沈志勛于未來論壇現(xiàn)場演講

演講 | 沈志勛（斯坦福大學(xué)物理科學(xué)講席教授，美國國家科學(xué)院院士）

整理 | 張林峰

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謝謝大家給我這樣一個(gè)機(jī)會(huì)跟大家交流。我們今天在這里是回顧愛因斯坦1905年和1915年的狹義相對論和廣義相對論。幾乎同時(shí)在這兩個(gè)時(shí)段，即1905年和1917年，愛因斯坦又發(fā)表了兩篇也是非常重要的工作，使得人類對光的認(rèn)識提高到了一個(gè)新的高度。我想今天給大家介紹一下這件事情。

物理學(xué)有幾個(gè)大的極限。物理學(xué)的一個(gè)極限是非常大尺度的，像宇宙這樣的東西。物理學(xué)的另外一個(gè)極限是宇宙當(dāng)中最基本的粒子這樣小的東西。物理學(xué)還有一個(gè)極限就是把很多東西放在一起所展現(xiàn)出來特殊的效果，這就是集體的效應(yīng)，超導(dǎo)就是這么一個(gè)現(xiàn)象。

物理學(xué)的幾大極限

物理學(xué)還有一個(gè)極限是光。大家知道光的速度非?？欤馑偈撬俣鹊纳舷?。人類對光的認(rèn)知有非常久遠(yuǎn)的歷史，光是人類認(rèn)識世界的最重要的手段之一。從遠(yuǎn)古至今，幾乎在所有的文明中大家都在猜測光。古希臘對于光的本質(zhì)有過很多很多的猜想。但是光作為一門科學(xué)，對光的本質(zhì)的認(rèn)識，是大概四五百年以前牛頓在 Gassendi （伽桑狄，法國數(shù)學(xué)家，1592~1655）的基礎(chǔ)上發(fā)展的。他認(rèn)為光是一種粒子，有折射，有反射，這就是我們大家在中學(xué)或者是大學(xué)物理里面能夠?qū)W到的所謂牛頓光學(xué)或者是幾何光學(xué)。

對經(jīng)典光粒子論作出重要貢獻(xiàn)的兩位科學(xué)家 Pierre Gassendi（左）及 Isaac Newton （右）

但是過了一個(gè)世紀(jì)以后，Thomas Young 做了一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)，顛覆了牛頓的光粒子論。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是怎樣做的呢？Thomas Young 先讓一束光通過一個(gè)縫，然后在縫隙的板后面再加了一個(gè)雙縫。如果說光是一個(gè)粒子的話，直接打過去就不一定能夠通過雙縫。但是如果光是光波的話就可以繞過去，而且通過兩個(gè)縫繞過去以后，會(huì)形成一個(gè)干涉條紋。下圖是 Thomas 和他做的實(shí)驗(yàn)的示意圖及結(jié)果，可以看到一條一條的條紋。這個(gè)實(shí)驗(yàn)毫無疑問地建立了光是波的這么一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

對光波論作出重要貢獻(xiàn)的 Thomas Young，其實(shí)驗(yàn)示意圖及結(jié)果圖

又過了五十年，電磁學(xué)建立。在 Faraday 實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上 Maxwell 建立了麥?zhǔn)戏匠?。我們知道，在麥?zhǔn)戏匠探⒁院?，從最基本的電磁學(xué)的數(shù)據(jù)當(dāng)中，我們可以得到電磁波的速度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)和測算出來的光速是一樣的。由此人們第一次感覺到了光是電磁波的一種。

寫出麥?zhǔn)戏匠痰?James Clerk Maxwell 以及其方程的部分解，其中真空光速由兩個(gè)已知參數(shù)真空磁導(dǎo)率與真空電容率確定

今天大家知道電磁波有非常廣的應(yīng)用。從廣播，從我們微信的微波，一直到X光都是電磁波的不同波段?？梢姽馐瞧渲蟹浅Ｉ俚囊欢巍Ｓ捎谶@幾個(gè)實(shí)驗(yàn)和麥?zhǔn)侠碚摰慕?，基本上大家就認(rèn)為光作為電磁波是毫無異議的。

但是到了1902年，Phillip Lenard 在赫茲實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上做了這么一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)。他在真空管里面打入光以后，這光就會(huì)在材料表面再打出電子，即所謂的光電子，然后用一個(gè)非常簡單的電路來測出光電子的能量。他驚奇地發(fā)現(xiàn)光電子的能量和光的強(qiáng)度是毫無關(guān)系的，而且跟它的頻率有關(guān)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是沒有辦法用光的光波性質(zhì)來解釋的，但那個(gè)時(shí)候我們不知道物質(zhì)有波粒二相性，所以這是物理學(xué)里面一個(gè)非常大的問題！這就是光電效應(yīng)。

