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“适光者昌,抗光者亡”,光,你这个精灵

撰文 | 钟锡华(北京大学物理学院资深教授)

一光与人类

人类与光的关系最为亲密。日出而作,日落而息。春光明媚精神爽,天气阴沉情绪降,这是心理光学的情事。阳光普照大地,给人间送来光和热,催化了地球上的万物生灵。也许反过来说更为合理,唯有适应了阳光的生物,才能得以存活、生长、繁衍和进化,可谓适光者昌,抗光者亡。

“倘若不是我们的眼睛像太阳,谁还能欣赏光亮。”这是德国伟大诗人歌德的名句,诗人的浪漫得到了科学家的鉴赏,苏联科学院院长瓦维洛夫,在其名著《眼睛和太阳》一书的引论中,就选用这一诗句作为首语。的确如此,人眼的感光性能与阳光的光谱特性相当匹配。以下从多方面对此考察审视之。

(1)人眼所能感受到的可见光波段,其波长约在0.4~0.7μm 之间,波长小于0.4μm 的光或大于0.7μm 的光,成为不可见的紫外光或红外光。而太阳辐射的本征光谱是一连续谱,其波段很宽,从0.1~3.2μm,光谱曲线的峰值出现在约0.56μm(黄绿光),这正是人眼可见光波段的居中位置。经粗略估算,在可见光波段的太阳辐射能量占有60%.换言之,波长范围仅占总波段约1/10的可见光,却占有了总辐射能的6/10,而被人眼接受。可见,人眼对阳光辐射能的利用率是很高的。

(2)假如人眼对太阳辐射的全光谱均可见,那将会出现怎样的后果?借用光量子语言,短波长的紫外光,其频率ν 甚高,相应的光量子能量E=hν也甚大,它在生化作用方面多数情形下将破坏有机体,乃至杀害有机体,广泛使用于医院、饭馆和储藏室的紫外线灭菌灯,就是一个例证。况且,人眼球腔中的晶状体,对波长短于0.4μm 的紫外线有很强的吸收,紫外线几乎不能到达视网膜,这也体现了人体器官具有一种自我保护的功能.再看长波端的红外光情况,根据热辐射定律,凡温度T 不为零的物体均有辐射本领,而向四周辐射光波;体温37℃相当于绝对温度T=310K,相应的人体热辐射的光谱曲线其峰值位置约在9~10μm,向左陡降到波长约5μm,向右缓降至30μm;倘若视网膜对如此一段广阔的红外波段的光均为可见,那整个眼球体就成为一个光球,甚至亮得宛如一个火球,周围客体包括太阳都变得暗淡无光。这是一个令人可怕的景象,也完全违背了人类造就眼睛的初衷.对于波长在1~5μm 的近红外光,无视觉反应的机制,至今尚不清楚,也许从光电效应和光化学效应的量子化特性入手分析,可能获得一种合理的说明,即红外光量子的能量较低,不足以产生与视觉相联系的光电子数.这是生理光学中可待进一步研究的课题。

(3)必须指出,到达地面的阳光,由于大气层的吸收和散射,以及约30km 高度臭氧层对于0.29μm 紫外线的强烈吸收,其光谱特性有了显著变化,它在0.45~0.65μm 波段的光谱曲线变得平直而趋于均匀,在两侧较长或较短的波长区域陡然下降.这不是一件好事,它不利于人们看清或识别客体(objects)。幸运的是,人眼对光的感受灵敏度随波长而变,有一个所谓视见函数,其线型宛如墨西哥尖帽,在白天其峰值位置约为0.56μm,恰与阳光本征光谱的峰值位置相近,也正是上述地面阳光光谱曲线的居中位置,峰值两侧视见函数值下降,直至为零,当波长小于约0.4μm 或大于约0.7μm 时视见函数的这种局域性和非均匀性有利于我们看清对象和识别物体。

在这里不禁要问,何为看清物体?深究起来它有两个基本含义或者说两个基本指标:一是看清楚对象内部的细节;二是识别对象与周围客体的差异,以显示出对象的边缘轮廓.前者是视觉的空间分辨率问题,人类为追求高分辨率而不断进取,已持续努力了约300年,2014年诺贝尔化学奖授予单分子显微镜的发明者.后者是图像识别问题,要识别就必须有差别或衬比(contrast),或凭借亮度的差别即亮衬,或凭借色度的差别即色衬.人眼的色视觉,红橙黄绿青蓝紫,提供了色度衬比,而视见函数的非均匀性,提供了亮度衬比,两者共同作用使人们识别图像的本领得以极大提高。你看蓝天白云,朵朵婀娜,千姿百态,其边界形貌十分清晰,此乃其有高色衬和高亮衬之故。

