从诺贝尔物理学奖看光学的发展 6页

第25卷第5期大　学　物　理Vol.25No.52006年5月COLLEGEPHYSICSMay.2006物理学史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　100875)　　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:O4209;O43文献标识码:A文章编号:100020712(2006)0520042206　　自诺贝尔物理学奖1901年首次颁发以来,一直朗克)、氢原子的光谱结构(玻尔)以及光电效应(爱受到物理学工作者的极大重视.同时,对诺贝尔物理因斯坦)的讨论开始的.学奖的研究也成为许多人感兴趣的领域.其中,有些本文将在分析100多年来的诺贝尔物理学奖的研究工作属于编年史研究;有些研究侧重于分析诺基础上,从一个新的角度探讨物理学中的一个重要贝尔奖获奖者的年龄结构、国籍或研究领域;也有一领域———光学的发展过程.通过研究,我们将对光学些研究注重介绍获奖者的贡献等等.这些工作对物的发展过程有新的认识,并对今后光学的发展提出理学史的研究和发展起到了重要的作用.然而,纵观了一些新的看法.已有的研究我们发现:迄今为止,还很少有人从物理1百年诺贝尔奖光学部分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.100多年来,光学的研究大多与光的相干性、量光学是一门既古老又年轻的学科,是物理学中子性和非线性这三个范畴有关.纵观与光学相关的一个重要的分支.通过分析100多年来的诺贝尔物诺贝尔物理学奖可以发现:99%的获奖工作集中在理学奖我们发现:与光学直接或间接相关的获奖成光的相干性和量子性(其中,有关光的量子性的研究果有40多项.这些获奖的光学研究工作对于物理学近70%).表1列出了诺贝尔物理学奖中与光学直的发展起到了非常重要的作用.特别值得一提的是,接或间接相关的获奖工作、获奖者姓名、获奖年份及无论是相对论还是量子力学的建立,都与光学的发所属范畴(表中的内容除第五列(范畴)外全部摘自展密切相关.例如:相对论的基本假定之一就是光速诺贝尔奖委员会的文件.读者可访问以下网址:不变原理;而量子力学的建立则是从对黑体辐射(普http://nobelprize.org/physics/laureates/).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1901德国因发现伦琴射线而获奖相干性(WilhelmConradRÊntgen)亨德里克·安东·洛伦兹荷兰(HendrikAntoonLorentz)因研究磁场对辐射现象的影响所1902量子性皮埃特·塞曼取得的成就(塞曼效应)而获奖荷兰(PieterZeeman)收稿日期:2005-11-24;修回日期:2006-01-23基金项目:国家自然科学基金资助项目(60277014)作者简介:李多(1972—),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.©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net 第5期　　　　李　多等:从诺贝尔物理学奖看光学的发展43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1907相干性(AlbertAbrahamMichelson)(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1908相干性(GabrielLippmann)(生于卢森堡)彩色的方法而获奖(彩色照相)威廉·维恩1911德国因发现热辐射定律而获奖相干性(WilhelmWien)尼尔斯·古斯塔夫·达伦因发明灯塔和浮标照明用的气体1912瑞典(NilsGustafDalén)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1914德国相干性(MaxTheodorVonLaue)衍射而获奖威廉·亨利·布拉格英国(WilliamHenryBragg)因在用X射线分析晶体结构1915相干性威廉·劳伦斯·布拉格方面做出的贡献而获奖英国(WilliamLawrenceBragg)查尔斯·格洛弗·巴克拉1917英国因发现X射线标识谱而获奖相干性(CharlesGloverBarkla)马克斯·普朗克1918德国发现能量子量子性(MaxPlanck)约翰尼斯·斯塔克因发现极隧射线的多普勒效应及电场1919德国量子性(JohannesStark)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1921德国量子性(AibertEinstein)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1922丹麦量子性(NielsBohr)