未來論壇2016：量子力學和激光促成信息革命

未來論壇2016年會今日召開，下午的論壇的第一個主題是愛因斯坦之光電效應，一個世紀的認知與創新。斯坦福大學物理講習教授，美國國家科學院院士沈志勛先生參會並做了主題演講。　　沈志勛首先回顧了狹義相對論和廣義相對論，並針對當下物理學的幾大研究領域談了自己的看法。在他看來，物理學有幾個大的極限，一個極限是非常大尺度的，像宇宙這樣的東西。另外一個極限是宇宙當中最基本的粒子，還有一個極限是把很多東西放在一起所展現出來特殊的效果。　　他還談到了光纖通訊的重要性，互聯網把世界連在一起，但如果沒有光纖通訊，這一切將不會存在。　　以下為沈志勛的演講全文：　　謝謝大家給這樣一個機會跟大家交流，我們今天在這裡是回顧愛因斯坦1905年和1915年的狹義相對論和廣義相對論，1905和1917年愛因斯坦發表了兩篇非常重要的工作，就是人們對光的認識提高了一個新的高度。我想今天給大家介紹一下這件事。　　物理學有幾個大的極限，物理學的一個極限是非常大尺度的，像宇宙這樣的東西。物理學另外一個極限是宇宙當中最基本的粒子，物理學還有一個極限是把很多東西放在一起所展現出來特殊的效果。這個是集體的效應，超導，就是這麼一個現象。　　物理學還有一個領域是光，大家知道光的速度非常快，速度的上限。人類對光的認知是有非常久遠的歷史，光是人類認知世界一個最重要的手段之一。從遠古，幾乎所有的文明都在猜測光，古希臘對於光的本質有過很多很多的猜想。但是光作為一個科學，光的本質的認識，大概在五百年以前，是牛頓在(蓋森地音)的基礎上發展的，認為光是一種粒子，有折射和反射，大家在中學或者是大學物理裡面所謂學到的牛頓光學或者是幾何光學。　　但是過了一個世紀以後有這麼一個重要的試驗，在托馬斯楊做了這麼一個非常重要光的試驗，所以顛覆了牛頓的光的粒子論。這個試驗是怎麼樣的呢？作為一個先讓光通過一個縫，在縫隙的板後面再加了一個雙縫，如果說光是一個粒子的話，直接打過去，就不一定能夠過去。但是如果光是光波的話就可以繞過去，而且通過兩個縫繞過去以後，會形成一個條紋，這就是托馬斯做的試驗的一張照片，看到一條一條的條文。這個試驗毫無疑義的光建立一個波，又了五十年，電磁的建立，在法拉第的基礎上(賣力維音)建立的邁斯方程，從一個最基本的電磁學的數據中，我們可以得到光的和電磁波的速度測出來是一樣的，這是為什麼我們第一次感覺到了光是電磁波的一種。　　今天大家知道電磁波有非常廣的，從廣播，從我們微信的微波，一直到X光都是電磁波的不同波段，可見光是當中非常少的一段。由於這幾個試驗和脈磁理論的建議，大家基本上認為光作為電磁波是毫無異議的。到了1902年，飛利浦在赫茲驗基礎上做了一個這樣的試驗，把光在真空光裡面打入光以後打入電子，用一個非常簡單的(英文)來測出光的能量，驚奇的發現光的能量和光的強度是毫無關係的，而且跟他的頻率有關。這個試驗結果是沒有辦法用光的光波性質來解釋的，那個時候我們不知道物質有波力二向性，這是物理學希望裡面一個非常大的問題！就是光電效應。　　1905年，也就是同一年，愛因斯坦還在這個瑞士專利局做小職員的時候，除了寫了一篇著名的狹義相對論以外也寫了一篇光電效應，第一次提出來光是一個粒子，就是光的亮子這樣一個概念。愛因斯坦的這個概念可能是他所有的工作中最有爭議的一個工作之一，自己在晚年當中，因為大家對光作為一個光波的概念的深入是已經接受得這麼深入，重新提出來作為一個粒子，實際上對愛因斯坦在當時的聲譽影響非常大。所以在八年之後，也就是說愛因斯坦這篇文章是1905年，在1913年，弗蘭克因為擔心愛因斯坦由於光電效應影響他的聲譽，選不上布魯茲科學院的院士，今天我們回過頭來看愛因斯坦選不上院士是非常可笑的一件事，所以愛因斯坦對近代物理所有的問題都做出了貢獻，在思考上的偶然事務，比如說光的量子論是可以原諒的，因為在最嚴謹的科學中提出嶄新的概念也是可以帶來風險的。為什麼科學史上這麼重要，還是有兩點，第一個是弗蘭克第一次提出了量子力學的概念，另外他也是愛因斯坦的伯樂，他第一次發現了年輕的愛因斯坦，並且提攜了他，可以想一下這封信在弗蘭克，都不相信光的量子論，可以想見這個爭議這多麼大，愛因斯坦是正確的，1961年授予愛因斯坦諾貝爾獎金的時候，他對理論物理的貢獻，尤其是對光電效應的原理解釋獲得了諾貝爾獎品。　　等於人類對光的認知中提高了一個更高的高度，當然到了1921年對光的二向性是完全接受了那個時候。