做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的 Phillip Lenard，以及其實(shí)驗(yàn)的示意圖

1905年，也就是同一年，愛因斯坦還在瑞士專利局做小職員的時(shí)候，他除了寫了一篇著名的狹義相對論以外還寫了一篇光電效應(yīng)的文章，其中他第一次提出來光是一種粒子，也就是光是量子這樣一個(gè)概念。愛因斯坦的這個(gè)工作可能是他所有工作中最有爭議的一個(gè)，他自己在晚年當(dāng)中回憶。因?yàn)榇蠹覍庾鳛橐粋€(gè)光波的概念已經(jīng)接受得這么深入，以至于重新提出來光是一種粒子實(shí)際上對愛因斯坦在當(dāng)時(shí)的聲譽(yù)產(chǎn)生影響。

所以在八年以后，也就是1913年，普朗克擔(dān)心愛因斯坦由于光電效應(yīng)這篇文章而影響他的聲譽(yù)，選不上布魯士科學(xué)院的院士——今天我們回過頭來看愛因斯坦選不上院士是非?？尚Φ囊患隆云绽士藢懶耪f愛因斯坦對近代物理所有的問題都做出了杰出的貢獻(xiàn)，在思考上的偶然失誤，比如說光的量子論是可以原諒的，因?yàn)榧词乖谧顕?yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)中提出嶄新的概念也是要帶來風(fēng)險(xiǎn)的。

在科學(xué)史上這封信為什么這么重要有兩點(diǎn)原因。第一，大家都知道普朗克是量子力學(xué)之父，他第一個(gè)提出了量子的概念；第二，他也是愛因斯坦的伯樂，他第一次發(fā)現(xiàn)了年輕的愛因斯坦，并且提攜了他?？梢韵胂笠幌逻@封信從普朗克那里出來的，連普朗克這位量子力學(xué)之父都不相信愛因斯坦的光的量子論，可以想象這個(gè)爭議有多么大。最后事實(shí)證明愛因斯坦是正確的。

愛因斯坦及其光電效應(yīng)方程

1921年瑞典皇家科學(xué)院授予愛因斯坦諾貝爾獎(jiǎng)金的時(shí)候，并不是因他更著名的相對論給他頒獎(jiǎng)的。而是說，他因?qū)碚撐锢淼呢暙I(xiàn)，尤其是對光電效應(yīng)原理的解釋獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。 他將人類對光的認(rèn)知提高到了一個(gè)更高的高度。當(dāng)然到了1921年我們對光的波粒二相性已經(jīng)是完全接受了。這并不是一個(gè)像早期的時(shí)候人們認(rèn)為的，覺得只是在牛頓的基礎(chǔ)上回到牛頓，而是在更高的層次上被接受。

給愛因斯坦的諾貝爾頒獎(jiǎng)詞

1917年愛因斯坦又寫了一篇著名的文章，就是所謂的受激輻射。他說一個(gè)光子打到一個(gè)材料里面可以引誘出很多光子的發(fā)射，而且所有的其他光子發(fā)射的工作是完全一致的，有一個(gè)協(xié)同的效應(yīng)。這就是今天所謂的激光。激光之所以跟一般的光不一樣，是因?yàn)榧す猱?dāng)中的每一個(gè)光子都是互相協(xié)作的，這就是物理上所說的相干性。這為后來的激光的發(fā)明奠定了理論基礎(chǔ)。

1917年的愛因斯坦和他提出的受激輻射示意圖

所以，人類對光電的量子認(rèn)知改變了我們的生活，我們今天講到很多的互聯(lián)網(wǎng)，世界連在一起，如果沒有光纖通訊，我想是很難做到的。今天我們會(huì)看到很多的科研是以光為手段的量子信息，和量子計(jì)算，將來有一天也許光會(huì)給我們帶來了下一步的突破。

光通訊與量子通訊和量子計(jì)算

今天我們可以享受由太陽能，即光的量子帶給我們的清潔能源。走向未來是不是哪一天可以用激光作為研究核聚變的最重要的手段之一，是不是真正地能夠在地球上找出可控的人造太陽？大家都知道我們?nèi)祟惖哪芰慷际菑奶杹淼?，太陽上發(fā)生的就是核聚變的過程。激光制造也用到光電量子的概念。下圖激光制造部分左邊是半導(dǎo)體的一些測試，右邊是激光切割。我想激光在制造業(yè)中會(huì)變得越來越重要。

