪峰，甚至有人並非開玩笑地去猜想他是否是從後世穿越回來的。但人類對光的認識仍在繼續，目光也延伸至廣袤而神秘的宇宙。這就涉及了「大爆炸宇宙論」（The BigBang Theory），它是現代宇宙學中最有影響力的一種學說，基於該理論原初的光子會在宇宙年齡約 38 萬年時退耦，從而產生微波背景輻射瀰漫於宇宙的全空間中。

1965 年，兩位美國天文學家，當時在貝爾實驗室工作的阿爾諾·艾倫·彭齊亞斯和羅伯特·伍德羅·威爾遜宣布測量到了宇宙的背景光子。他們使用了號角式的高靈敏度天線系統，以噪聲的形式完成了人類和「宇宙背景輻射」第一次親密接觸。當時這個發現只在《天體物理學》雜誌上佔據了不足 940 個單詞的篇幅，卻讓二人分享了 1978 年的諾貝爾物理學獎。

同年還發生了另外一個重大科學事件，華裔科學家高錕在光導纖維通信領域取得了革命性突破。他基於無數次實驗提出了用光代替電流，用玻璃纖維代替導線的設想；僅過了一年，美國康寧公司在 1970 年便實際驗證了該想法，正式推開了光纖通信新時代的大門。如今，全球的光纜早已超過 10 億公裡，它們讓網際網路得以用閃電般的速度傳遞各種信息，加快了人們工作生活的節奏。

現在與未來

光學進入現代也發生在 20 世紀 60 年代，得益於雷射的出現，大批光學方向的新成果不斷湧現，並派生出一系列新分支，也因而得到了多領域的實際應用。這些之後的文章會陸續介紹。

總之，光與人類的緣分仍在延續，而從前兩次工業革命早已看出科學基礎的突破與發展，將為技術與產業帶來如何巨大的伴生影響；同時，第二次工業革命時期，一些國家其實尚未完成第一次工業革命，卻也讓兩次產業躍遷同時進行，這也應該引發對科學發展的思考。

於人類來說，雖然對光的感知要遠早於對電的認識，但電卻在實際的產業應用中將光遠遠地落在身後。而這其中的原因，以後也將從電子學和光子學兩者之間的關係說起。

END

參考：

惜哉《墨子》（品味古籍），人民網，2015-08-14
洪震寰，《＜墨經＞光學八條釐說》，《科學史集刊》第4期，第14頁
陳奇猷，《墨子的科學——力學與光學》，收錄於《中華文史論叢（第4冊）》，中華書局，1963，第60~61頁
高亨，《墨經校詮》，中華書局，1962，第129~130頁

李師群，光學千年[J]。物理與工程，2015 Vol.25

馬明祥，光學的發展歷史概述[J]。大眾科技，2007(05):82-83

李儒新等，超快光學與超強雷射技術前沿研究[J]。中國科學， 2016 Vol.46

杜祥琬，雷射發明50周年的幾點啟示[J]。物理，2010Vol.39

https://zh.wikipedia.org/wiki/

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文章來源：硬科技研究 ，作者楊大可，著作權屬原創者所有，內容為作者個人觀點。

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