走进《光学》 学习光学

葛惟昆

(清华大学物理系,北京 100084)

在人类历史上,光的重要和神奇是一个永恒的主题。没有光,我们不能认识世界;其实没有光,根本就没有这个世界,没有一切生命现象:因为“万物生长靠太阳”。按照大爆炸理论,在宇宙诞生的那最初的一瞬间,光与各种物质混杂在一起;在一段时间内,物质与辐射场搅和在一起,到某一时刻起,物质与辐射脱耦,各自相对独立演化。早期相互耦合的信息依然分别残留于两个场中。就是在原初的混沌,是个黑暗的宇宙,后来才有了光。巧合的是,《圣经》的创世纪里也说“上帝说有光,于是就有了光!”如果我们把上帝理解为大自然,这话也很有先验的智慧。

光是如此重要,又如此神秘,对光的认识和研究自然会是一门古老的科学,在物理学中也始终占据高位。爱因斯坦在青年时代就立志:“我将用我的余生思索光的本性”。而一直到晚年,他承认“对于什么是‘光量子’的思考已在我心中萦绕了50年,但是并没有使我接近答案。如今每个人都自以为知道答案,实际上他们那是自欺欺人。”关于光学的著作也因此层出不穷。译者张晓光教授和笔者曾先后师从北京大学物理系著名的光学专家杨霞荪教授。杨先生翻译的Max Born 和 Emil Wolf所编《Principlesofoptics:electromagnetic theoryofpropagation,interferenceanddiffraction oflight》[1]是一部经典的光学世界名著,是光学领域的奠基性教科书,它历经半个多世纪而长盛不衰,甚至被称为光学的“圣经”。顾名思义,这本经典著作是建立在电磁理论基础上的。从历史的观点来看,麦克斯韦方程组的建立,就给出了电磁波的结果,所以19世纪末的物理学家认为,从那时起,人们最终理解了光究竟是什么,即光是一种电磁波。

Professor Ajoy Ghatak

然而历史同样证明,电磁波的解释并不是对光的最终理解。伽塔克这本《光学》[2]开篇伊始,就以“光是什么:简要发展史”作为引言,明确阐述了光的波粒二象性,即:光既是(电磁)波,也是粒子,光子。对光作为粒子的认识,实际上是量子力学的发端。从1900年普朗克在对黑体辐射公式的修正中引入辐射能量分份(量子化)的概念,到1905年爱因斯坦用粒子模型解释光电效应,经典量子论开始了它的艰难征程,直至20世纪30—40年代量子力学的建立。时至今日,量子力学仍然在被认识、被发展的过程之中;就光子而言,它的纠缠现象也依然是谜一般的存在。正如费曼所说,如果一个人说他懂了量子力学,他一定是不懂量子力学。也正因为如此,与时俱进的伽塔克教授在他这本《光学》(第6版)中的第六部分“光子”中,增添了第26 章——“光子的量子性与光子纠缠”,以适应近年来急速发展的技术领域——基于光子纠缠的量子通信与量子计算。

不仅如此,光与狭义相对论也有非常深刻的关联,因为狭义相对论就起源于爱因斯坦对不同坐标系中光速是否变化的思考,而光速不变也正是狭义相对论两个基本假设之一。

伽塔克教授是印度科学院院士,因其在光学科学和工程教育方面的杰出贡献而获得2003年的Esther Hoffman Beller 奖;2020年美国光学学会联合韩国光学学会授予伽塔克教授Sang Soo Lee奖,以表彰他在光纤光学和导波光子学领域的开创性贡献。伽塔克教授在基础物理和光学工程方面均有建树。他的著作反映了他作为科学家和教育家所具有的基础与应用兼得的长处。全书在引言“光学史”和“光是什么:简要发展史”两章之后,分为八大部分,一、几何光学(共4 章);二、振动与波动(共6章);三、干涉(共5章);四、衍射(共4章);五、光的电磁特性(共3章);六、光子(共2章);七、激光与光纤光学(共4章);八、狭义相对论(共3章)。这样总共33章,另有9个数学工具方面的附录。这个内容,涵盖了从几何光学、物理光学,到光的本性的基本知识和许多最新进展,可以说是光学之集大成之作。