光伏太陽能、激光聚變與激光制造

還有就是激光醫(yī)療，激光在醫(yī)療上用得越來越多。一些常見的手術(shù)，例如近視眼的修正這些都是用激光做的。激光還在照明和娛樂，你看我們今天這樣一個(gè)光場，如果沒有現(xiàn)代光學(xué)，也是不可能的。這就涉及到了LED照明。

激光醫(yī)療、照明與娛樂

我想我們也許并不一定知道是具體到哪一天，但是很多人相信在不遠(yuǎn)的將來，我們會(huì)體驗(yàn)光所產(chǎn)生的虛擬世界，這種事情會(huì)越來越多。我們可以得到一種超越時(shí)空的人生經(jīng)歷，我們講今后的一百年非常有可能我們?nèi)祟愂且巧匣鹦堑?。也許當(dāng)人類登上火星的那天，我們大家有可能通過一個(gè)虛擬的過程同步體驗(yàn)我們?nèi)祟愖呦蛴钪婵绯龅臍v史性的一步。

虛擬現(xiàn)實(shí)和超越時(shí)空的人生經(jīng)歷

不僅僅是在應(yīng)用當(dāng)中，人類對光的量子認(rèn)知也提供了非常重要的科學(xué)研究手段。由光電效應(yīng)所衍生的光電能譜，對物理學(xué)，尤其是凝聚態(tài)物理學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)都有著深刻的影響。拿我們凝聚態(tài)物理學(xué)做一個(gè)例子，你看，在幾乎所有的量子材料研究中，光都起了非常重要的作用。比如說高溫超導(dǎo)和界面超導(dǎo)，比如說半導(dǎo)體，比如說拓?fù)洳牧?，比如說奇異的碳材料，碳60啊，石墨烯啊，鉆石啊等等，比如說二維的氧化物，比如說電荷密度波，極子材料，還有稀土重費(fèi)米子，這包括了凝聚態(tài)物理量子材料的幾乎所有的題目。

光電能譜在量子材料研究中的廣泛應(yīng)用

光電效應(yīng)所衍生的光電能譜對量子材料的電子結(jié)構(gòu)了解提供了最核心的信息。拿我們自己的研究做一個(gè)例子，光電能譜對高溫超導(dǎo)的對稱性產(chǎn)生了很大的影響。我們在二十幾年前就是用光電能譜看出來高溫超導(dǎo)的對稱性和普通超導(dǎo)不一樣，是一個(gè)D波配對的對稱性的原理。過去十年，我們又可以用光電效應(yīng)對高溫超導(dǎo)的電子相圖做研究，這樣一個(gè)相圖是用其他手段非常難做的。有了這樣一個(gè)電子能譜以后，你可以對這個(gè)材料有一個(gè)非常深刻的了解。

D波配對及其對稱性示意圖

這個(gè)手段一來可以做很多很多的事情，二來由于光電能譜同時(shí)對理論和實(shí)驗(yàn)都有非常高的要求，所以它也是一個(gè)培養(yǎng)人才和訓(xùn)練人的一個(gè)非常好的手段，從我自己的體會(huì)來看我自己過去這二十年帶的學(xué)生的話，回過頭來看，雖然受的訓(xùn)練是在光電效應(yīng)，但是他們?nèi)サ念I(lǐng)域，后來做的工作，都是非常非常廣闊的。所以說這也是一個(gè)非常好的訓(xùn)練方法。

我最后再回顧一下我們剛剛講的。愛因斯坦是做了非常多的、非常重要的工作。我們知道狹義相對論、廣義相對論，而幾乎是同時(shí)，他對人類對光的認(rèn)知有著深刻的貢獻(xiàn)，而且真正影響了人類文明的進(jìn)程。光電效應(yīng)所衍生的對光的量子認(rèn)知將人類對光的認(rèn)識提高到了一個(gè)嶄新的高度，為量子論的建立提供了一個(gè)重要的基石。光電效應(yīng)、黑體輻射、氫的光譜是量子力學(xué)建立的三個(gè)最早期的實(shí)驗(yàn)基石。愛因斯坦對光的量子認(rèn)知為現(xiàn)代激光的發(fā)明奠定了理論的基礎(chǔ)。

量子力學(xué)和激光催生了現(xiàn)代電子學(xué)和光學(xué)通訊，促成了信息革命，在一定意義上來說從根本上改變了人類的生活。今天，光的量子認(rèn)知依然是現(xiàn)代發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新的源泉，從基礎(chǔ)科學(xué)到新材料，新能源，從照明到娛樂，從光的通訊到量子計(jì)算，從激光制造到光醫(yī)學(xué)，從全息成像到虛擬世界，這依然是一個(gè)非常令人期待的領(lǐng)域，我想我們看到的是冰山一角。

謝謝大家。

本文經(jīng)演講者本人審定，圖片選自演講PPT。

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