(4)颇有意思的一个事实是,白昼人眼视见函数曲线,几乎与绿色植物所反射和散射的阳光光谱曲线相重合,后者也呈墨西哥尖帽状,两者峰值均在0.56μm(黄绿色)位置。自然,这种一致性对于生活在植物地带,并以植物为主要食料的动物是十分有利的,人类的祖先就是这类动物之一种.因为这种一致性,使强光入射时的主观亮度依然强,而使弱光入射时的主观亮度变得更弱,从而提高了对丛林环境的识别能力,使这绿色世界包括植物、泥土、沼泽、河流和岩石更具层次感,也更容易识别出没于森林中的其他动物,以保持警惕和保护自身。

(5)另一个相反的事实是,在弱光环境下,人眼视见函数有所变化,相比白昼,黄昏或夜间的视见函数曲线向短波紫端方向移动约有50nm,即其峰值位置约在0.51μm(青蓝色)。这是否表明夜光的光谱曲线向短波方向移动了?事实上恰巧相反,与白天光谱相比较,夜晚光谱中长波成分增强了。除去可能出现的月光,夜光的来源有几种成分,首先是宇宙中的星光,其次是大气对阳光的散射光,它占极小部分;再有天空本身的亮光,它占相当大的部分,其主要贡献者是大气上层的氧和臭氧的热辐射,它的主要光谱区靠近长波红端。于是,对夜晚视见曲线蓝移效应一种可能合理的解释是,在弱光条件下,虽然长波红光成分相对而言比较强,但终究它是弱光,而短波蓝光部分则更弱,拟应通过视见函数的调整,使其视觉灵敏度得以提高;这样夜间人眼对于夜空实际接受的光谱曲线就较为平直均匀,这相似于白天地面阳光的光谱线型,虽然它处于低水平,这可突现夜间物体的边缘轮廓,有利于人们识别周围物体,比如障碍物和危险动物之类。我们可以这样认为,夜行者的当务之急是识别环境,大体看见周围物体,并非苛求看清物体细节。

(6)小结。无疑,眼睛是人类最精巧最机灵的一个感觉器官,它具有多种视觉功能,而首当其要的是其光谱特性。综上所述,眼睛的光谱特性,即其视见函数的局域性和非均匀性以及色效应,正是适应了阳光本征光谱的特性,也更适应地面绿色世界散射光的光谱特性。可以说,这是漫长时期以来自然选择、生物进化、生物自适应和自我保护的结果。从这个意义上看,阳光造就了眼睛,或者说,眼睛是光这个精灵物化于人体中的一个精灵。

当然,同在阳光沐浴下的其他动物,它们的眼睛结构和光谱特色却与人眼有着显著差异,这是为什么?也许这是未来生物光学这门学科中一个颇有价值的研究专题。二光与信息

人类有5大感官系统.耳朵是听觉器官用以获取外部环境的声音信息,鼻腔是嗅觉器官用以提取四周氛围的气味信息,舌头是味觉器官用以获取食物的味道信息,手脚也可以作为触角器官用以感受对象的软硬冷热,而眼睛是视觉器官,用以获取外部世界的光信息,这包括客体的明暗图像信息和空间分布信息,以及色彩色度信息.实验表明,人眼对灰度的识别能力可达10阶,而对色度的识别能力竟可达102级,即人眼具有十分敏感的色效应。我们的眼睛所接受的信息量是相当丰富和巨大的。来自信息科学的统计显示,一个人对外部世界所感受的信息量,其中80%是通过眼睛进入的。

