牛津通识课 光学

◆带领你三小时读懂光中来自遥远宇宙的信息！ ◆牛津通识课系列是一个可读性强且包罗万千的工具书图书馆。 ◆每本讲透一个知识点，看完就把对应话题了解得明明白白。 ◆牛津大学出版社自1995年开始出版的一套系列丛书，堪称镇社之宝。 ◆由牛津大学牵头，邀各领域专家书写的通识读物。 ◆全球销量超1000万册，多本被欧美高校选为通识课教材。 ◆由点及面的网状知识图谱，按需阅读，帮助读者足不出户了解关于世界的种种真相。 ◆牛津通识课系列是横跨四大知识板块（物理/生物/历史/文化）的大型通识读物。

《牛津通识课》系列丛书，是牛津大学出版社镇社之宝。自1995年出版以来，该系列已经涉及数十种学科，包含近700本读物，全球销量过1000万册。其特点在于，每一本书对应一个主题，每个主题都由该领域的专家撰写。确保读者能在三小时内读懂一个学科。牛津出版社曾这样描述他们的野心：《牛津通识课》将会涵盖所有主要学科,为所有读者提供一个可读性强且包罗万千的工具书图书馆。光是我们对世界的第一印象。因为有光，我们才能看到这个世界，并感知周围事物的变化。但直接被肉眼识别的光，仅仅只占整个光谱的一小部分。大量不可见光携带着从大爆炸开始的信息，跨越遥远星系，最终抵达地球。我们对光的了解越深，就越有可能解开宇宙是如何运作的秘密。在这本小书中，伊恩教授将带领我们从光的那些古怪特性出发，沿着人类认识和使用光的历史前进，最终抵达量子光学领域。读完本书，你会读懂，原来光中包含着来自遥远宇宙的信息。

[英]伊恩·沃姆斯利（Ian Walmsley） 伦敦帝国理工学院教务长，也是该学院实验物理系主任，曾担任牛津大学副校长和胡克大学实验物理学教授。

01光是什么
眼见为实
利用光进行通信
光学
光是什么
02光线
反射
反射成像
折射
透镜成像
光学仪器
成像极限
超颖材料和超级透镜
03光波
无法解释的现象？
波长和频率
干涉
全息技术
再次探讨成像极限
超分辨率成像
衍射
导波
偏振
04光的波粒二象性
再次审视光的轨迹
连接光波与光线
哈密顿的“光学类比”
未解之谜
光的波粒二象性
无即是有
05光物质
振荡原子与弯曲电子
量子光的生成过程
相干性：步调一致
激光
X射线
超短光脉冲
06光、空间与时间
时空
时钟
时钟的同步
超短光脉冲
频率梳
光通信
07探索光学前沿
光力学
超冷
超快
超强
08量子光学
单光子
压缩光
量子纠缠
一个量子游戏
事物的定域属性
09黎明时分
术语对照

     光，使我们看到周围的世界。我们通过对光的感知来收集物理世界的第一手信息，并观察它们的变化。从这个角度来说，光的这种承载与传递信息的能力，也许就是它最重要也最显著的特征。 眼见为实 视觉帮助我们找到自己在周围环境中的位置，同时也帮助我们定义外部事物，为我们构建出一幅真实的世界图景。不仅如此，视觉所激发的想象力远超视觉本身。在图1里我们可以看到乔治·里奇蒙德（George Richmond）的画作《光的创造》，它表现了光在人类心灵中占据了非常核心的位置。英语中还有很多由光的概念衍生出来的词语，例如insight（洞察力）、illumination（既可以译作光源，也可以译作启迪）、clarity（清晰，既可以表示画面或声音的清晰，也可以表示思维的清晰）。这些词语都与人的品质或是世界的物理特性有关。在拉丁语中，有这样两个描述光的词语，一个是lux1，一个是Iumen2。它们分别从物质的角度与形而上学的角度对光进行描述。本书的重点放在前者，即从物质的角度来解析光的概念。在哲学、神学、心理学、艺术和文学领域，光的物理特性与其特有的诗意交织纵横，使得光也常被拿来作比喻，表达对世界的思索，毕竟几乎所有人都感知过光。正是由于光的物理特性，以及人们通过对光的思索而产生的意识观念，使光成为科学家与哲学家们数百年来经久不衰的研究对象。 光赋予万物生命。毫不夸张地说，光与我们人类乃至地球得以存在的生物反应过程和化学反应过程息息相关。可以说，光塑造了我们对周围事物的认知。从日常经验出发，我们也能理解光的这种重要性。例如，我们用光来进行照明，既可以是太阳或者月亮发出的自然光，也可以是人造光。大多数的常见光源都使用电力，但有时候我们也使用化学反应来制造光源，例如燃烧蜡烛。光源的不同特征会影响我们对周围环境的感知，因为不同的光源为它所在的物理空间营造了不同的“情绪”。 光使生命成为可能。地球上的能量主要源自太阳。光是太阳辐射能量的一种主要方式，包括可见光和我们无法直接观测到的不可见光。想象一下，你躺在阳光下的沙滩上，或者坐在室外的花园中，你身上感受到的“温暖”就是因为太阳辐射出的某种不可见光的作用。这只是光的生理效应的一个例子。 为保证生命延续，地球持续进行着一系列令人惊叹的生化反应过程。在这一过程中，光扮演着非常重要的角色，在它的助力下，“无用分子”二氧化碳被转化为“有用分子”氧气。这一反应的逆反应，即将氧气转化为二氧化碳，来自生物的呼吸以及燃料的燃烧。 在太阳光数百万年时间的作用下，地球上的生态圈以及可以提供其他能源的地质特征得以形成。没有太阳能，不管是煤炭还是石油都不可能形成。但是，我们对于这些化石能源的利用正在改变太阳光影响地球的方式。太阳辐射的一些不可见光，例如紫外线，可以被地球和大气所吸收。但是其他不可见光，例如红外线，则会被大气反射回去。同理，由地球表面产生的红外线会被困在大气层之下，导致地球表面温度升高。 利用光进行通信 自人类诞生以来，图像一直都是人类文明的一部分。图像不仅影响着我们对世界的认识，还深深影响着我们对自身所处环境的认知。光学技术在图像方面作出了革命性的贡献。比如，通过胶片和数码摄像可以简单、快速地捕捉影像。这使得人们可以记录下人物、地点和事件来进行报道，并广泛传播出去（现在主要是通过互联网传播，而互联网的应用也离不开光学）。除此之外，它们还可以记录那些具有深远影响的事件，例如领袖与工人们的照片、令人惊叹的自然景观、毛骨悚然的战争场景，这些图像会以意想不到的方式使人们变得团结或分裂。例如：图像可以用来号召群众采取行动，激发同情心，以及使人们对共同拥有的经历进行更深刻的反思，等等。我们可以回想一下人类在月球上迈出第一步的场景（见图2），它引发了全人类的强烈惊喜。捕获移动影像的技术为历史叙事增加了一个新的维度——你能够想象没有电视、电影和视频的生活吗？ P3-8