从诺贝尔物理学奖看光学的发展.pdf

第 2 5卷第 5期 2 0 0 6年 5 月 大学物理 C 0L L EGE P HYS I CS Vl0 1 2 5 No 5 M a v 2 0 06 从诺 贝尔物理学奖看光 学的发展 李 多 杨 婷 刘 大禾 北京师范大学 物理系 北京 1 0 0 8 7 5 摘要 从一个新 的角 度分 析 讨论 了光学的发展过程 并对 光学 今后 的发展做 了展望 关键 词 诺贝尔奖 光学 相干性 量子性 非线性 中图分类号 0 4 0 9 0 4 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 0 7 1 2 2 0 0 6 0 5 0 0 4 2 0 6 自诺贝尔物理学奖 1 9 0 1 年首次颁发以来 一直 受到物理学工作者的极大重视 同时 对诺贝尔物理 学奖的研究也成为许多人感兴趣 的领域 其中 有些 研究工作属于编年史研究 有些研究侧重于分析诺 贝尔奖获奖者的年龄结构 国籍或研究领域 也有一 些研究注重介绍获奖者 的贡献 等等 这些工作对物 理学 史 的研究 和发 展起 到 了重要 的作 用 然而 纵 观 已有 的研 究我 们发 现 迄 今 为止 还很 少有 人从 物理 学某个分支学科 的角度对诺贝尔奖的历史进行分析 和讨论 光学是一门既古老又年轻 的学科 是物理学 中 一 个重要的分支 通过分析 1 0 0多年来 的诺 贝尔物 理学奖我们发现 与光学直接或间接相关 的获奖成 果有 4 0多项 这些获奖的光学研究工作对于物理学 的发展起到了非常重要 的作用 特别值得一提的是 无论是相对论还是量子力学 的建立 都与光学 的发 展密切相关 例如 相对论的基本假定之一就是光速 不变原理 而量子力学的建立则是从对黑体辐射 普 朗克 氢原子的光谱结构 玻尔 以及光电效应 爱 因斯坦 的讨论 开 始 的 本文将在分析 1 0 0多年来的诺贝尔物理学奖的 基础上 从一个新的角度探讨物 理学 中的一个 重要 领域 光学的发展过程 通过研究 我们将对光学 的发 展过 程有 新 的 认 识 并 对 今 后 光 学 的发 展 提 出 了一 些 新 的看法 1 百年诺 贝尔奖光学部分 1 0 0多年来 光学 的研究大多与光的相 干性 量 子性和非线性这三个 范畴有关 纵观与光 学相关 的 诺贝尔物理学奖可以发现 9 9 的获奖 工作集 中在 光 的相干性和量子性 其中 有关光的量子性 的研究 近 7 0 表 1列 出 了 诺 贝 尔 物 理 学 奖 中与 光 学 直 接或间接相关的获奖工作 获奖者姓名 获奖年份及 所属范畴 表中的内容 除第五列 范畴 外全部摘 自 诺贝尔奖委员会 的文件 读者可访 问以下 网址 h t t p n o b e l p r i z e o r g p h y s i c s l a u r e a t e s 表 1 百年诺贝尔物理学奖光 学部分 简表 获奖 时间 获奖者姓名 国籍 获奖原因 范畴 威廉 康拉德 伦琴 1 9 0 1 德国 因发 现伦琴射线而获奖 相 干性 Wi l h e lm C o n r a d R 6 n t g e n 亨德里克 安东 洛伦兹 荷兰 He n d r i k A n t o o n L o r e n t z 因研究磁场对辐射 现象 的影响所 1 9 0 2 量子性 取得 的成就 塞曼效应 而 获奖 皮埃 特 塞 曼 荷 兰 P i e t e r Z ma n 收稿 日期 2 0 0 5 1 1 2 4 修 回日期 2 0 0 6 一O 1 2 3 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 6 0 2 7 7 0 1 4 作者简介 李多 1 9 7 2 一 女 