伽塔克教授的诸多著作

我个人觉得该书把干涉和衍射分别作为一大部分(第三部分和第四部分)独立阐述,非常具有价值。因为干涉和衍射是光学的两种最基本的现象,而许多学生从来没有弄明白其中的奥妙。在干涉部分,从作为基础的波的叠加,到光的相干性和傅里叶光谱学,由浅入深,从原理到应用,周到而全面。在衍射部分,从夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射,再到全息术,把衍射原理和应用介绍得非常透彻。

该书的第五六部和第六部分分别介绍了光的电磁物性和光子论。电磁特性从现象(偏振与双折射)到麦克斯韦电磁波理论及其物理意义,再从电磁波的观点分析反射和折射,给与几何光学以物理解释。而光子的部分,则从辐射的粒子性和光子的量子性,延伸到光子纠缠以及光镊效应等新现象、新技术。第七部分的激光和光纤光学则是20世纪后半叶光学理论和技术应用的重大进展,值得浓墨重彩地予以描述。而光纤光学也正是译者张晓光教授[3]的专长之一。最后一部分的狭义相对论,介绍了狭义相对论的基本内容:洛伦兹变换;时间膨胀和长度收缩;以及质能关系。这对于光学的研究者也是必要的知识。

评价一本教科书,最重要的是科学性、实用性和时代感。科学性中最重要的是正确而严谨。许多教科书错误百出。我本人在美国最好的本科大学之一达特茅斯学院讲授过“固体物理”,为此参考了十余种教科书,只发现Ashcroft &Mermin[4]那本没有错误。写过或翻译过书的人都知道,做到完全没有差错其实是很不容易的一件事。伽塔克教授这本书我没有细读,但我希望以他作为一位物理学家又是高技术专家的功底,这本书应该没有或极少错误。我这里主要想突出该书的实用性。一般而言,需要学习光学这门课程或相关知识的,一种是从事光学研究的,他们的实验室里摆放着布满光学仪器和元器件的光学平台。这种工作需要对几何光学和物理光学有深入的了解。这本书对他们是非常合适的。另一种是研究物质的光学性质,特别是光谱学,例如原子分子光谱、凝聚态光谱、化学光谱、天文光谱等,本书也提供了足够的基础知识。最后是光学工程的从业人员,这本书对他们特别适用,因为从原理到应用,这本书可以说是应有尽有。

说到时代感,就是需要补充新的进展,特别是重大的变革。作为物理工作者,我本人近年来关注自旋电子学的发展,因此对圆偏振光作为电子自旋的注入源的技术经常接触。本书第25章第4节专门介绍“光子的角动量”,这一节对于偏振旋转算符及其本征态做了简要而正确的解释,对于任意偏振态的光子的角动量测量值的概率分布,也给出了明确的说法。遗憾的是,没有把光子角动量和电子自旋等关联起来,没有介绍两者交互作用的实验观察和实际应用。另外例如生物光学的某些先进领域,像光合作用、深紫外LED 杀病毒(包括LED 的发展,2014年的诺贝尔奖等)等,似乎也可以涉及。在光子纠缠方面,书中第26章第10 节对EPR 佯谬与贝尔不等式做了简单分析。这里不但给出了相关的实验过程,也介绍了爱因斯坦定域论的观点和隐变量理论,最后以简单的量子力学计算否定了贝尔不等式,亦即否定了爱因斯坦的定域论、肯定了量子力学的正确性。这一节简明扼要,对从事光学实验工作者及一般对物理有基本了解的读者都很有帮助。

伽塔克教授与张晓光教授

产生纠缠光子对的演示图

总的来讲,伽塔克教授这本《光学》,内容翔实,科学性、实用性和时代感都令人折服,译文也非常流畅,因此值得大力推介。可惜的是没有附上索引,对认真的读者会有少许不便。