现代视觉理论,致力于探讨体视觉、色视觉和运动视觉的深层内在机制,探讨视觉细胞-视觉神经-大脑这一关联系统中的信息转换、信息传递和信息处理的机制。从眼睛开启的这一视觉系统,使人们具有十分高明的识别和判断能力。比如,繁华路口车来车往,在没有交通信号灯的情况下,你是怎样做出正确判断以使自己安全通过马路的。经验告诉人们,要一站二看三通过,即,停下来,左顾右盼,大约只需要3、4秒钟时间,一个人就可以做出一个可靠判断,是过还是不过.这个识别和判断的任务,如果要让计算机(电脑)来完成,据20世纪80年代美国总统的一位科学顾问估算,这在当时所需计算机数量之巨大,可以铺满整个加利福尼亚州。科学家们试图从明了人眼视觉系统内在运行机制入手,为研制新一代计算机找到一个可行的途径。这新一代计算机的运行模式,将根本区别于现代计算机遵循的专家路线的运行模式,它具有宛如人眼加人脑系统那样的识别、判断和推理的能力。简言之,电脑的人脑化,从研究视觉内在机制开始。

光学,Optics,该单词源于希腊文一句子词头的组合,其意为What is seen,可汉译为“看见这档事是咋回事”。毋庸置疑,光学这门学科起源于人类对视觉外在机制的思考,旨在如何扩展或增强视觉能力,以使自己看得远看得清.放大镜、显微镜和望远镜,被统称为助视光学仪器,就是这个道理。

人类为增强自己看清物体细节的能力,至今已持续奋斗了几百年,不断取得新进展;迄今为止,人类对宇宙结构及其演化的认知,几乎全凭望远镜获取的光信息,包括其图像信息和光谱信息;迄今为止,人类对凝聚态物质结构、原子分子结构的认知,主要凭借入射光与客体相互作用而传递出来的光信息,包括其光谱信息和衍射图样信息。对以上3个方面稍作如下详述。

(1)显微无止境。兹将300年来不断进展的显微技术列于表1.

对单分子光学显微镜的说明:用一束弱光脉冲激发一部分荧光蛋白发光而稍后消退,它们离散分布其间距大于0.2μm,故可由Abbe显微镜分辨而获得一幅清晰图像;再重复这一步骤,使另外部分荧光蛋白发光,又获得一幅蛋白分子分布图像;如此照射多次,获得许多幅不同时刻的图像,并对光斑边缘做锐化处理;当所有这些透明图像叠加一起时,单个蛋白分子的形貌及其分布图像就清晰地呈现出来,其分辨率正是蛋白分子的线度约10nm 左右。可见单分子光学显微镜是非同时制测量模式,类似于近场扫描光学显微镜它是顺序制测量,也属于非同时制测量模式。

(2)哈勃知多少。美国研制造价30亿的哈勃望远镜,于1990年4月24日升天,运行于大气层之上距地面610km 的轨道上,重量约11t。其任务是,探测宇宙深层结构及其演化、宇宙年龄及其空间范围,特别关注宇宙膨胀速度,从而修正哈勃常数,并判定宇宙膨胀速度是变慢了还是变快了,这关系到宇宙生死归宿.从最初几年发回的信息,它已获得若干举世瞩目的重大发现。比如,1995 年拍摄到的图像中的一个物体,是迄今所发现的最遥远的天体,距离100亿光年,含有3000个星体;摄谱仪显示了一颗超新星1987A 的物质成分,氧、氮和氢;红外仪发现了一颗“皮斯托”星,它是迄今发现的最大的一个天体;在哈勃望远镜的红外图像中,海王星的光环却很明亮,且云层清晰可见;拍到一张γ射线大爆发的照片,这使人联想到宇宙起源于这些令人费解的能量释放;哈勃望远镜的观测数据表明,宇宙膨胀速度实际上并没减慢。

值得一提的是,上述100亿光年的距离是怎样测算出来的.其实,它还是由该天体的光谱信息所谓“红移”效应而得到的:该天体的某一条特征谱线λ0将向长波端移动了Δλ,根据多普勒效应频移公式,由Δλ 值推算出该天体的远离速度vr,再根据著名的哈勃定理vr=H0r,由vr值最终推算出距离r,这里H0正是哈勃常数。光,这个精灵,就这样自由地遨游于太空,以其每秒30万km 的速度,将这遥远星体100亿年前的状态传送到地球,呈现于世人面前。