黑龙江伊春人 北京师范大学物理系讲师 在职博士生 主要从事普通物理教学工作 维普资讯 第 5 期 李 多 等 从诺贝尔物理学奖 看光 学的发展 4 3 续表 获奖时 间 获奖者姓名 国籍 获奖原 因 范畴 艾伯特 亚伯拉罕 迈克耳孙 美国 因发明迈克耳孙干涉仪及在 1 9 0 7 相干性 A l b e r t Ab r a h a m Mi c h e l s o n 生于普鲁士 光谱 学方面的工作而获奖 加布里埃尔 李普曼 法国 因发明用 干涉效应 使照相底 片重现 1 9 0 8 相干性 G a b r ie l L i p p ma n n 生于卢森 堡 彩色 的方法 而获奖 彩 色照相 威廉 维恩 I 9 1 1 德 国 因发现热辐射定律 而获奖 相干性 Wi l h e l m Wi e n 尼尔斯 古斯塔夫 达伦 因发 明灯塔 和浮标 照明用 的气体 1 9 1 2 瑞典 Ni l s Gu s t a f D a l6 n 存储器和 自动调节器而获奖 马克斯 瑟奥多 冯 劳厄 因发 现 x射线在晶体中的 1 9 1 4 德 国 相干性 Ma x Th e o c lo r V o n L a u e 衍射而获奖 威廉 亨利 布拉格 英 国 Wi l l ia m He n r y B r a g g 因在用 x射线分析 晶体结构 1 9 1 5 相干性 方 面做出的贡献而获奖 威廉 劳伦斯 布拉格 英国 Wi l l i a m L a wr e n c e B r a g g 查尔斯 格洛弗 巴克拉 1 9 1 7 英国 因发现 x射线标识谱而获奖 相干性 C h a r l e s Glo v e r B a r k l a 马克斯 普朗克 1 9 1 8 德 国 发现能量子 量子性 Ma x P la n c k 约翰尼斯 斯塔克 因发现极隧射线的多普勒效应及 电场 1 9 1 9 德 国 量子性 J o h a n n e s S t a r k 中谱线的分裂 斯塔克效应 而获奖 阿尔伯特 爱 因斯 坦 因对理论物理学所做的贡献 特别是 1 9 2 1 德 国 量子性 A i b e r t E i n s t e i n 因发现了光电效应定律而获奖 尼尔斯 玻 尔 因在原子结构和原子辐射方 1 9 2 2 丹麦 量子性 Ni e ls B o h r 面做出的贡献而获奖 罗伯 特 安德鲁斯 密立根 因关于基本电荷及 光电效应 1 9 2 3 美国 量子性 R o b e r t A n d r e ws Mi l l ik a n 的研究 工作 而获奖 卡尔 曼 内 乔奇 西格班 因关于 x射线谱方面的发现 1 9 2 4 瑞典 相干性 K a r l Ma n n e Ge o r g S ie g b a h n 和研究而获奖 阿瑟 霍利 康普顿 因发现 以他 的名字命名 的康 1 9 2 7 美国 量子性 Ar t h u r H o ll y C o mp t o n 普顿效应而获奖 路易斯 维克多 德布罗意 1 9 2 9 法 国 因发现电子的波动性而获奖 量子性 L o u i s V i c t o r De B r o g l i e 钱德拉西卡拉 文卡塔 拉 曼 因研究光散射和发现以他的 1 9 3 0 印度 量子性 Ch a n d r a s e k h a r a V e n k a t a R a n n 名字命 名的拉曼效应而获奖 维克托 弗 朗兹 赫斯 1 9 3 6 奥地利 因发现宇宙射线 而获奖 量子性 Vi c t o r F r a n z He s s 克林顿 约瑟夫 戴维森 美国 Cl in t o n J o s e p h D a v i s s o n 因在 实验中发现电子在晶格 相干性 1 9 3 7 上的衍射 