今天講的是光的故事。光，大家都很熟悉，它照亮了我們的世界，讓地球有了溫暖，維持著我們的生命。人跟動物的區別，就是人會思考，思考得很深，所以一般人就不會簡單滿足於看到光，而是想怎麼樣去利用光，這是一個充滿了傳奇的故事。
幾千年前，人們相信眼睛會「放光」
3000多年前，古希臘出現自然哲學，只要你大膽假設，能夠自圓其說，不需要求證就能讓人相信。當時,人們認為世界由四種元素構成，它們分別是：火、空氣、土和水。基於這種認知，以畢達哥拉斯（Pythagorus 582-504 BC)為代表的哲學家們認為，視覺的產生是由於人眼發射出的火焰遇到了物體，反射得到的。幾何學鼻祖歐幾裡得則提出，光一定是走直線的。他在著作《Optica》中闡明了幾何光學的基本原理。在此之後的一些哲學家則認為，光是由微小的顆粒組成，並具有無限大的傳輸速度。
此後，長達十幾個世紀中，包括隨之而來的中世界的歐洲 文化 「黑暗時代」（5-14世紀）， 光學沒有太多進展。期間，最引人注目的工作來自於一位阿拉伯哲學家與科學家，Ibn Al-Haytham (965-1040 AD)。他提出人能夠看到物體，是因為光進入了人眼；光是由一系列微小顆粒構成；光的折射是由於光在不同介質中傳輸速度不同造成的。他也是實驗科學的先驅者。他通過實驗發現了小孔成像——（通過一個小孔，在孔一側的物體可以在另一側的顯示屏上成倒像）。所以他是小孔照相機的發明者。
從自然哲學到自然科學
文藝復興（1450-1630 AD）的到來終結了黑暗的中世紀。在隨後的兩個世紀（15-16世紀）中，失落的知識被逐漸恢復；而在17世紀，開始有大量的實驗觀測與理論推導，科學就此蓬勃發展。在這一時期，人們不再滿足於大膽假設，而是要求必須小心求證。自然哲學開始轉移成自然科學。光學作為自然科學的前沿學科帶動了自然科學的發展。
克卜勒天體運動三定理大家都聽到過、學到過，其實克卜勒對光學的貢獻也很大。克卜勒提出，我們的眼睛是個凸透鏡，我們看到的景象其實是倒影，而不是原來的景象。他也解釋了為什麼會有遠視和近視，但沒有試驗證明。一直等到笛卡爾（Descartes）把牛的眼睛挖出來當成凸透鏡做實驗，才證明了這個假說。
伽利略大家也都聽說過，他向別人學習製作了一臺天文望遠鏡，因此看到了木星有四個衛星，這是人類天文學實驗的開始。伽利略提倡科學要依賴於實驗的結果，因此被尊為實驗科學的鼻祖。
之後，在光學的研究上,科學家們通過實驗得出了折射定理。當時，大家認為白光是最純的光，如果白光受了汙染就會出現顏色。比如白光經過稜鏡會折射出很多顏色。但是白光經過小孔或者狹縫的時候，也會看到透射顏色出現，這個大家都不能解釋。1676年，羅默（Romer）第一次通過天文觀察測出了光的速度，證明了光的速度是有限的，而不是無窮大。這些都是自然哲學邁向自然科學的起點。
牛頓與胡克的爭論：光是波還是顆粒？
光學領域的一件大事是牛頓的加入，大家都知道牛頓力學，他其實對光做了很多研究。牛頓認為光是由很多小顆粒形成的，白光並不是純的光，而是很多有顏色的顆粒組成的，不同顏色的顆粒大小不同，它們的速度在物質裡面也不一樣。為了證明光的顏色不是由於白光受到汙染，他設計了一個實驗：一束白光進入一個稜鏡後,出來就變成有顏色了，讓這些光再進入一個倒置的菱鏡，你就會發現出來的又變成一束白光。這就充分證明了牛頓的白光理論。他認為折射現象是由於光在介質中的傳輸速度大於在空氣中,這個說法卻是不對的.
