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未来论坛沈志勋:光的量子认知促成信息革命

     1月17日,未来论坛2016年会召开,下午的论坛的第一个主题是爱因斯坦之光电效应,一个世纪的认知与创新。斯坦福大学物理讲习教授,美国国家科学院院士沈志勋先生参会并做了主题演讲。

  沈志勋首先回顾了狭义相对论和广义相对论,并针对当下物理学的几大研究领域谈了自己的看法。在他看来,物理学有几个大的极限,一个极限是非常大尺度的,像宇宙这样的东西。另外一个极限是宇宙当中最基本的粒子,还有一个极限是把很多东西放在一起所展现出来特殊的效果。

  他还谈到了光纤通讯的重要性,互联网把世界连在一起,但如果没有光纤通讯,这一切将不会存在。

  以下为沈志勋的演讲全文:

  谢谢大家给这样一个机会跟大家交流,我们今天在这里是回顾爱因斯坦1905年和1915年的狭义相对论和广义相对论,1905和1917年爱因斯坦发表了两篇非常重要的工作,就是人们对光的认识提高了一个新的高度。我想今天给大家介绍一下这件事。

  物理学有几个大的极限,物理学的一个极限是非常大尺度的,像宇宙这样的东西。物理学另外一个极限是宇宙当中最基本的粒子,物理学还有一个极限是把很多东西放在一起所展现出来特殊的效果。这个是集体的效应,超导,就是这么一个现象。

  物理学还有一个领域是光,大家知道光的速度非常快,速度的上限。人类对光的认知是有非常久远的历史,光是人类认知世界一个最重要的手段之一。从远古,几乎所有的文明都在猜测光,古希腊对于光的本质有过很多很多的猜想。但是光作为一个科学,光的本质的认识,大概在五百年以前,是牛顿在的基础上发展的,认为光是一种粒子,有折射和反射,大家在中学或者是大学物理里面所谓学到的牛顿光学或者是几何光学。

  但是过了一个世纪以后有这么一个重要的试验,在托马斯杨做了这么一个非常重要光的试验,所以颠覆了牛顿的光的粒子论。这个试验是怎么样的呢?作为一个先让光通过一个缝,在缝隙的板后面再加了一个双缝,如果说光是一个粒子的话,直接打过去,就不一定能够过去。但是如果光是光波的话就可以绕过去,而且通过两个缝绕过去以后,会形成一个条纹,这就是托马斯做的试验的一张照片,看到一条一条的条文。这个试验毫无疑义的光建立一个波,又了五十年,电磁的建立,在法拉第的基础上建立的迈斯方程,从一个最基本的电磁学的数据中,我们可以得到光的和电磁波的速度测出来是一样的,这是为什么我们第一次感觉到了光是电磁波的一种。

  今天大家知道电磁波有非常广的,从广播,从我们微信的微波,一直到X光都是电磁波的不同波段,可见光是当中非常少的一段。由于这几个试验和脉磁理论的建议,大家基本上认为光作为电磁波是毫无异议的。到了1902年,飞利浦在赫兹验基础上做了一个这样的试验,把光在真空光里面打入光以后打入电子,用一个非常简单的来测出光的能量,惊奇的发现光的能量和光的强度是毫无关系的,而且跟他的频率有关。这个试验结果是没有办法用光的光波性质来解释的,那个时候我们不知道物质有波力二向性,这是物理学希望里面一个非常大的问题!就是光电效应。

  1905年,也就是同一年,爱因斯坦还在这个瑞士专利局做小职员的时候,除了写了一篇著名的狭义相对论以外也写了一篇光电效应,第一次提出来光是一个粒子,就是光的亮子这样一个概念。爱因斯坦的这个概念可能是他所有的工作中最有争议的一个工作之一,自己在晚年当中,因为大家对光作为一个光波的概念的深入是已经接受得这么深入,重新提出来作为一个粒子,实际上对爱因斯坦在当时的声誉影响非常大。所以在八年之后,也就是说爱因斯坦这篇文章是1905年,在1913年,弗兰克因为担心爱因斯坦由于光电效应影响他的声誉,选不上布鲁兹科学院的院士,今天我们回过头来看爱因斯坦选不上院士是非常可笑的一件事,所以爱因斯坦对近代物理所有的问题都做出了贡献,在思考上的偶然事务,比如说光的量子论是可以原谅的,因为在最严谨的科学中提出崭新的概念也是可以带来风险的。为什么科学史上这么重要,还是有两点,第一个是弗兰克第一次提出了量子力学的概念,另外他也是爱因斯坦的伯乐,他第一次发现了年轻的爱因斯坦,并且提携了他,可以想一下这封信在弗兰克,都不相信光的量子论,可以想见这个争议这多么大,爱因斯坦是正确的,1961年授予爱因斯坦诺贝尔奖金的时候,他对理论物理的贡献,尤其是对光电效应的原理解释获得了诺贝尔奖品。

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