光，你這個精靈_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-03-12 15:36
一光與人類
人類與光的關係最為親密。日出而作，日落而息。春光明媚精神爽，天氣陰沉情緒降，這是心理光學的情事。陽光普照大地，給人間送來光和熱，催化了地球上的萬物生靈。也許反過來説更為合理，唯有適應了陽光的生物，才能得以存活、生長、繁衍和進化，可謂適光者昌，抗光者亡。
“倘若不是我們的眼睛像太陽，誰還能欣賞光亮。”這是德國偉大詩人歌德的名句，詩人的浪漫得到了科學家的鑑賞，蘇聯科學院院長瓦維洛夫，在其名著《眼睛和太陽》一書的引論中，就選用這一詩句作為首語。的確如此，人眼的感光性能與陽光的光譜特性相當匹配。以下從多方面對此考察審視之。
（1）人眼所能感受到的可見光波段，其波長約在0.4～0.7μm 之間，波長小於0.4μm 的光或大於0.7μm 的光，成為不可見的紫外光或紅外光。而太陽輻射的本徵光譜是一連續譜，其波段很寬，從0.1～3.2μm，光譜曲線的峯值出現在約0.56μm（黃綠光），這正是人眼可見光波段的居中位置。經粗略估算，在可見光波段的太陽輻射能量佔有60%.換言之，波長範圍僅佔總波段約1/10的可見光，卻佔有了總輻射能的6/10，而被人眼接受。可見，人眼對陽光輻射能的利用率是很高的。
（2）假如人眼對太陽輻射的全光譜均可見，那將會出現怎樣的後果？借用光量子語言，短波長的紫外光，其頻率ν 甚高，相應的光量子能量E＝hν也甚大，它在生化作用方面多數情形下將破壞有機體，乃至殺害有機體，廣泛使用於醫院、飯館和儲藏室的紫外線滅菌燈，就是一個例證。況且，人眼球腔中的晶狀體，對波長短於0.4μm 的紫外線有很強的吸收，紫外線幾乎不能到達視網膜，這也體現了人體器官具有一種自我保護的功能.再看長波端的紅外光情況，根據熱輻射定律，凡温度T 不為零的物體均有輻射本領，而向四周輻射光波；體温37℃相當於絕對温度T＝310K，相應的人體熱輻射的光譜曲線其峯值位置約在9～10μm，向左陡降到波長約5μm，向右緩降至30μm；倘若視網膜對如此一段廣闊的紅外波段的光均為可見，那整個眼球體就成為一個光球，甚至亮得宛如一個火球，周圍客體包括太陽都變得暗淡無光。這是一個令人可怕的景象，也完全違背了人類造就眼睛的初衷.對於波長在1～5μm 的近紅外光，無視覺反應的機制，至今尚不清楚，也許從光電效應和光化學效應的量子化特性入手分析，可能獲得一種合理的説明，即紅外光量子的能量較低，不足以產生與視覺相聯繫的光電子數.這是生理光學中可待進一步研究的課題。
（3）必須指出，到達地面的陽光，由於大氣層的吸收和散射，以及約30km 高度臭氧層對於0.29μm 紫外線的強烈吸收，其光譜特性有了顯著變化，它在0.45～0.65μm 波段的光譜曲線變得平直而趨於均勻，在兩側較長或較短的波長區域陡然下降.這不是一件好事，它不利於人們看清或識別客體（objects）。幸運的是，人眼對光的感受靈敏度隨波長而變，有一個所謂視見函數，其線型宛如墨西哥尖帽，在白天其峯值位置約為0.56μm，恰與陽光本徵光譜的峯值位置相近，也正是上述地面陽光光譜曲線的居中位置，峯值兩側視見函數值下降，直至為零，當波長小於約0.4μm 或大於約0.7μm 時視見函數的這種局域性和非均勻性有利於我們看清對象和識別物體。