並不是一個像早期的時候，覺得只是在牛頓的基礎上，回到牛頓，而是在更高層次上。　　光的量子認知，剛剛講1905年狹義相對論，1915年廣義相對論，這是1905年愛因斯坦提出光電效應，光的量子，1917年這是一篇著名的文章，就是所謂的受激輻射，他說如果我把光子打到一個材料裡面可以引誘出很多的光子的發射，而且這些所有的其他的光子發射的工作是完全一致的，有一個協同的效應。這就是今天所謂的激光，激光之所以跟一般的光不一樣，是因為激光當中的每一個光子都是互相協作的，這就是物理上所說的相當性，這是1917年，為後來的激光的發現奠定了理論的基礎。　　所以，人類對光電的認識認知改變了我們的生活，我們今天講到了很多的互聯網，世界連在一起，如果沒有光纖通訊，我想是很難做到的。將來有一天看到很多的科研是量子信息，或者是說量子計算，將來有一天也許光在這裡給我們帶來了下一步。　　而今天我們可以享受由太陽能、光的量子給我們的清潔能源。走向未來是不是哪一天可以用激光作為科研來研究核聚變的一個最重要的手段之一，是不是真正的能夠在地球上找出可控的人造太陽，大家都知道我們人類的能量都是從太陽來的，太陽就是一個核聚變的一個過程。　　激光製造，光電量子的概念。左邊這張圖是半導體的一些測試，右邊是激光切割。我想激光在製造業變得越來越重要。　　還有就是激光醫療，激光再醫療上用得越來越多一個常見的一種手術，就是近視眼的修正這些都是用激光做的。激光還在照明和娛樂，你看今天這樣一個光場，如果沒有現代光學，也是不可能的。這就講到了這些是LED的照明這些。　　那麼，將來我想我們也許並不一定知道具體哪一天的時間，但是我很多人會相信在不遠的將來，這個虛擬世界，這件事會越來越多。那麼我們可以產生一個超越時空的這樣一個人生經歷，我們講百年，今後的一百年非常有可能人類登上火星的，也許當人類登上火星那天，大家有可能是同時通過一個虛擬的過程，同時可以體驗我們人類走向宇宙跨出的歷史性的一步。　　不僅僅是應用的事情，人類對光的量子認知的話，也提供了非常重要的科學研究手段，由光電效應所衍生的廣電能譜，對物理學，尤其是凝聚態物理學、化學、材料科學都有深刻的影響，我們凝聚態物理學來作為一個例子的話。在所有的量子材料，光都起了非常重要的作用。　　比如說高溫超導和界面超導，比如說半導體，比如說拓撲材料，比如說奇異的碳材料，碳60等等，比如說電和密度波，機制材料，還有稀土，這幾乎包括凝聚在物理量子材料的幾乎所有的題目。光電效應所衍生的光電能譜提供了最核心的信息，拿我們自己的例子的話，光電能譜對高溫超導的對抗性產生了很大的影響。就是說我們在20幾年前就是用光電效應看出來高溫超導的對稱性和普通的超導不一樣，是一個低波配對的這樣一個對稱性的原理。過去十年，我們又可以用光電效應對高溫超導的電子相圖，這樣一個相圖是用其他的手段非常難做的。但是由於這樣一個電子能譜以後，你可以對這個材料有一個非常深刻的這樣一個了解。這個手段一來是可以做很多的事情，由於光電效應對理論和試驗都有非常高的要求，所以也是一個培養人才和訓練人的一個非常好的手段，從我自己的體會中看我自己過去這二十年帶的學生的話，回過頭來看，現在雖然受了訓練，是在光電效應，但是他們走的領域，後來做的工作，都是非常廣闊的，這是我自己帶的這些學生這幾十年做的一些工作。　　如果我再回過頭來看，實際上他們做的這個領域的話，是非常的寬的。所以說這也是一個非常好的一個訓練的方法。　　所以我最後再回顧一下我們剛剛愛因斯坦做了非常多的，非常重要的工作。我們知道這個狹義相對論，廣義相對論，也幾乎是同時對人類的光的認知，也是1905年，1917年提出了這個深刻的，而且真正影響了人類文明的進程。那麼，回顧一下的話，就是說光電效應所衍生的對光的量子認知，將人類對光的認識提高到了一個嶄新的高度。為量子論的建立提供了一個重要的基石，光電效應，黑體輻射，這是量子力學建立最早期的基石，為現代的激光的發明奠定了理論的基礎。　　量子力學和激光催生了現代電子學和光學通訊，促成了信息革命，在一定意義上來說從根本上改變了人類的生活。今天，光的量子認知依然現代發現和創新的源泉，從基礎科學到先材料，新能源，從照明到娛樂，從光的同學到量子計算，從激光製造到光醫學，從穿息城鄉到虛擬世界，這依然是一個非常期待的領域，我們看到的是冰山一角，謝謝大家。
推薦閱讀：