然而，由於粒子學說不能解釋光的偏振、衍射、散射等現象，當時許多科學家持有不同意見。其中的代表人物是著名科學家胡克（Hooke）。他認為光的本質是一種波，而並非粒子。光的波動學說可以很好地解釋光的反射、折射、散射以及幹涉等物理現象。笛卡爾則認為光的傳輸方式與聲波相似，以壓力波的方式在一種特殊的物質（plenum或ether）中傳輸。
科學爭論逐漸演變為科學家間的私人恩怨。無論多麼偉大的科學家，總歸會受到人性的困擾。無論是胡克還是牛頓都堅信自己的理論。當時，胡克擔任倫敦皇家科學院的學監。他對牛頓的光微粒學說進行了毫不留情的批評：「（牛頓）論文中的很多觀點是錯誤的。文中僅有的正確論述來自於對我的理論的剽竊。」在胡克去世之後，牛頓才當選皇家科學院的院長（1703年），並在第二年出版了著作《Opticks》。在牛頓的光環下, 之後一段時間裡，粒子說佔據著優勢，但是也有Euler等人仍在提倡波動理論。 (Euler 是一位偉大的數學家與科學家他的一生約有900本著作，他的寫作速度甚至可以達到每周一部著作。在他1746年出版的著作《Theory of Light and Colors》中，他提出光是一種波，並認為不同顏色的光具有不同的頻率。然而，他的依據主要基於數學推導，而未給出形象的物理圖像描述，因此影響力有限。牛頓的理論在當時佔據主導地位。在一段時間之後，才由於出現了一系列能夠證明光具有波動性的實驗，光的波動理論才得以「重生」。其中最廣為人知、最為重要的實驗是1801年 的楊氏雙縫實驗。此後，菲涅耳（Fresnel）、夫琅和費（Fraunhofer）等科學家進一步運用光的波動學說解釋了光的偏振、衍射等特性；Foucault 通過實驗證明了光在介質中的傳輸速度小於在空氣中，否定了牛頓光粒子說中關於光折射的理論。這一系列的實驗讓大家都相信光是波，而不是顆粒。
隨後法拉第（Faraday）通過實驗驗證了電磁振蕩，並繪製了場線圖。麥克斯韋提出了著名的麥克斯韋方程組，他注意到：「電磁波與光的傳輸速度如此的接近，因而我們有充足的理由認為光（包括熱與其它形式的輻射）本質上是一種電磁波」 （「The velocity of em waves is so nearly that of light that it seems we have strong reason to conclude that light itself (including heat and other radiation) is an electromagnetic disturbance in the form of waves propagated through the em field according to em laws.」）從此，人們知道光就是電磁波。麥克斯韋另外的一個貢獻，就是他證明了如果把三種基本的顏色用不同的比例混在一起，可以得到不同的顏色。彩色顯示屏幕的顯色，就是根據這個得來的。
二十世紀初期：光引領著科學邁向量子紀元
19世紀的中後期，有了牛頓的力學，有了麥克斯韋的電磁學，很多現象都能夠解釋了。物理科學發展似乎已走到盡頭。可是一個意想不到的發現，往往能改變整個情況，開創了科學的新紀元。這個紀元就是量子物理紀元。而這個發現就是對黑體輻射的了解。
怎麼回事呢？在那個時候電燈泡已經問世，人們需要研究怎樣才能更有效的讓電能轉變成光。因此，1900年，Planck測量了黑體輻射光譜。但是他發現光波的理論無法解釋紫外波段測得的光譜。要完善的解釋所得光譜，他必須假設光波的能量是不連續的，而是以單位能為hν組成的。這裡hν是一個常數，ν是光波的頻率。這一發現似乎指出了光應該是由攜帶ν能量的顆粒（光子）組成的，將粒子學說重新拉回人們的視野中。隨後的一系列實驗的確證實了「光子」的概念：愛因斯坦用光電效應實驗的結果證實了光子帶有能量hν，而康普頓（Compton）的散射實驗則證明了光子帶有動量hν/c。
經過兩百多年的爭論，人們似乎又回到了問題起點：
光的本質究竟是什麼？