而获奖 量子性 乔治 帕基特 汤姆孙 英国 Ge o r g e P a g e t T h o ms o n 维普资讯 大学物理 第 2 5卷 续 表 获奖 时间 获奖 者姓名 国籍 获奖原 因 范畴 艾西 多 艾 萨亚 克 拉 比 1 9 4 4 美国 因发明核磁共振方法而获奖 量子性 1 s i d o r I s a a c Ra b i 塞西尔 弗 朗克 鲍威尔 因对用于核过程研究的照相法的发展 1 9 5 0 英 国 量子性 C e c i l F r a n k P o we l1 和介子的发现所做的杰出贡献而获奖 弗里兹 泽尼克 因发现相衬法 特 别是发明 1 9 5 3 荷兰 相 干性 F r i t s Z e r n i k e 相衬显微镜而获奖 威利斯 尤金 兰姆 因发现氢 原子光谱的精 细结 1 9 5 5 美国 量子性 Wi l l i s E u g e n e L a mb 构 而获奖 鲁道 夫 路德维格 穆斯堡 尔 因在 射线的原子核共振吸收方面 1 9 6 1 德 国 量子性 R u d o l f L u d w i g M6 s s b a u e r 的研究及发现穆斯堡尔效应而获奖 查尔斯 哈德 汤斯 美 国 C h a r l e s H a r d T o wn es 因在量子电子学领域的基础 尼古拉 根纳季耶维奇 巴索夫 前苏联 研 究导致 了根 据微波激 射和 量子性 1 9 6 4 N i k 0 l a i Ge n n a d i e v i c h sov 激 光的原理 制成振荡器 和放 相干性 大器的杰出工作而获奖 亚历 山大 米哈伊洛维奇 普罗霍罗夫 前苏联 Al e x a n d e r Mi k h a i lo v i c h P r o c h o r o v 阿尔弗雷德 卡斯特勒 因发现和发展 了研究原子 中 1 9 6 6 法 国 量子性 Alf r e d Ka s t l e r 电磁共振的光学方法而获奖 丹尼斯 伽博 1 9 7 1 英 国 因发现和发展全息方法而获奖 相干性 D e n n i s G a b o r 马丁 赖尔 由于在射电天文学研究出 孔 英国 相干性 Ma r t i n Ry le 径综合 技术 而获奖 1 9 7 4 安东尼 赫威斯 英国 由于发现脉冲 星而获奖 A n t o n y He wi s h 阿诺 阿伦 彭齐亚斯 美国 A1T IO A l l a n P e n z i a s 因共 同发现宇宙微波背景辐 1 9 7 8 射而获奖 罗伯特 伍德罗 威尔逊 美 国 R o b e r t Wo o d r o w Wi l s o n 凯 西格班 因在发展高分辨电子谱方面 1 9 8 1 瑞典 量 子性 Ka i S i e g b a h n 做出杰出贡献而获奖 阿瑟 肖洛 美国 Ar t h u r S c h o wl o w 因在发展激 光光谱 学方面做 1 9 8 1 非线性 尼克勒斯 布隆姆伯根 出杰出贡献而获奖 美国 Ni c o l a a s B lo e mb e r g e n 维普资讯 第 5 期 李 多等 从诺 贝尔物理 学奖看光学的发展 4 5 续 表 获奖时间 获奖者姓名 国籍 获奖原因 范畴 恩斯特 鲁斯卡 因在电子光学方面的基础工作及 1 9 8 6 德国 量 子性 E r n s t R u s k a 研制第 一台电子显微镜而获奖 格尔 德 宾尼希 德 国 G e r d B i n n i n g 因共 同研制成 扫描 隧穿 效应 1 9 8 6 量子性 显微镜 而获 奖 海 因里希 罗雷尔 瑞士 He in r i c h R o h r e r 诺曼 弗 拉姆 齐 因发 明了分离振荡场方法及用之 于 1 9 8 9 美 