回溯400年前,17世纪初相继发明的里普希望远镜、伽利略望远镜和开普勒望远镜,开创了人类可清晰观察天象的新纪元。作为首台太空望远镜,哈勃望远镜的出世是人类望远镜技术发展史上的一个巨大里程碑。与传统望远镜相比较,太空望远镜获取的关于宇宙星际的信息量空前巨大。它动态巡天,可观测众多天体;它多波段摄取同一星体的图像信息,可见光图像、红外图像乃至短波X 射线图像和γ 射线图像;它兼备光谱分析功能,用以了解星体的物质成分、正在发生的物理化学反应,以及星体远离退行速度;它以其大口径所具有的强聚光能力和高分辨率,可以探测遥远10亿光年至100亿光年的星体,从而揭示宇宙深层结构及其演化。

自1990年以后,世界强国欧美和日本,均抓紧研制太空望远镜,并先后成功升天.我国研制的一台“大天区多目标光纤光谱天文望远镜”,投资2.35亿人民币,经7年努力,已于2012年9月28日正式启动巡天观测,它被命名为郭守敬望远镜,英文名称为LAMOST,坐落在国家天文台观测基地河北兴隆县的山头上,一个貌似导弹发射架的白色巨塔。它是目前世界上口径最大的大视场光学望远镜,其球面主镜的口径面积6.67m×6.05m,其最显要之处是在焦面上安插了有特定位置分布的4000条光纤,连接16台光谱仪,故可同时观测4000个天体的光谱.有望在5年时间中获得超过500万条高质量的恒星光谱数据,为科学家研究银河系结构和运动以及银河系形成和演化提供更加丰富可靠的依据,也看看它在探测银河系的质量分布特别在暗物质方面,是否可能有所贡献。

除光学显微镜作为主要的星体探测器之外,人类在其他电磁波段的太空探测方面也有所建树.近40年来诺贝尔物理学奖中,有5 次授予这方面的杰出贡献者,其主要成就分别为:1974年,开拓射电天文学,发展孔径综合技术,发现脉冲星;1978年,发现宇宙微波背景辐射;2002 年,开拓天体物理学领域,发现宇宙中的X 射线源;2006年,发现宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性;2011 年,由观测遥距超新星而发现宇宙在加速膨胀。

综上所述,种种望远镜包括传统望远镜、巡天望远镜和太空望远镜,一概依赖于光波或电磁波作为载波,将星际天体的图像信息、光谱信息和空间分布信息即宇宙结构信息,传送到人间。真是不可想象,倘若没有光波,人类对宇宙的认识仍将停留在怎样的原始状态。倒也不难想象,当下人们对所谓宇宙暗物质的认知,正是处于这种原始状态.据天体物理学家的理论推算,这类暗物质占宇宙总质量约30%,它们对外无辐射(电磁波)。因此,凭借光波作为载波的一切探测手段,面对暗物质均告失灵。路在何方,一是试图用一种实物探测器升空,直接捕获暗物质;二是从理论乃至观念上,探索与暗物质相联系的也许是一种非同寻常的“辐射”,研制相应的探测器。前者是现实主义的物理学,后者是浪漫主义的想象力.还有第三条途径,是在粒子对撞机上试图通过已知粒子的对撞,把预言中的暗物质粒子撞出来。

在试图明了星际天体空间分布及宇宙结构时,不能不考虑到存在一个“同时性假象”问题。须知,望远镜同时观测到的众多遥远星体的图像,乃是这些目标在不同时刻所呈现的状态.虽然光速甚高,但光速毕竟有限.比如,某望远镜同时获得距离分别为10^2光年、10^4光年和10^8光年等3颗恒星(A、B、C)的图像包括其光谱图,它们呈现的正是A 星10^2年前、B 星10^4年前和C 星10^8年前的状态,这些非同时状态的集合被认定为这些星体的空间分布,显然是不恰当的,除非这些星体状态始终恒定不变。对于研究大尺度宇宙结构和演化而言,上述这个“同时性假象”问题是必须费心破解的。