現在廣為人們所熟知與接受的波粒二象性學說應運而生：光同時具有粒子性與波動性。但是需要概率統計概念的參入。
前文提及的楊氏雙縫實驗，是通常用來說明光的波粒二象性的。如果把光子一個一個的射向雙狹縫，每一光子只能穿過或左或右的一條狹縫，擊到狹縫後面的屏幕上，產生一個亮點。單一光子不可能產生幹涉條紋。但是當光子穿過狹縫的數目逐漸增加，初始顯示的屏幕亮點，似乎是雜亂無章、看似隨機分布的，體現了光的粒子性；隨後亮點會逐漸組成清晰的幹涉條紋，體現出的是光的波動性。
雷射的來臨，創造了現代光學的新紀元
光推動了20世紀前期量子力學的快速發展。可是對光學本身來說，進展並不很大，主要是在應用方面。光譜變成了一個工具，用來研究原子、分子，凝聚物質等。在實際應用方面則有照明，取像等。基礎光學的發展逐漸變得暮氣沉沉。隨後雷射出現了。及時為光學重振生氣。奠造出一個新紀元。
雷射（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation， LASER）的想法來源於愛因斯坦1916年提出的受激輻射理論：處於激發態的原子會向低能級躍遷而發出一個光子。躍遷機率與已存在的相同光子的數目成正比。基於這個效應，發射光的強度會像雪崩時沿著山坡滾動的雪球一樣越「滾」越大。1951年，C.H. Townes首先製成了MASER（微波受激輻射的器具）。1960年，第一個雷射發射器誕生。從此以後，光學的領域就完全改觀了，雷射幾乎進入了所有的科技領域，帶動了其他學科的快速進步和發展。
與普通光相比，雷射具有亮度高、方向性好、單色性好、相干性好等特點。它在娛樂、教育、軍事、醫療等等各個日常生活領域都有極廣泛的應用，例如：雷射美容、雷射秀、GPS，雷射雷達等。
雷射對現代科學的發展更是有其極巨大的影響。它使得幾乎所有科技領域都起了根本的改變。自1960年雷射誕生日至今，已經有14個諾貝爾獎頒發給了與雷射相關的研究工作。
量子光學的誕生
對於基礎光學本身，雷射的出現重新引發了人們對於光本質的探索。什麼是光子？根據上文所述，光子是具有一定能量（hν）與動量（hν/c）的粒子，那麼它的空間與時間分布特性是怎樣的？根據量子力學理論，我們知道粒子的空間特性可以用波包來描述。光子的波包具有能量hν與動量hν/c。如果一個光脈衝的時間非常短，那麼對應的光譜應該非常寬，而非一個固定的單一頻率值。那麼光子的頻率（ν）到底應該如何表徵呢？這個問題可以用量子力學中的概率概念來解釋，如同之前提及的楊氏雙縫實驗。每一個單光子脈衝進入光譜儀後，會在頻譜上產生一個亮點。在大量的單光子脈衝重複測量之後，我們可以在頻譜上得到光脈衝波應有的完整光譜。將光子視為一種量子粒子，並通過統計概念來解釋相關實驗現象開啟了量子光學的研究；該理論在2006年被授予諾貝爾獎。
光子理論與經典光學大有不同。在楊氏雙縫實驗中，由於單個光子的不可分割性，單個光子只能從兩個狹縫中的某一個穿過到達顯示屏。與此相似，單個光子在經過50:50分光片時，必然以相同的概率從透過通道或反射通道出射，而絕不可能同時出現在兩個通道內。如果兩個無法分辨的全同光子從兩個正交方向同時入射分光器，會發生什麼現象？實驗發現，雖然出射有兩個通道，但是兩個光子必然經由同一個通道射出，而且從任一通道出射的概率相同；這證明兩個光子構成了一個糾纏光子對。
上述的糾纏光子可以由參量螢光過程來產生。一般來說，兩個糾纏光子的特性不必相同。但是如果其中一個光子被檢測到，知道了它的特性，我們立即可以知道另一個光子的特性，不管它離開前一個光子多遠，這一信息的獲取是超越時間與空間的。愛因斯坦始終無法接受這一理論。他將其稱呼為「幽靈般的現象」，並與波多爾斯基（Podolsky）和羅森（Rosen）敘文駁斥，這現象被稱為獻中提出了「EPR悖論」（Einstein-Podolsky-Rosen paradox）。但現在這現象已被實驗證明。糾纏光子現在正被用來發展量子保密通訊以及量子數據處理和量子計算。
來自雷射的一些新興科技領域
下面簡單介紹一些近年來雷射光學如何改變科學世界的例子。