在這裏不禁要問，何為看清物體？深究起來它有兩個基本含義或者説兩個基本指標：一是看清楚對象內部的細節；二是識別對象與周圍客體的差異，以顯示出對象的邊緣輪廓.前者是視覺的空間分辨率問題，人類為追求高分辨率而不斷進取，已持續努力了約300年，2014年諾貝爾化學獎授予單分子顯微鏡的發明者.後者是圖像識別問題，要識別就必須有差別或襯比（contrast），或憑藉亮度的差別即亮襯，或憑藉色度的差別即色襯.人眼的色視覺，紅橙黃綠青藍紫，提供了色度襯比，而視見函數的非均勻性，提供了亮度襯比，兩者共同作用使人們識別圖像的本領得以極大提高。你看藍天白雲，朵朵婀娜，千姿百態，其邊界形貌十分清晰，此乃其有高色襯和高亮襯之故。
（4）頗有意思的一個事實是，白晝人眼視見函數曲線，幾乎與綠色植物所反射和散射的陽光光譜曲線相重合，後者也呈墨西哥尖帽狀，兩者峯值均在0.56μm（黃綠色）位置。自然，這種一致性對於生活在植物地帶，並以植物為主要食料的動物是十分有利的，人類的祖先就是這類動物之一種.因為這種一致性，使強光入射時的主觀亮度依然強，而使弱光入射時的主觀亮度變得更弱，從而提高了對叢林環境的識別能力，使這綠色世界包括植物、泥土、沼澤、河流和岩石更具層次感，也更容易識別出沒於森林中的其他動物，以保持警惕和保護自身。
（5）另一個相反的事實是，在弱光環境下，人眼視見函數有所變化，相比白晝，黃昏或夜間的視見函數曲線向短波紫端方向移動約有50nm，即其峯值位置約在0.51μm（青藍色）。這是否表明夜光的光譜曲線向短波方向移動了？事實上恰巧相反，與白天光譜相比較，夜晚光譜中長波成分增強了。除去可能出現的月光，夜光的來源有幾種成分，首先是宇宙中的星光，其次是大氣對陽光的散射光，它佔極小部分；再有天空本身的亮光，它佔相當大的部分，其主要貢獻者是大氣上層的氧和臭氧的熱輻射，它的主要光譜區靠近長波紅端。於是，對夜晚視見曲線藍移效應一種可能合理的解釋是，在弱光條件下，雖然長波紅光成分相對而言比較強，但終究它是弱光，而短波藍光部分則更弱，擬應通過視見函數的調整，使其視覺靈敏度得以提高；這樣夜間人眼對於夜空實際接受的光譜曲線就較為平直均勻，這相似於白天地面陽光的光譜線型，雖然它處於低水平，這可突現夜間物體的邊緣輪廓，有利於人們識別周圍物體，比如障礙物和危險動物之類。我們可以這樣認為，夜行者的當務之急是識別環境，大體看見周圍物體，並非苛求看清物體細節。
（6）小結。無疑，眼睛是人類最精巧最機靈的一個感覺器官，它具有多種視覺功能，而首當其要的是其光譜特性。綜上所述，眼睛的光譜特性，即其視見函數的局域性和非均勻性以及色效應，正是適應了陽光本徵光譜的特性，也更適應地面綠色世界散射光的光譜特性。可以説，這是漫長時期以來自然選擇、生物進化、生物自適應和自我保護的結果。從這個意義上看，陽光造就了眼睛，或者説，眼睛是光這個精靈物化於人體中的一個精靈。
當然，同在陽光沐浴下的其他動物，它們的眼睛結構和光譜特色卻與人眼有着顯著差異，這是為什麼？也許這是未來生物光學這門學科中一個頗有價值的研究專題。二光與信息
人類有5大感官系統.耳朵是聽覺器官用以獲取外部環境的聲音信息，鼻腔是嗅覺器官用以提取四周氛圍的氣味信息，舌頭是味覺器官用以獲取食物的味道信息，手腳也可以作為觸角器官用以感受對象的軟硬冷熱，而眼睛是視覺器官，用以獲取外部世界的光信息，這包括客體的明暗圖像信息和空間分佈信息，以及色彩色度信息.實驗表明，人眼對灰度的識別能力可達10階，而對色度的識別能力竟可達102級，即人眼具有十分敏感的色效應。我們的眼睛所接受的信息量是相當豐富和巨大的。來自信息科學的統計顯示，一個人對外部世界所感受的信息量，其中80%是通過眼睛進入的。
