光的脚步

光的脚步

方正三中 郑晓东

　　一.《墨经》中的几何光学

　　在百家争鸣的春秋战国时代，出现了一部知识面广、内容深邃精到的著作——《墨经》。它由墨家学者集体创作，囊括了哲学、经济学、科学等多学科的内容，堪称为当时的百科全书。其中它也记载了丰富的物理学知识，包括力学以及几何光学等。

　　《墨经》中论述了几何光学中的诸多主题，涉及的知识有影、小孔成像、平面镜、凹面镜、凸面镜成像，还说明了焦距和物体成像的关系，这些比古希腊欧几里得(约公元前330—前275)的光学记载早百余年。

　　墨子在当时就已知道光是沿直线传播的。墨子和他的学生做了世界上最早的“小孔成像”实验，并对实验结果作出了精辟的见解。在一间黑暗的小屋朝阳的墙上开一个小孔，人对着小孔站在屋外，屋里相对的墙上就会出现一个倒立的人影。《墨经》中对此解释道：“景光之人煦若射，下者之入也高，高者之入也下。”意思是，因为光线如箭般直线行进，人体下部挡住直射过来的光线，射过小孔，成影在上边;人体上部挡住直射过来的光线，穿过小孔，成影在下边，就成了倒立的影。这是对光沿直线传播的第一次科学解释。

　　《墨经》中还利用光的直线传播原理解释了物体和投影的关系。墨家认为，光被遮挡就产生投影，物体的投影并不会跟随物体一起移动。飞翔的鸟儿，它的影子仿佛也在飞动着，实际上是新旧投影的不断更新。在二千多年前，能对光的性质做如此深入细致的研究极为不易。

　　墨家在研究了两个光源同时照射一个物体的成影现象以后指出：一个物体有两种投影，是由于它受到两个光源照射的缘故;如果只有一个光源照射一个物体，则只会产生一个投影。这些论述与现代光学中的“本影”、“半影”的描述吻合。

　　我国在3000多年前就出现了青铜镜，到了战国时期，无论在青铜镜的制造和使用方面都积累了丰富的经验。墨子和他的弟子对镜子成像的原理进行了深入的研究，提出了平面镜、凹面镜和凸面镜的成像理论。

　　在分析镜面成像的时候，墨家把物体看作无数物点组成的，所成的像由无数“糗”组成。“糗”字在这里含意为极细小的物体，描述物体成像的像点。

　　墨家知道光在透镜或凹面镜之前会聚焦。《墨经》上说：“在远近有端与于光，故景瘴內也。”景即影，指物体的影像;內即纳，也就是聚集在一点的意思。《墨经》里常称焦点为“正”或“內”，由此可知墨家已研究出光线聚集的规律。

　　墨家对凸面镜形成虚像的原理也很了解。《墨经》记载：“景之糗无数，而必过正，故同处其体俱然。”意思是说：物体影子由物体距离镜子距离的远近来确定，任何一处都可成影，所以说影无数，但这些影子都必然通过焦点，即过“正”。在我们知道的所有能成像的物体中，太阳是最远的，所以它成像在焦点上。而物体离镜面愈近，成像的位置愈远;如果物体和太阳一样远，则影像也在焦点上，所以说，“同处，其体俱然”。

　　墨家已经知道凹面镜成倒实像的现象，《墨经》说：“临镜而立，景到。”意指物体经过凹面镜的反射，所成的影像是倒的。书中对这种现象给出了解释：“足敝下光，故成景于上;首敝上光，故成景于下。”

　　二.激光准直

　　激光由于具有亮度高、方向性强、单色性好，相干性强等特点，在工程、医疗等方面得到了广泛的应用。这里仅就基本建设工程的施工测量中的应用作简单介绍。

　　在基建工程中，为保持施工作业的质量，常常需要提供较高精度的横向、竖直基准线。以激光束作基准线精度在±1mm 以内的作业，称为激光准直。

　　激光准直，需要激光发射角控制得很小，使光束尽量集中，以获得尽可能长的准直距离。目前激光准直技术在基础建设工程中的应用主要在以下两个方面。

　　(1)在开凿地下隧道工程中，过去用普通光学经纬仪等仪器，在人工照明条件下，设立桩标，建立基准线。这种方法一方面需要不断停工，影响掘进速度;另一方面在照明不足、粉尘浓度大的情况下，测程短，需要测的次数多，质量也不易得到保证。而在地铁、隧道工程中，应用激光准直，激光束可达300m远，并且亮度大，看得清楚;也便于用光电检测自动控制系统调整掘进机的方向。在大型掘进中，还可增加激光束的数量，当激光束较多时，可形成开掘面的轮廓，保证工程质量。