非線性光學：通常情況下，我們看到的光學現象都是線性的。而非線性光學效應是一些強光場下發生的光學現象。最簡單的例子是倍頻，和譜，差頻的產生。大家常見的綠光雷射筆發射的綠光就是由紅外雷射倍頻得來的。實際上筆內發光組件是近紅外雷射，在雷射通過一塊晶體後, 會產生倍頻光,而射出的是綠光。目前通過倍頻非線性效應得到的倍頻數可達5000，也就是說通過如此高階倍頻效應，人們可以將雷射的頻率拓展到軟X光射線範圍。
另一種常見的非線性效應是雷射自聚焦。它是由於光波強度能改變介質的折射率，進而影響入射光波的波前，使得傳輸光自動聚焦而且可能形成一條強光細束。飛秒短脈衝的強雷射在空氣中也能自動聚焦形成一公裡以上的細束線。它可以誘導閃電改變原來的途徑而沿著細束傳輸。這可能用來控制閃電。
強光脈衝的強電場：強雷射的電場強度非常之大。相對於強度為1019 W/cm2的雷射, 其電場強度約為 3×1010 V/cm, 比電子束縛於原子核附近所需的庫侖力大兩個數量級。在小於半個光波周期的時間內，光的電場可以將一個電子加速至接近光速。因此可以產生非常強的強光非線性效應。強雷射脈衝可以激發氣體介質的等離子體震蕩，用來加速電子可以獲得高達幾個GeV/cm的動能。由此產生的電子可以被用來產生X射線。相比於另一種同類技術——同步輻射技術，這種方法可以在手掌大小的空間內實現電子加速（而同步輻射儀器佔用空間非常大，需要修建單獨的大建築才能放置）。
光學精密測量：雷射極佳的單色性可以用來非常準確的測試光波的頻率。精度可達到10-18量級，轉換成時間，用來計時，十億年內錯誤不會多於一秒。
用雷射來操作幹涉儀，可以測量得到10-18米（比人頭髮的直徑小1013）的長度變化，這使得最近引力波的測量成為可能。
光學成像：雷射可以用來幫助我們看東西。大家知道原子和分子一定存在，但是也許沒有見到過單原子或單分子。但是利用雷射激發螢光，單原子和單分子就很容易觀察到。雷射顯微鏡用在觀察生物系統上，能大大提高分辨力。比如可以用來追蹤細菌如何進入細胞。最近發展出的超高顯微鏡技術（2014諾貝爾獎）更進一步提高了一個數量級的分辨力，使得如神經幹線的精細結構都能看到。
用極短脈衝雷射來成像，可以觀察到時間解析度至10-16秒的物體的動態過程。因此可以用來探討物質中分子，原子，電子等的運動狀況。
雷射還可以幫我們更清晰的觀察天象。我們平時看到的星星是一閃一閃的。為什麼呢？這是因為星光穿過漂動大氣層時波前受到不定的幹擾。如果我們打一束雷射上去，把大氣層之上的鈉原子層激發，產生螢光，如同在天上造了一顆極小的人造星。從螢光穿過大氣層進入望遠鏡看到的模糊的人造星圖像,我們就能定量知道大氣層是如何改變光的波前的。因此就可以對望遠鏡得到的圖像進行修正，把模糊的圖像變成清晰的圖像。舉例來說，一顆雙子星，普通望遠鏡見到的只是一顆模糊的星。但是經過雷射人造星修正後，就可以很清楚的看到兩個分離的星。
光致物質特性改變：雷射還可以用來控制物性。某些物質在雷射激發下本來不是超導體的物質可以變成超導體，本來不是鐵磁的物質可以變成鐵磁。雷射可以把物體加熱到很高溫度。但也可以把物體冷卻下來。雷射冷卻的原理在於激發物質的光頻率小於發出螢光的頻率。在這過程中，物質因為流逝了能量而變冷。利用雷射冷卻技術，科學家們得到了一種全新的物質態：密度如一般氣體的波色子及費米子凝聚態。開展了一個目前原子物理方面最活躍最受注意的嶄新領域。
雷射也可以用內部壓縮的方法來壓縮物質。目前已能做到使物質的密度增加100倍。相似於星球內部的物質。在這類高密度的物質中，電子基本上都已不被原子核束縛住。傳統的能帶，化學鍵，電子軌道等概念不再適用。物理學必須再從基礎出發來謀求了解。當壓縮程度再進一步，會發生核聚變效應。如果核聚變發出的能超過了輸入的能，我們就可以獲得一個取之不盡用之不竭的能源。
雷射核聚變雖然還未成功，光學也還有不少問題尚待解決，但是從過去半個世紀光學快速發展的情況來判斷，這個光學新紀元的前景必然是無限「光」明的。
（根據沈元壤教授11月8日在「海外名師大講堂」講座錄音整理。錄音整理 周煒 辛晨光）