現代視覺理論，致力於探討體視覺、色視覺和運動視覺的深層內在機制，探討視覺細胞－視覺神經－大腦這一關聯繫統中的信息轉換、信息傳遞和信息處理的機制。從眼睛開啓的這一視覺系統，使人們具有十分高明的識別和判斷能力。比如，繁華路口車來車往，在沒有交通信號燈的情況下，你是怎樣做出正確判斷以使自己安全通過馬路的。經驗告訴人們，要一站二看三通過，即，停下來，左顧右盼，大約只需要3、4秒鐘時間，一個人就可以做出一個可靠判斷，是過還是不過.這個識別和判斷的任務，如果要讓計算機（電腦）來完成，據20世紀80年代美國總統的一位科學顧問估算，這在當時所需計算機數量之巨大，可以鋪滿整個加利福尼亞州。科學家們試圖從明瞭人眼視覺系統內在運行機制入手，為研製新一代計算機找到一個可行的途徑。這新一代計算機的運行模式，將根本區別於現代計算機遵循的專家路線的運行模式，它具有宛如人眼加人腦系統那樣的識別、判斷和推理的能力。簡言之，電腦的人腦化，從研究視覺內在機制開始。
光學，Optics，該單詞源於希臘文一句子詞頭的組合，其意為What is seen，可漢譯為“看見這檔事是咋回事”。毋庸置疑，光學這門學科起源於人類對視覺外在機制的思考，旨在如何擴展或增強視覺能力，以使自己看得遠看得清.放大鏡、顯微鏡和望遠鏡，被統稱為助視光學儀器，就是這個道理。
人類為增強自己看清物體細節的能力，至今已持續奮鬥了幾百年，不斷取得新進展；迄今為止，人類對宇宙結構及其演化的認知，幾乎全憑望遠鏡獲取的光信息，包括其圖像信息和光譜信息；迄今為止，人類對凝聚態物質結構、原子分子結構的認知，主要憑藉入射光與客體相互作用而傳遞出來的光信息，包括其光譜信息和衍射圖樣信息。對以上3個方面稍作如下詳述。
（1）顯微無止境。茲將300年來不斷進展的顯微技術列於表1.
（2）哈勃知多少。美國研製造價30億的哈勃望遠鏡，於1990年4月24日升天，運行於大氣層之上距地面610km 的軌道上，重量約11t。其任務是，探測宇宙深層結構及其演化、宇宙年齡及其空間範圍，特別關注宇宙膨脹速度，從而修正哈勃常數，並判定宇宙膨脹速度是變慢了還是變快了，這關係到宇宙生死歸宿.從最初幾年發回的信息，它已獲得若干舉世矚目的重大發現。比如，1995 年拍攝到的圖像中的一個物體，是迄今所發現的最遙遠的天體，距離100億光年，含有3000個星體；攝譜儀顯示了一顆超新星1987A 的物質成分，氧、氮和氫；紅外儀發現了一顆“皮斯托”星，它是迄今發現的最大的一個天體；在哈勃望遠鏡的紅外圖像中，海王星的光環卻很明亮，且雲層清晰可見；拍到一張γ射線大爆發的照片，這使人聯想到宇宙起源於這些令人費解的能量釋放；哈勃望遠鏡的觀測數據表明，宇宙膨脹速度實際上並沒減慢。
值得一提的是，上述100億光年的距離是怎樣測算出來的.其實，它還是由該天體的光譜信息所謂“紅移”效應而得到的：該天體的某一條特徵譜線λ0將向長波端移動了Δλ，根據多普勒效應頻移公式，由Δλ 值推算出該天體的遠離速度vr，再根據著名的哈勃定理vr＝H0r，由vr值最終推算出距離r，這裏H0正是哈勃常數。光，這個精靈，就這樣自由地遨遊於太空，以其每秒30萬km 的速度，將這遙遠星體100億年前的狀態傳送到地球，呈現於世人面前。