国 量子性 No r ma n F R a r n s e y 氢微波激射器及铯原子钟而获奖 伯特伦 N 布罗克豪斯 加拿大 因对中子散射谱学的贡献而获奖 量子性 B e r t r a m N R o c k h o u s e 1 9 9 4 克利福德 G 沙尔 美 国 因对 中子衍射技术 的发展 做出的 量子性 C l i f f o r d G S h u l 1 贡献 而获奖 朱棣文 美 国 S t e v e n C h u 克劳德 科恩 一阿努齐 因发展 了激光冷却和 囚禁原子 1 9 9 7 法 国 量子性 Cla u d e C o h e n Ta n n o u d j i 的方法而获奖 威廉 D 菲利普斯 美 国 Wi l l i a m D P h i l l i p s 科纳尔 Cor n e l 1 美国 因玻 色爱因斯 坦凝 聚的实验 2 0 0 1 凯特纳 Ke t t e r l e 美国 量子性 观察 而获奖 威依迈 Wi e ma n 美国 戈劳贝尔 Gl a u b e r 美国 因相干性 的量 子理论 而获奖 2 0 0 5 霍尔 Ha l 1 美国 相干性 因精细激光光谱技术 而获奖 量子性 汉斯 H i n s c h 德 国 2 0 0 5年的诺贝尔物理学奖刚刚公布 获奖者的 贡献是在光学领域 的 其研究 的范畴仍属于相干性 和量 子性 2诺贝尔奖与光学 的发展 从上述诺 贝尔物理奖光学部分 简表 中可 以看 出 1 9世纪以来 光学的发展有以下几方面的特点 1 有关 相干性 的研究 工作发展较 早 获奖较 少 基础 性强 从 1 7世纪起 人们逐步认识 到光的波动性 相 干性 到 1 9世纪 初 研究 者们 已经 发现 了光 的干 涉 衍射 偏振等现象 确证 了光是 电磁波 到了 1 9 世纪中后期 麦克斯韦建立起 了完整的电磁理论 人 们对光的相干性 已经有了相 当深刻的认识 初步 的 波动光学体系己经形成 许多基本 的理论 和实验方 面的问题都已解决 但 由于有关相干性的研究很大 一 部分是在 2 0世纪之前完成的 那时还没有设立诺 贝 尔奖 因此 诺 贝尔 奖 中因光 的相 干性 研 究而 获奖 的数 目较少 2 0 世纪初 诺贝尔奖 刚刚设 立 第一 项得奖 的 工作就是关 于 x射线 的发现 由此 也可 以看 出 光 学研究在诺贝尔奖 中占有重要的地位 此后仍有几 次获奖是有关 x射线的工作 如关 于晶体的 x射线 衍射 1 9 1 4 1 9 1 5 以及 x射线衍射标识谱 1 9 1 7 的 研究 因就其本质来说 这些工作更接近光的相干性 范畴 这正是我们将有关 X射线的获奖工作归入光 的相 干性 的基本 考虑 此后 有 关 相干性 方 面 的研究 继 续发展 有不 少 工作获得 了诺贝尔物理学 奖 其 中最具代表性的工 作就是相衬理论的提 出 泽尼克 1 9 5 3年获奖 以 维普资讯 4 6 大学物理 第 2 5卷 及全息术的发明 伽博 1 9 7 1年获奖 这些 获奖的 工 作大 多是 应用 型 的 而 全 息术 也 是 迄 今 为 止 诺 贝 尔物 理学 奖 中最后 一 次 因光 的纯相 干性 工作 而获 奖 的项 目 2 0世纪下半 叶 随着激光 的出现 人们对相 干 性 的认 识又 有 了进一 步 的深 化 同时 光 的相 干性 与 量子性 的研究有了密切 的结合 例如 在 2 0 0 5年的 诺贝尔物理奖中 无论是相干性的量子理论 还是精 细激光光谱技术 都是相 干性与量子性密切结合 的 典 范 2 有 关 光 的量 子 性 的 研 究 发 展 迅 速 获 奖 较 多 理论 和 实践 并行 随着 科 学 的发 展 人 类 对 光 的本 性 的认识 也 在 逐 步 深 入 1 9世 纪 末 到 2 0世 纪 