　　(2)在大型建筑施工中，经常有大面积饰面板安装工程，如大理石贴面、地板安装等。在这种情况下，利用激光束作基准线，可以提高精度。

　　图4-1-3激光准直毛主席纪念堂柱廊有44根柱子，每边12根，用大块的经过刨床加工过的花岗石作饰面，为了使12根廊柱外饰面共在一个铅直面上，采用了激光准直仪为最下面的两列石板准直。施工中，先使仪器发出的激光束与柱列中心线平行(如图4-1-3)，再以激光束作为检查每根柱上花岗石板共铅直面的基准，可保证各石板共铅直面精度达到毫米量级。

　　在面积大、人员多、交通频繁的施工场合，激光准直线不怕碰、不怕风、不妨碍交通，使用方便、准确可靠。

　　三.光的传播速度

　　大多数物质不会使光速明显变慢。然而， 1998 年美国哈佛大学的 Lene Vestergaard Hau 宣布，她把光速降到了每秒17m。2001年，她使光完全停止了。当然，她的研究小组所用的不是普通材料，而是玻色—爱因斯坦凝聚态的物质。

　　这种非同寻常的物质由一团原子云组成，这团原子云冷却到绝对零度以上百万分之一度，从而形成玻色—爱因斯坦凝聚体。它实质是一个单一的量子物体，有点像一个巨大的原子，其中所有的原子都处在同一量子态上，以同样方式运动，仿佛它们就是一个物体。

　　使光速变慢的技巧，在于用两束垂直相交的光照射玻色—爱因斯坦凝聚体。其中一束携带信息，称为探测光;另一束称为耦合光。耦合光照射到凝聚体上时，会使它变得完全透明，从而使探测光能够穿过(如图 4-1-4 )。

　　钠原子的最外层轨道上有一个电子，探测光与这个电子之间的相互作用对这一过程非常关键。当一个原子从探测光束吸收一个光子时，外层电子跳到一个较高的能级。很短一段时间之后，它又跌回到原来的能级，释放出一个光子。不走运的是，这个过程完全是随机的，因此原有光束中所有的信息都丢失了。

　　探测光脉冲频率不同的组成部分在穿过凝聚物时速度不同，这样的结果是一个输入脉冲在钠原子云中聚成一团，缓缓通过，其间原子的自旋受脉冲的影响发生变化。如果耦合光在此时被撤去，光脉冲(或至少是其中的信息)就被束缚在原子的自旋方式里，光束实质上停止了。耦合光再次亮起，凝聚物就重新释放出光脉冲。

　　放慢或停止光的脚步，可能在运算方面获得实际应用。物理学家长久以来一直想制造光子计算机，利用光子而非电子来传递信号、执行运算。他们还希望造出量子计算机，利用原子的量子态和奇异的量子原理来制造运算能力超强的处理器。 Hau 对付光的技巧还可能帮助科学家们模拟光在黑洞附近的行为。实际上，研究光速也许是解开宇宙最深奥秘——那些由光速帮助决定的奥秘——的最佳途径。

　　四.光源

　　人造光源有着漫长的发展史。据考古资料，在距今约20万～ 70万年前，旧石器时代的北京猿人已经开始将火用于生活之中，穴居的原始人就靠着篝火照明，随后逐渐学会了使用火把。在我国的史书记载中，灯具见于传说中的黄帝时期，《周礼》中也记载有专司取火或照明的官职，在战国时期则出现了成型的油灯，随后又发明了蜡烛。 1878年美国发明家托马斯·爱迪生( Tomas A.Edison ，1847—1931)发明了现代的电灯(白炽灯)，并迅速在世界范围内得以广泛使用20世纪初电灯传入我国。20世纪30年代管状日光灯问世，很快被广泛采用，成为又一种重要的照明光源。20世纪70年代荷兰飞利浦公司发明了紧凑型荧光灯(即节能灯)，现在已逐渐得到了广泛使用。