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1923美国量子性(RobertAndrewsMillikan)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1924瑞典相干性(KarlManneGeorgSiegbahn)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1927美国量子性(ArthurHollyCompton)普顿效应而获奖路易斯·维克多·德布罗意1929法国因发现电子的波动性而获奖量子性(LouisVictorDeBroglie)钱德拉西卡拉·文卡塔·拉曼因研究光散射和发现以他的1930印度量子性(ChandrasekharaVenkataRaman)名字命名的拉曼效应而获奖维克托·弗朗兹·赫斯1936奥地利因发现宇宙射线而获奖量子性(VictorFranzHess)克林顿·约瑟夫·戴维森美国(ClintonJosephDavisson)因在实验中发现电子在晶格相干性1937乔治·帕基特·汤姆孙上的衍射而获奖量子性英国(GeorgePagetThomson)©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net 44大　学　物　理　　第25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1944美国因发明核磁共振方法而获奖量子性(IsidorIsaacRabi)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1950英国量子性(CecilFrankPowell)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1953荷兰相干性(FritsZernike)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1955美国量子性(WillisEugeneLamb)构而获奖鲁道夫·路德维格·穆斯堡尔因在γ射线的原子核共振吸收方面1961德国量子性(RudolfLudwigMÊssbauer)的研究及发现穆斯堡尔效应而获奖查尔斯·哈德·汤斯美国(CharlesHardTownes)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1964(NikolaiGennadievichBasov)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前苏联亚历山大·米哈伊洛维奇·普罗霍罗夫(AlexanderMikhailovichProchorov)阿尔弗雷德·卡斯特勒因发现和发展了研究原子中1966法国量子性(AlfredKastler)电磁共振的光学方法而获奖丹尼斯·伽博1971英国因发现和发展全息方法而获奖相干性(DennisGabor)马丁·赖尔由于在射电天文学研究出“孔英国相干性(MartinRyle)径综合”技术而获奖1974安东尼·赫威斯英国由于发现脉冲星而获奖(AntonyHewish)阿诺·阿伦·彭齐亚斯美国(ArnoAllanPenzias)因共同发现宇宙微波背景辐1978射而获奖罗伯特·伍德罗·威尔逊美国(RobertWoodrowWilson)凯·西格班因在发展高分辨电子谱方面1981瑞典量子性(KaiSiegbahn)做出杰出贡献而获奖阿瑟·肖洛美国(ArthurSchowlow)因在发展激光光谱学方面做1981非线性出杰出贡献而获奖尼克勒斯·布隆姆伯根美国(NicolaasBloembergen)©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net 第5期　　　　李　多等:从诺贝尔物理学奖看光学的发展45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1986德国量子性(ErnstRuska)研制第一台电子显微镜而获奖格尔德·宾尼希德国(GerdBinning)因共同研制成扫描隧穿效应1986量子性海因里希·罗雷尔显微镜而获奖瑞士(HeinrichRohrer)诺曼·弗·拉姆齐因发明了分离振荡场方法及用之于1989美国量子性(NormanF.Ramsey)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(BertramN.Rockhouse)1994克利福德·G·沙尔因对中子衍射技术的发展做出的美国量子性(CliffordG.Shull)贡献而获奖朱棣文美国(StevenChu)克劳德·科恩-阿努齐因发展了激光冷却和囚禁原子1997法国量子性(ClaudeCohen-Tannoudji)的方法而获奖威廉·D·菲利普斯美国(WilliamD.Phillips)科纳尔(Cornell)美国因玻色爱因斯坦凝聚的实验2001凯特纳(Ketterle)美国量子性观察而获奖威依迈(Wieman)美国戈劳贝尔(Glauber)美国因相干性的量子理论而获奖相干性2005霍尔(Hall)美国因精细激光光谱技术而获奖量子性汉斯(H¾nsch)德国2005年的诺贝尔物理学奖刚刚公布,获奖者的面的问题都已解决.