(3)光谱明秋毫。概而论之,光谱分析指称,通过光谱仪获取物质的光谱图,进而分析出物质的化学成分。若从1814年夫琅禾费发现太阳连续谱中,含有许多条离散的暗线起算,历经200年,当今光谱技术已经成为检测物质成分的必要手段,乃至成为窥测原子分子结构的首选手段。光谱仪已有多种类型,棱镜光谱仪、光栅光谱仪和法布里-珀罗分光仪,还有一种诞生于1970’s的傅里叶变换光谱仪,它是区别于传统色散型光谱仪的一种新型光谱仪。获取的光谱图也有多种类型,发射光谱、吸收光谱和拉曼散射光谱.1928年,印度人C.V.拉曼,首先在四氯化碳、苯、甲苯、水和其他多种气体、蒸气、液体和冰中,发现散射光的频率有所变化,在入射光谱线两侧还出现了一对伴线,称其为拉曼频移效应;从拉曼频移值中,可以获得有关分子能级结构的知识,同时从测量技术上评价,它把与分子振动转动能级相联系的红外光谱的直接测量,巧妙地转化为可见光波段的间接测量;1930年拉曼获得诺贝尔物理学奖。1971年诺贝尔化学奖,授予著名光谱学家德国人G.赫兹堡,

总结为一套专著(三卷本),《双原子分子光谱》《多原子分子的红外光谱和拉曼光谱》和《多原子分子的电子光谱》。这里不禁要问,光这个精灵,凭借什么能钻入原子分子的“肚皮”,而将其内部结构的信息携带出来.我们知道,决定原子分子物化性质的主角是电子,或者说是电子的运动状态,而光是一种电磁波,它可以与电子发生直接的相互作用;换言之,光与物质的相互作用,归根结底是电磁波与电子的相互作用,正是凭借这种相互作用,光将微观世界的信息带到人间。

光或电磁波携带物质结构信息的另外一种方式是衍射.光通过一维光栅(晶丝)或二维光栅(晶片)或三维光栅(晶体),将呈现一幅夫琅禾费衍射图样,其衍射斑的分布与光栅结构的几何特征量直接相关,而且,衍射单元越微小,其衍射斑就越分散,因而越便于测量,这里存在一个衍射反比律,及其蕴含的衍射放大原理,这是衍射应用于微结构测量的理论基础;当然,为了获得一张有效的衍射图,应当选择光波长或电磁波长λ 要小于光栅常数d,即λ<d,否则,当λ>d,则衍射波将成为隐失波,仅存在于光栅附近的局域,它不能作为载波,将物质结构的信息传送到远场,供人们观测。作为三维周期结构的晶体,其晶格常数d 约在0.1~1nm,而X 射线作为一种短波长的电磁波,其居中波长λ 在0.1nm,可见两者(d,λ)搭配,用一束X 射线投射晶体可以获得一幅晶体衍射图,世称劳厄斑(劳厄相)和德拜环(德拜相),通过对晶体衍射图样特征的测量,可以反演而求出晶格周期、晶轴方向,乃至重构晶体点阵和空间结构。20世纪初的30年间,研究X 射线晶体衍射成为国际物理学界的一个大热门,先后产生了4 位诺贝尔奖得主,德国 M.劳厄(1914年),英国W.L.布拉格和W.H.布拉格(1915年),荷兰P.J.D 德拜(1936年),他们在这一领域开创性工作,催生了X 射线衍射学、X 射线形貌学和结构化学的建立.衍射手段一直是人类认知微结构的主要途径.60 年前,凭借X 射线衍射图,确认了DNA 的双螺旋结构,开创了分子生物学新时代;30年前,凭借电子衍射图,发现了一类准晶体,开拓了凝聚态物理学和材料科学研究的一片新天地。三结 语

综上所述,从显微镜、望远镜、光谱图和衍射图所彰显的光与信息的关系中,我们充分认可光,这个精灵,像孙悟空神通广大本领高超,迄今为止唯有光,可在宇观世界、宏观世界和微观世界中,自由穿越左右逢源,给人类带来无限丰富的信息。正如著名光学专家、1907年诺贝尔物理学奖得主A. A. 迈克耳孙所言,“光是人类探测无限大和无限小最得力的工具。”

与精灵共舞,与天使对话,人类在未来必将发现光的更多奇异性,必将开拓出光的更多神奇应用,像如今电子计算机、激光、互联网和LED 等这般风光那样,足以深刻影响人类生活,乃至社会进步。

参考文献:

[1]瓦维洛夫.眼睛和太阳[M].汤定元,译.北京:科学出版社,1956.

[2]钟锡华,现代光学基础[M].2版.北京:北京大学出版社,2012.

本文经授权转载自微信公众号“物理与工程”。