初 人 们 对 黑 体 辐 射 原子的离散光谱结构以及光电效应的困惑 使经 典物理学遇到了严重的挑战 为 了解 决上 述问 题 2 0世 纪 前 期 的物理 学 有 了 极大 的 发 展 维 恩 发 现 了 热 辐 射 规 律 1 9 1 1年 获 奖 普 朗克提出了黑 体辐射 的量子理论 成功地解 释 了黑 体辐 射 问题 1 9 0 0年提 出 1 9 1 8年获 奖 爱 因斯坦 提 出 了光 量 子 理 论 圆满 地 解 释 了光 电 效应 1 9 0 5年 提 出 1 9 2 1年 获奖 玻 尔 在 原子 结 构 和 原 子辐射 方面 所做 的研究 解 释 了原子 的离 散光谱 1 9 2 2年获奖 康普顿发现了以其名字命名的康普 顿效应 1 9 2 2年 发 现 1 9 2 7年 获 奖 德 布 罗 意创 立 了物 质 波学 说 1 9 2 4年提 出 1 9 2 7年 获奖 这 些 工 作成为推动量子力学建立的直接 因素 这段历史也 表明 量子力学的建立 同光与物质 的相互作用 的研 究 密不 可分 而 这也 正是 光 的量 子 性 研究 的核 心 内 容 最 终 光 的粒 子性 以及 实 物粒 子波 动性 的提 出 使人们认识到光具有波粒二象性 这段时期 随着对 波动性 即相干性 认识的不断完善 人们对光 的量 子性 表现 出越 来越 大 的兴 趣 有关 光 的量 子 性 的理 论促 进 了相应 的实 验 和应用 的发展 如 1 9 3 6 1 9 3 7 1 9 4 4 1 9 5 5 1 9 8 1和 1 9 8 6年的获奖工作均是与实际 的仪器或应用有关的 其 中 有关微观粒子的光谱或 能谱等方面的研究 占了很大 的比例 而 2 0世纪末期 的 激光冷却 是另一项颇具代表性的工作 朱棣文 T a n o u i Wi l l i a ms 1 9 9 7年获奖 激光冷却 在光 与 物质的相互作用 中 充分利用 了光的量子性 光子与 被 冷却 粒子 所构 成 系统 的动 量守恒 而 同时又 巧妙 地利用了光的相干性 例如 在 S y s i p h u s C o o l i n g中 利用两束相反方 向传播的圆偏振光的相干叠加来获 得光学周期势 而且 激 光冷却技术 的发明直接导 致 了玻 色 一爱 因斯 坦凝 聚这 一著 名 理论 论 断 的实验 验 证 2 0 0 1年 获奖 这 成 为 2 0世 纪 末 物 理 学 的重 大 突破 之一 总的来说 对光的量子性的研究使人们对光的 本性 的认 识 产生 了质 的 飞跃 同时还 可 以看 出 相 干 性是 量子 性 的重 要 基 础 量 子 性 是 人 们 对 光 的 本 质 在更高层次上的认识 是光学发展 的必然结果 3 有关 光 的非 线性 的研 究 处 于发 展 时 期 尚未 成熟 但有获奖潜力 非线性 科 学本 身 是整个 物 理学 中的一 个极 为重 要 的部分 非线性是物质世界中普遍存在的现象 非 线性光学是现代光学中的重要部分 然而 在有关光 学的诺贝尔奖 中属于非线性研究的工作却是凤毛磷 角 只 有 S h a o l o w 和 B l o mb e r g e n于 1 9 8 0年 的 获 奖 工作与此有关 这从某种程度上反映 了有关光的非 线 性 的研 究 是 光 学 研 究 领 域 中 发 展 较 晚 的一 个 分 支 目前还处于发展的时期 尚未达到高峰 然 而 非 线 性 光学 研 究 并 不 应 因 为 它获 奖 少 而 受到忽视 1 9 6 0年 第一 台激光 器的问世开拓 了光 学研究的新领域 1 9 6 1年 F r a n k e n在使用该激光 器 照射石英晶体时发现了倍频现象 此后不久 研究者 们又 陆续 发现 了受激 拉曼 散 射 受 激 布 里 渊散 射 效 应 以及光的 