创新

光之科学

波纹、波浪和光线的真相

我们总是不由自主地为光所吸引并深有感触。无论我们是探究太阳的起落和天体运动,还是了解颜色、反射和折射如何引起我们的感官反应,光总能不断带来惊喜并引发我们的好奇心。从欧几里得的古希腊光学起源开始,历史上许多伟大的思想家都在定义“光”,古往今来从未止步。启蒙运动的发现围绕着光、太阳和星星,而牛顿的光粒子理论与惠更斯和托马斯·杨的光波概念背道而驰。思想碰撞之后,这一基本元素的现代定义渐渐有了雏形,我们对光的认知越来越明朗,逐渐走出了未知的神秘阴影。

暗影中的光芒

20 世纪,正因有了爱因斯坦的智慧,物理学和光学领域所取得的成果蔚为壮观。广义相对论仿佛打开了人类认知的潘多拉魔盒,改变了我们对光的本质和宇宙结构的看法。后来,斯蒂芬·霍金采用更人性化的方式研究黑洞、光奇异点和更广阔的宇宙;前所未想地打开了大众和科学界的视野,改变了我们对光的理解,同时也促进了人们对该领域的进一步研究。

正是由于这些伟大科学家们孜孜不倦的工作,不仅加深了我们对光的理解,更将我们带到了宇宙的无垠之处,把我们的视野从地球扩展到太空,并帮助我们了解宇宙的诞生以及我们在宇宙中的位置。有了他们对光、光的运动和反应方式,以及光谱如何传播无限远的了解,我们也比过往都看得更远。

爱因斯坦可以说是历史上最伟大的智者之一,但他的言论并非不可辩驳的真理;而只是抵达真理前的重要一步。近年来,就连他最著名的论断——真空中光速恒定,也遭到了质疑和驳斥。2016 年,由霍金首次提出的新理论兴起,声称在大爆炸后的初期,光速既是可变且无限的,从而形成瞬刻照亮整个宇宙的画面;这是光、时间和重力一同壮大的辉煌时刻。如此一来,反而催生出更多疑问、更多的理解模型,以及更多重新理解光及其新奥秘的方式。

 
超越棱镜的光之世界
 

在迈向 21 世纪的第三个十年,光科学丝毫没有放缓探索的脚步。随着物理学家近年来出人意料的发现,越来越多光的神秘特性被一一揭开,其未知的潜藏能量让人们激动不已。

物理学和光学领域的最新方向大多围绕着轨道角动量的发现,这一术语指的是光被扭曲成螺旋形以形成强光的方式。目前,这些螺旋和旋转的光束正被运用于一系列杰出技术中,比如显著增加光纤传输的数据量,增强显微镜的检查能力,以及支持纳米颗粒、量子点和活细胞的操作。

在认识到光可以扭曲成螺旋光束后,科学家们就会开始寻找加速或减缓旋转速度的方法,以改变应用光束的方式。通过更高或更低频率的光脉冲,可以产生一种被称为‘“自转矩”’的现象,这表明光在某些精确环境中的行为远非一成不变,而如此潜力会带来无限可能。

光之领悟

不同背景的物理学家和光科学家穷其一生都在观察光、光束、光波和粒子,历经几代人的努力,通过一系列挑战和反应实验以求揭开光的奥秘。而如今的科学家力求征服光,以控制其形态和运动,并将几百年来积累的知识付诸实践,从而改变世界。

虽然轨道角动量揭示了光在特定条件下的行为方式,但在过去的几年里,光束的实际应用突飞猛进,将光科学推向了更多可能的新领域。2017 年,科学家们发现了操纵光的新方式:通过电路板在角落发射光束,更重要的还有在设备之间以复杂的脉冲和闪光形式传输数据。因此,光将取代电信号,成为一种更快、更高效、更可靠的通讯方式。

光和数据传输的结合可能会造就一个新时代。我们一旦解锁更多控制、操纵和使用光的新方法,反而更难预见这些前沿技术可以延伸多远,能将技术视野拓展至多广。从开始的观星到透过棱镜分解光线,都注定了我们大胆开创的新未来闪耀着万丈光芒。

图片来源 ©MichaelDuva
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