回溯400年前，17世紀初相繼發明的裏普希望遠鏡、伽利略望遠鏡和開普勒望遠鏡，開創了人類可清晰觀察天象的新紀元。作為首台太空望遠鏡，哈勃望遠鏡的出世是人類望遠鏡技術發展史上的一個巨大里程碑。與傳統望遠鏡相比較，太空望遠鏡獲取的關於宇宙星際的信息量空前巨大。它動態巡天，可觀測眾多天體；它多波段攝取同一星體的圖像信息，可見光圖像、紅外圖像乃至短波X 射線圖像和γ 射線圖像；它兼備光譜分析功能，用以瞭解星體的物質成分、正在發生的物理化學反應，以及星體遠離退行速度；它以其大口徑所具有的強聚光能力和高分辨率，可以探測遙遠10億光年至100億光年的星體，從而揭示宇宙深層結構及其演化。
自1990年以後，世界強國歐美和日本，均抓緊研製太空望遠鏡，並先後成功昇天.我國研製的一台“大天區多目標光纖光譜天文望遠鏡”，投資2.35億人民幣，經7年努力，已於2012年9月28日正式啓動巡天觀測，它被命名為郭守敬望遠鏡，英文名稱為LAMOST，坐落在國家天文台觀測基地河北興隆縣的山頭上，一個貌似導彈發射架的白色巨塔。它是目前世界上口徑最大的大視場光學望遠鏡，其球面主鏡的口徑面積6.67m×6.05m，其最顯要之處是在焦面上安插了有特定位置分佈的4000條光纖，連接16台光譜儀，故可同時觀測4000個天體的光譜.有望在5年時間中獲得超過500萬條高質量的恆星光譜數據，為科學家研究銀河系結構和運動以及銀河系形成和演化提供更加豐富可靠的依據，也看看它在探測銀河系的質量分佈特別在暗物質方面，是否可能有所貢獻。
除光學顯微鏡作為主要的星體探測器之外，人類在其他電磁波段的太空探測方面也有所建樹.近40年來諾貝爾物理學獎中，有5 次授予這方面的傑出貢獻者，其主要成就分別為：1974年，開拓射電天文學，發展孔徑綜合技術，發現脈衝星；1978年，發現宇宙微波背景輻射；2002 年，開拓天體物理學領域，發現宇宙中的X 射線源；2006年，發現宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性；2011 年，由觀測遙距超新星而發現宇宙在加速膨脹。
綜上所述，種種望遠鏡包括傳統望遠鏡、巡天望遠鏡和太空望遠鏡，一概依賴於光波或電磁波作為載波，將星際天體的圖像信息、光譜信息和空間分佈信息即宇宙結構信息，傳送到人間。真是不可想象，倘若沒有光波，人類對宇宙的認識仍將停留在怎樣的原始狀態。倒也不難想象，當下人們對所謂宇宙暗物質的認知，正是處於這種原始狀態.據天體物理學家的理論推算，這類暗物質佔宇宙總質量約30%，它們對外無輻射（電磁波）。因此，憑藉光波作為載波的一切探測手段，面對暗物質均告失靈。路在何方，一是試圖用一種實物探測器升空，直接捕獲暗物質；二是從理論乃至觀念上，探索與暗物質相聯繫的也許是一種非同尋常的“輻射”，研製相應的探測器。前者是現實主義的物理學，後者是浪漫主義的想象力.還有第三條途徑，是在粒子對撞機上試圖通過已知粒子的對撞，把預言中的暗物質粒子撞出來。
在試圖明瞭星際天體空間分佈及宇宙結構時，不能不考慮到存在一個“同時性假象”問題。須知，望遠鏡同時觀測到的眾多遙遠星體的圖像，乃是這些目標在不同時刻所呈現的狀態.雖然光速甚高，但光速畢竟有限.比如，某望遠鏡同時獲得距離分別為10^2光年、10^4光年和10^8光年等3顆恆星（A、B、C）的圖像包括其光譜圖，它們呈現的正是A 星10^2年前、B 星10^4年前和C 星10^8年前的狀態，這些非同時狀態的集合被認定為這些星體的空間分佈，顯然是不恰當的，除非這些星體狀態始終恆定不變。對於研究大尺度宇宙結構和演化而言，上述這個“同時性假象”問題是必須費心破解的。
