光的故事
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岁聿云暮,一元复始,2024年已经到来。当人们对新的一年充满憧憬,对未来报以祝福的时候,也有很多人感叹时光如水,光阴似箭。“光”成为我们对时间概念或时间流逝的一种常用描述词汇。那么光到底是什么?我们的古人在语言创造中为什么会把光和时间联系在一起?这些问题我们却可能无暇细究。
“光”可能是古人最早感知到的自然现象之一,不同文明的人们很早就开始对光探究。在华夏文明,从文字“光”的造字演化中我们也能找到人们对“光”的抽象认知。甲骨文中,“光”的形象是一个面部朝右跪着的人,人头上有一把大火在照耀。金文的形象与甲骨文大致相同,只是人形朝左。到了小篆,字体逐步线条化,上部的“火”清晰可辨,但下部的人已经不像了。再经过隶书变楷书后,就写作了现在的“光”。
关于光的含义,《说文·火部》中说:“光,明也。从火在人上,光明意也。”它的本义就是光明、光亮,是从人们最直观的视觉感知上去解释。如《孟子·尽心上》所说:“日月有明,春光必照焉。”那时候和现在一样,大部分普通人都把光当做日常的必然。但也有一些智者已经开始去研究光和利用光。
通过考古发掘方面的验证,在陕西省扶风县多地出土过商周时期的青铜凹面镜,经专家鉴定是用于聚光生火的用具,古称为阳燧或夫燧。同时在《周礼·秋官》中也曾记载过“司烜氏”这一官职,主要负责在祭祀仪式时,用阳燧在太阳光下取火。由此可知我国至晚在商周时期即对光能够加以运用。
文献记载中我国最早对光进行系统研究并总结出光学研究成果的是春秋末期至战国初期的墨子。在其及弟子所著的《墨经》的《经下》和《经说下》两篇中,分别记载了八条光学经验定律以及其注释。包括光线直射、光影关系、小孔成像、平面镜、凹面镜、凸面镜成像规律等。这八条有关光学问题的经说,是人类历史上有关光学知识的最早记录,远超当时的其他人类文明。正如著名汉学家李约瑟在《中国科学技术史》中所说,墨子关于光学的研究,“比我们所知的希腊的为早”“印度亦不能比拟”……
然而令人惋惜的是,两千多年前的墨子所打开的科学之门,并没有成为我国古代对光学研究的开端,反而很快就被历史的尘埃所掩埋。以致于后人时常扼腕于我国为何没有尽早走上科学之路。虽然后世文献中不时散见对光学现象和光学原理的记录,如汉代《淮南万毕术》中曾经记载过利用镜面反射原理制造潜望镜的方法,描述了制造冰透镜以取火的方法;唐代的《酉阳杂俎》、北宋的《梦溪笔谈》都有过对小孔成像的重复记载和描述等,但都是对现象发现的反复,而“未易以理推也”。
在不同人类文明对光的探究过程中,古希腊文明似乎成为被运气光顾的那一个。在对人脑结构还一无所知的情况下,古希腊人率先发现了可见光的一个关键特点:光是一种主观感受,它不是独立于观察者而存在的。而现代物理学告诉我们,光来自相互垂直的磁场和电场。我们的眼睛根本看不到电场和磁场,所以光在本质上就是不可见的。由此我们可以想象古希腊人的洞察力是多么让人感到惊讶。
1015年,出生于两河流域的美索不达米亚平原的阿拉伯物理学家伊本-海什木发表了光学的开山之作《光学》,系统且详尽地描述出当时人们对“光”与“像”的认识。这套著作显著地改善了光学领域的发展,其以实验证明光线进入人眼,因而产生了影像;也发明了暗箱,来说明光线的物理性质。
通过对光学的科学研究,海什木被称为“光学之父”,也被视为“第一位科学家”。他创建的“科学方法的四段论”在整整千年过去之后,至今未有改变。
文艺复兴时期,几何光学的发展成为光学发展史的转折点。在这个时期建立了光的反射定律和折射定律,奠定了几何光学的基础。而在17世纪,光的粒子说和波动说成为关于光的本质的主要争论,也成为了现在现代物理学发展的重要开端。牛顿和天文学家约翰尼斯·开普勒都认为光是粒子流,而罗伯特·胡克、克里斯蒂安·惠更斯,以及不久之后加入的莱昂哈德·欧拉等人,则坚持认为光是一种波。
这样的争论持续了百年,直到19世纪末20世纪初,量子光学的出现,解决了这个问题。1905年,爱因斯坦发表《关于运动媒质的电动力学》一文,第一次提出了狭义相对论基本原理,圆满地解释了运动物体的光学现象。1916年,爱因斯坦还预言原子和分子可以产生受激辐射,为现代光学的发展奠定了理论基础。
如今现代光学已经进入对激光的研究。光在我们的世界中扮演了核心的角色。光纤通信技术已成为信息社会的主要传输媒介,光传递着这个世界大部分信息,光是这个世界大部分能量的最终来源,也是未来清洁能源的重要解决方案。人们对光的探寻远未停止,光的故事还在继续。
(来源:浙江省图书馆)