但由于有关相干性的研究很大贡献是在光学领域的,其研究的范畴仍属于相干性一部分是在20世纪之前完成的,那时还没有设立诺和量子性.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诺贝尔奖与光学的发展20世纪初,诺贝尔奖刚刚设立,第一项得奖的从上述诺贝尔物理奖光学部分简表中可以看工作就是关于X射线的发现.由此也可以看出,光出,19世纪以来,光学的发展有以下几方面的特点:学研究在诺贝尔奖中占有重要的地位.此后仍有几1)有关相干性的研究工作发展较早,获奖较次获奖是有关X射线的工作,如关于晶体的X射线少,基础性强衍射(1914,1915)以及X射线衍射标识谱(1917)的从17世纪起,人们逐步认识到光的波动性(相研究,因就其本质来说,这些工作更接近光的相干性干性).到19世纪初,研究者们已经发现了光的干范畴.这正是我们将有关X射线的获奖工作归入光涉、衍射、偏振等现象,确证了光是电磁波.到了19的相干性的基本考虑.世纪中后期,麦克斯韦建立起了完整的电磁理论,人此后,有关相干性方面的研究继续发展,有不少们对光的相干性已经有了相当深刻的认识,初步的工作获得了诺贝尔物理学奖.其中最具代表性的工波动光学体系己经形成,许多基本的理论和实验方作就是相衬理论的提出(泽尼克,1953年获奖),以©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net 46大　学　物　理　　第25卷及全息术的发明(伽博,1971年获奖).这些获奖的光学周期势).而且,激光冷却技术的发明直接导致工作大多是应用型的.而全息术也是迄今为止诺贝了玻色-爱因斯坦凝聚这一著名理论论断的实验验尔物理学奖中最后一次因光的纯相干性工作而获奖证(2001年获奖),这成为20世纪末物理学的重大突的项目.破之一.20世纪下半叶,随着激光的出现,人们对相干总的来说,对光的量子性的研究使人们对光的性的认识又有了进一步的深化.同时,光的相干性与本性的认识产生了质的飞跃.同时还可以看出,相干量子性的研究有了密切的结合.例如:在2005年的性是量子性的重要基础.量子性是人们对光的本质诺贝尔物理奖中,无论是相干性的量子理论,还是精在更高层次上的认识,是光学发展的必然结果.细激光光谱技术,都是相干性与量子性密切结合的3)有关光的非线性的研究处于发展时期,尚未典范.成熟,但有获奖潜力2)有关光的量子性的研究发展迅速,获奖较非线性科学本身是整个物理学中的一个极为重多,理论和实践并行要的部分,非线性是物质世界中普遍存在的现象.非随着科学的发展,人类对光的本性的认识也在线性光学是现代光学中的重要部分.然而,在有关光逐步深入.19世纪末到20世纪初,人们对黑体辐学的诺贝尔奖中属于非线性研究的工作却是凤毛磷射、原子的离散光谱结构以及光电效应的困惑,使经角,只有Shaolow和Blombergen于1980年的获奖工典物理学遇到了严重的挑战.作与此有关.这从某种程度上反映了有关光的非线为了解决上述问题,20世纪前期的物理学有了性的研究是光学研究领域中发展较晚的一个分支,极大的发展:维恩发现了热辐射规律(1911年获目前还处于发展的时期,尚未达到高峰.奖);普朗克提出了黑体辐射的量子理论,成功地解然而,非线性光学研究并不应因为它获奖少而释了黑体辐射问题(1900年提出,1918年获奖);爱受到忽视.1960年,第一台激光器的问世开拓了光因斯坦提出了光量子理论,圆满地解释了光电效应学研究的新领域.1961年Franken在使用该激光器(1905年提出,1921年获奖);玻尔在原子结构和原照射石英晶体时发现了倍频现象;此后不久,研究者子辐射方面所做的研究,解释了原子的离散光谱们又陆续发现了受激拉曼散射、受激布里渊散射效(1922年获奖);康普顿发现了以其名字命名的康普应,以及光的自聚焦等现象.这些线性光学无法解释顿效应(1922年发现,1927年获奖);德布罗意创立的现象逐渐受到了研究者的重视.近年来,光学混频了物质波学说(1924年提出,1927年获奖).这些工及相位共轭等非线性效应,无论是在基础研究还是作成为推动量子力学建立的直接因素.这段历史也在应用研究中都发挥了极为重要的作用.表明:量子力学的建立同光与物质的相互作用的研几十年来,有关光的非线性现象的研究逐渐广究密不可分,而这也正是光的量子性研究的核心内泛、深入地开展起来.例如:在自聚焦、相位共轭、多容.波混频、光学参量放大及光学双稳态等方面,都已形最终,光的粒子性以及实物粒子波动性的提出,成一定的理论,有相当出色的工作产生.特别是20使人们认识到光具有波粒二象性.这段时期,随着对世纪90年代以来,非线性光学的研究开始进入飞秒波动性(即相干性)认识的不断完善,人们对光的量区域、光通信领域等方面,并发挥着重要作用.值得子性表现出越来越大的兴趣.