（3）光譜明秋毫。概而論之，光譜分析指稱，通過光譜儀獲取物質的光譜圖，進而分析出物質的化學成分。若從1814年夫琅禾費發現太陽連續譜中，含有許多條離散的暗線起算，歷經200年，當今光譜技術已經成為檢測物質成分的必要手段，乃至成為窺測原子分子結構的首選手段。光譜儀已有多種類型，稜鏡光譜儀、光柵光譜儀和法布里－珀羅分光儀，還有一種誕生於1970’s的傅里葉變換光譜儀，它是區別於傳統色散型光譜儀的一種新型光譜儀。獲取的光譜圖也有多種類型，發射光譜、吸收光譜和拉曼散射光譜.1928年，印度人C.V.拉曼，首先在四氯化碳、苯、甲苯、水和其他多種氣體、蒸氣、液體和冰中，發現散射光的頻率有所變化，在入射光譜線兩側還出現了一對伴線，稱其為拉曼頻移效應；從拉曼頻移值中，可以獲得有關分子能級結構的知識，同時從測量技術上評價，它把與分子振動轉動能級相聯繫的紅外光譜的直接測量，巧妙地轉化為可見光波段的間接測量；1930年拉曼獲得諾貝爾物理學獎。1971年諾貝爾化學獎，授予著名光譜學家德國人G.赫茲堡，
光或電磁波攜帶物質結構信息的另外一種方式是衍射.光通過一維光柵（晶絲）或二維光柵（晶片）或三維光柵（晶體），將呈現一幅夫琅禾費衍射圖樣，其衍射斑的分佈與光柵結構的幾何特徵量直接相關，而且，衍射單元越微小，其衍射斑就越分散，因而越便於測量，這裏存在一個衍射反比律，及其藴含的衍射放大原理，這是衍射應用於微結構測量的理論基礎；當然，為了獲得一張有效的衍射圖，應當選擇光波長或電磁波長λ 要小於光柵常數d，即λ＜d，否則，當λ＞d，則衍射波將成為隱失波，僅存在於光柵附近的局域，它不能作為載波，將物質結構的信息傳送到遠場，供人們觀測。作為三維週期結構的晶體，其晶格常數d 約在0.1～1nm，而X 射線作為一種短波長的電磁波，其居中波長λ 在0.1nm，可見兩者（d，λ）搭配，用一束X 射線投射晶體可以獲得一幅晶體衍射圖，世稱勞厄斑（勞厄相）和德拜環（德拜相），通過對晶體衍射圖樣特徵的測量，可以反演而求出晶格週期、晶軸方向，乃至重構晶體點陣和空間結構。20世紀初的30年間，研究X 射線晶體衍射成為國際物理學界的一個大熱門，先後產生了4 位諾貝爾獎得主，德國 M.勞厄（1914年），英國W.L.布拉格和W.H.布拉格（1915年），荷蘭P.J.D 德拜（1936年），他們在這一領域開創性工作，催生了X 射線衍射學、X 射線形貌學和結構化學的建立.衍射手段一直是人類認知微結構的主要途徑.60 年前，憑藉X 射線衍射圖，確認了DNA 的雙螺旋結構，開創了分子生物學新時代；30年前，憑藉電子衍射圖，發現了一類準晶體，開拓了凝聚態物理學和材料科學研究的一片新天地。三結 語
綜上所述，從顯微鏡、望遠鏡、光譜圖和衍射圖所彰顯的光與信息的關係中，我們充分認可光，這個精靈，像孫悟空神通廣大本領高超，迄今為止唯有光，可在宇觀世界、宏觀世界和微觀世界中，自由穿越左右逢源，給人類帶來無限豐富的信息。正如著名光學專家、1907年諾貝爾物理學獎得主A. A. 邁克耳孫所言，“光是人類探測無限大和無限小最得力的工具。”
與精靈共舞，與天使對話，人類在未來必將發現光的更多奇異性，必將開拓出光的更多神奇應用，像如今電子計算機、激光、互聯網和LED 等這般風光那樣，足以深刻影響人類生活，乃至社會進步。
參考文獻：
［1］瓦維洛夫.眼睛和太陽［M］.湯定元，譯.北京：科學出版社，1956.
［2］鍾錫華，現代光學基礎［M］.2版.北京：北京大學出版社，2012.
本文經授權轉載自微信公眾號“物理與工程”。