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龚旗煌主讲才斋讲堂第九十六讲:促进人类社会和文明进步的光学研究
日期: 2015-04-10  信息来源: 新闻网记者 程梦稷

“光学及其应用在千百年来对人类生活产生了革命性的影响,而光学却很少为人们真正认识。”4月9日晚,北京大学物理学院副院长龚旗煌院士做客才斋讲堂第九十六讲,为在场同学们介绍了光学的认知历史、当代应用及其未来挑战。研究生院副院长刘明利主持了本期才斋讲堂。

2015年是联合国教科文组织发起设立的“光和光基技术国际年”(简称“国际光年”),以此纪念千百年以来人类在光学领域的革命性认识与重大发现。龚旗煌首先向同学们介绍了人类对光的认知历史。他指出,早在公元前400年,中国的墨子就提出“景,光之人煦若射。下者之人也高,高者之人也下。足敝下光,故景障内也”等思想,不仅是对光的直线传播、反射和若干物影成像等现象的直观性体验与描述,也是对几何光学的首次系统性记述。公元前300年,西方的欧几里得则在其《反射光学》与《光学》等著作中从数学角度对反射光以及透视问题进行过论述。此后,中西方典籍中对于光的描述更是不胜枚举,比如汉代《淮南子》中所描述的“光聚焦”是史籍记载中最早的太阳能运用实例,而唐代孔颖达对光的颜色细致描述则代表了古人对色散现象的直观认识。

 
龚旗煌主讲才斋讲堂第九十六讲

如果说十七世纪之前人类对光的认识仍然止步于直观体验的话,那么十七世纪以来几何光学、波动光学、量子光学的建立则标志着人类真正开始进入到对光的科学认识与研究。龚旗煌从日常生活中随处可见的折射现象讲起,以海市蜃楼等实例为入口,向同学们介绍了奠定当代光纤通讯基础的斯涅尔折射定律。此后,透镜几何成像即是以此为基础,第一次打开了人类认识微观世界的大门,直接促进了生命科学研究的发展,开启了人类生命与生活的重要内容,是几何光学的经典应用。波动光学则是以牛顿波长概念的提出为起点,而十七世纪末,惠更斯、菲涅尔等科学家则在实验的基础上提出光的波动学说,此后法国科学家马吕斯等人更从多角度对光的波动学说进行了验证,发现了光的偏振性,从而进一步拓展了人类对光的认识。

进入十九世纪,麦克斯韦在前人成就的基础上,对整个电磁现象作了系统、全面的研究,指出光作为一种电磁波,不仅可以在真空中传播,而且在人类可视范围外还存在许多看不到的“光”,这一理论拓宽了光的概念,成为经典物理学的重要支柱。基于这一认识,普朗克提出了量子假说,爱因斯坦则进一步提出光量子的假说,认为光是粒子性的,从而发现了光的波粒二象性。光子假设成功解释了光电效应,并促进了量子理论的诞生。在量子力学的推动下,标志着现代光学新纪元的激光技术得以产生并发展,激光所具有的单色性、方向性、相干性等特性开拓了众多新的研究领域,比如高分辨光学测量、非线性光学、激光冷却与强场光物理学等等,从而为人类社会生产生活带来了革命性的进步。

在对人类光学认识的回顾基础上,龚旗煌接下来向同学们举例介绍了光学在当代科技中的运用。在现代信息技术方面,1966年华裔科学家高锟利用光传输全反射原理取得光纤物理学的突破成果,促成光纤通信系统的问世,为当今互联网的发展铺平了道路;在先进制造领域,激光加工以其无磨损、高硬度、高熔点等优势正逐步取代传统机械加工,而飞秒激光加工则是未来高精度加工的发展趋势。比如三维微纳加工、眼科手术、3D打印等都是激光的现代应用;在能源与健康领域,不论是能耗低、安全性高的LED光源,还是波长短、穿透能力强的X光,都为人类生产生活带来极大的便利;而安检时广泛运用的太赫兹波与激光武器等则是光学科技运用于国家安全的典型案例。

讲座最后,龚旗煌向同学们介绍了光学领域的研究在诺贝尔奖评选中的获奖情况。他指出二十一世纪是光学的世纪,并希望在座各领域的同学们都能对光学学科有所了解,有志于学,主动关注并参与到当代尖端科学研究及其应用当中,为促进人类社会和文明进步不断求索。

主讲人介绍:

龚旗煌院士,北京大学物理学院副院长,博士生导师,北京大学首批长江特聘教授,首批百千万工程领军人才(万人计划)。人工微结构和介观物理国家重点实验室主任。国家973项目首席科学家和国家基金委创新研究群体负责人,美国光学学会会士(OSA Fellow)和英国物理学会会士(IoP Fellow),中国光学学会副理事长兼秘书长,中国物理学会常务理事兼国际交流委员会主任。主要研究领域为介观光学及超快光物理。以第一完成人获国家自然科学二等奖、北京市科学技术奖一等奖、王大珩光学奖和饶毓泰物理奖等奖励。

编辑:歆琴


   
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