有关光的量子性的理注意的是,非线性光学研究中的绝大部分工作都是论促进了相应的实验和应用的发展.如:1936,1937,与相位匹配这一相干性中的基本问题紧密相联的.1944,1955,1981和1986年的获奖工作均是与实际我们相信,作为光学研究的主要领域之一,在不的仪器或应用有关的.其中,有关微观粒子的光谱或久的将来,一定会有一批关于光的非线性的相关研能谱等方面的研究占了很大的比例.而20世纪末期究工作获得诺贝尔物理学奖,成为光学发展的新的的“激光冷却”是另一项颇具代表性的工作(朱棣文、里程碑.非线性光学的研究使人们更加深刻地认识Tanoudji、Williams,1997年获奖).激光冷却在光与物到光学现象的丰富性和复杂性.而对非线性的研究质的相互作用中,充分利用了光的量子性(光子与被必然要涉及相当多的相干性和量子性基础.冷却粒子所构成系统的动量守恒),而同时又巧妙地综上所述,对光的相干性的研究促使人类开始利用了光的相干性(例如:在SysiphusCooling中,利认识光的本性,是近代光学发展的起点.同时,相干用两束相反方向传播的圆偏振光的相干叠加来获得性又是研究光的量子性和非线性的重要基础.©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net 第5期　　　　李　多等:从诺贝尔物理学奖看光学的发展474)激光在光学研究中起着重要作用,光学与其全息技术已经在显微技术、信息存储、信息编码、红他学科紧密结合,相互促进,共同发展外全息等方面得到了广泛应用;在集成电路的启示在分别讨论了诺贝尔奖与三个研究领域的发展下,材料科学、电子技术和光学融合发展,形成了集之后,我们还可以从另一个角度来进行讨论.从以上成光学这一边缘学科,在光通讯、信息处理等方面起分析中可以看出,近半个世纪以来,激光在上述三个到了很大的作用;光子晶体以及量子信息的研究和领域中都起着至关重要的作用.激光作为一种新型发展将给信息技术开辟一个崭新的天地.随着激光光源,不仅具有亮度高、单色性好、方向性强等特点,技术的发展,飞秒激光器的出现为超快过程、高阶非而且激光本身就是相干性、量子性和非线性的集大线性效应的研究提供了有效的研究手段.成者.激光器是一个非平衡、非线性的系统,其辐射总之,自激光问世以来,光学与其他学科紧密结具有极好的相干性,而有关激光的很多现象都需要合,共同发展,在科学和技术中发挥着日益重大的作用全量子理论给予解释.激光的出现给全息光学、量用和影响.子光学、非线性光学、激光光谱学等领域的研究带来3总结了深远的影响.在第一台激光器问世后仅4年,Towns、Bassov、Pulokchlov由于在激光方面的贡献于综上所述,从分析100多年的诺贝尔物理学奖1964年获得诺贝尔物理学奖.这是全部诺贝尔物理中可以看出,自19世纪以来,光学在相干性、量子性学奖中,获奖时间与所出成果的时间相隔最短的一和非线性等方面都有很大的进展.关于光的相干性次.和量子性的研究已取得了丰硕的成果.而关于非线同时,从表1中我们还可以看出,20世纪以来,性的研究已有了很好的基础和研究手段,正处于快光学的发展与物理学中其他学科有着密切的联系.速发展的阶段.我们有理由相信,一个辉煌的、集中如:1914,1915和1961年的获奖工作不仅与光学有反映非线性研究成果的时期将会到来.关,而且与固体物理有着密切的关系;1974和1978本文所提出的看法,从一个新的角度探讨了物年的获奖工作均与天文学有关;近年来,光学与凝聚理学发展过程的一个侧面.我们希望在这方面展开态物理的交叉与融合已成为一个发展的趋势,有关更加深入的分析和讨论.光子晶体的研究就是这种趋势的一个极好例证.另外,激光对如统计物理、核物理的发展,都起着重要参考文献:的作用.甚至对化学、生命科学与医学都有重要的影[1][美]弗·卡约里.物理学史[M].戴念祖译.桂林:广西响.师范大学出版社,2002.234～255.此外,20世纪60年代以来,特别是激光问世之[2]钱士雄,王恭明.非线性光学———原理与进展[M].上后,光学还与其他科学技术紧密结合,相互渗透.如:海:复旦大学出版社,2001.1～13.AdiscussiononprogressofopticsthroughNobelPrizeinphysicsLIDuo,YANGTing,LIUDa2he(DepartmentofPhysics,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)Abstract:Theprogressanddevelopmentofopticsareanalyzedanddiscussedfromanewpointofview,andtheprogressofopticsinfutureislookingforwardto.Keywords:Nobelprize;optics;coherence;quantumcharacteristics;non2linearity©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net