自聚焦等现象 这些线性光学无法解释 的现 象逐 渐受 到 了研究 者 的重视 近年 来 光 学混 频 及相位共轭等非线性效应 无论是 在基础研究还是 在应用研究中都发挥了极为重要的作用 几 十年 来 有 关 光 的 非线 性 现 象 的研究 逐 渐 广 泛 深入地开展起来 例如 在 自聚焦 相位共轭 多 波混频 光学参量放大及光学双稳态等方面 都已形 成一定的理论 有相当出色 的工作产生 特别是 2 0 世纪 9 0年代以来 非线性光学的研究开始进入飞秒 区域 光通信领域等方面 并发挥 着重要 作用 值得 注意的是 非线性光学研究 中的绝大部分工作都是 与相位匹配这一相干性中的基本问题紧密相联 的 我们相信 作为光学研究 的主要领域之一 在不 久 的将来 一 定会 有 一 批 关 于 光 的 非 线 性 的 相 关 研 究工作获得诺贝尔物理学奖 成为光学发展的新的 里程碑 非线性光学 的研究使人们更加深刻地认识 到光学现象的丰富性 和复杂性 而对非线性 的研究 必然 要涉 及相 当多 的相干性 和量 子性基 础 综上所述 对光 的相干性 的研究促使人类 开始 认识光的本性 是近代光学发展的起点 同时 相干 性 又是 研究 光 的量 子性 和非 线性 的重要 基础 维普资讯 第 5期 李 多等 从诺 贝尔物理学奖看光学 的发 展 4 7 4 激光在光学研究 中起着重要作用 光学与其 他学科紧密结合 相互促进 共同发展 在分别讨论了诺贝尔奖与三个研究领域 的发展 之后 我们还可以从另一个角度来进行讨论 从以上 分析 中可以看出 近半个世纪以来 激光在上述三个 领域 中都起 着 至关 重 要 的作 用 激 光 作 为 一 种 新 型 光源 不仅具有亮度高 单色性好 方向性强等特点 而且 激光本 身 就 是相 干性 量 子性 和非 线 性 的 集 大 成者 激光器是一个非平衡 非线性的系统 其辐射 具有极 好 的相 干性 而 有关 激光 的很 多 现 象 都 需 要 用全 量子 理论 给予 解释 激 光 的出现 给全 息光 学 量 子光学 非线性光学 激光光谱学等领域的研究带来 了 深 远 的 影 响 在 第 一 台 激 光 器 问 世 后 仅 4年 T o wn s B a s s o v P u o k c h l o v由于 在 激 光 方 面 的 贡 献 于 1 9 6 4年 获得 诺 贝尔物 理学 奖 这是 全部 诺 贝尔物 理学奖 中 获奖 时 间 与所 出成 果 的 时 间 相 隔最 短 的 一 次 同时 从表 1中我们还可以看 出 2 0世纪以来 光学 的发展与物理学 中其他学科有着密切 的联系 如 1 9 1 4 1 9 1 5和 1 9 6 1年 的获 奖工 作 不 仅 与 光学 有 关 而且与固体物理有着密切的关系 1 9 7 4和 1 9 7 8 年 的获 奖工作 均 与天 文学 有关 近年来 光学 与凝 聚 态物理的交叉与融合已成 为一个发展的趋势 有关 光子 晶体 的研 究 就是 这 种 趋 势 的一 个 极 好 伪证 另 外 激光对如统计物理 核物理的发展 都起着重要 的作用 甚至对化学 生命科学与医学都有重要的影 响 此外 2 0世纪 6 0年代 以来 特别是激光 问世之 后 光学还与其他科学技术紧密结合 相互渗透 如 全息技术 已经在显微技术 信息存储 信 息编码 红 外全息 等 方 面得 到 了 广泛 应 用 在 集 成 电路 的 启 示 下 材料科学 电子技术和光学 融合发展 形成 了集 成光学这一边缘学科 在光通讯 信息处理等方 面起 到了很大的作用 光子晶体以及量子信息的研究和 发展将给信息技 术开辟一个崭新 的天地 随着激光 技术的发展 飞秒激光器的出现为超快过程 高 阶非 线性效应的研究提供了有效的研究手段 总之 自激光问世以来 光学与其他学科