01 / 导读
导读
引用
Walmsley, I. A. (2015). Light: A Very Short Introduction. Oxford University Press.
章节概要
这是牛津“通识读本”（Very Short Introductions）系列中的一本袖珍书：约125页共九章，之后是延伸阅读和索引。作者伊恩·沃姆斯利是一位实验物理学家，三十多年来从事超快激光科学、量子光学和量子信息的研究。第1章说明，本书关注的是作为物理现象的光，而不是光的隐喻含义。出版社的介绍概括了全书脉络：早期理论、波与粒子之争、作为电磁波的光、波粒二象性、从微波炉到激光的应用，以及用于通信和计算的新型量子光源。
第1章：什么是光？
全书从视觉以及光携带信息的能力讲起，作者称这或许是光最重要的特征。本章还讨论太阳光和其他光源、亮度与颜色（包括牛顿和歌德）、从无线电波到伽马射线的电磁波谱、罗莎琳德·富兰克林工作中的X射线衍射，以及从法拉第到赫兹、把光与电和磁联系起来的十九世纪物理学家。
第2章：光线
光的光线图像：反射、折射与斯涅尔定律、费马原理、透镜与色差、眼睛、眼镜与激光视力矫正手术，以及显微镜和望远镜（包括哈勃空间望远镜和导星的使用）。表示分辨率极限的阿贝判据在这里出现，本章最后谈到超材料和约翰·彭德里的工作。
第3章：波
从惠更斯、格里马尔迪到麦克斯韦的波动模型：干涉与衍射、偏振、方解石等双折射晶体，以及以太。应用包括全息图（丹尼斯·伽博）、防伪设计、液晶显示器、3D电影，以及突破阿贝极限的超分辨显微技术。
第4章：二象性
波动图像与粒子图像如何得到调和。本章讨论最小作用量原理与哈密顿的光学类比、黑体辐射与普朗克、光谱线、爱因斯坦与光电效应、玻尔、G. I. 泰勒的实验、德布罗意、薛定谔和狄拉克，以及量子真空与兰姆位移。
第5章：光与物质
光与物质的相互作用：吸收、荧光、发光二极管与极光、自发辐射与受激辐射，以及带有光学谐振腔、模式和相干性的激光。应用从CD、DVD、蓝光光盘到光谱学和同步辐射光源；本章还追溯了高速摄影的历史，从迈布里奇和埃杰顿的频闪仪一直到飞秒化学和阿秒科学。
第6章：光、空间与时间
作为空间与时间量度的光：相对论与时间膨胀、光速，以及从铯原子标准到使用锶和铝的光钟等各种时钟。锁模激光器和光学频率梳充当“光学齿轮装置”，本章把这种精度与GPS和各国标准实验室联系起来。
第7章：照亮前沿
在当前研究前沿被用作工具的光：光镊与光力学、光学制冷与玻色—爱因斯坦凝聚、极紫外脉冲与泵浦—探测实验、压缩光，以及国家点火装置等设施中用于等离子体物理的高功率激光。
第8章：量子光
量子光与经典光的区别：单光子与预报单光子、标准量子极限、不可克隆定理、纠缠与爱因斯坦—波多尔斯基—罗森论证、贝尔检验与非定域性，以及在量子随机数生成、量子计量和量子密钥分发中的应用。
第9章：暮光
两页篇幅的结尾感想，其中引用了威廉·布莱克。
核心概念
第1–3章：光线与波
- 电磁波谱：可见光只是从无线电波到伽马射线这一范围中的一小部分。
- 折射与斯涅尔定律：光在界面处的偏折，由折射率决定。
- 阿贝判据：光的波长对成像分辨率所设的极限。
- 干涉与偏振：全息图、显示器和超分辨方法所依赖的波动性质。
第4–5章：二象性与物质
- 波粒二象性：光在某些实验中表现为波，在另一些实验中表现为粒子（光子）。
- 受激辐射：由入射光引发的辐射，是激光的原理。
- 相干性：使激光不同于灯泡光的有序相位关系。
第6–8章：时间、前沿与量子光
- 光学频率梳：锁模激光器的光谱，用来计数光钟的振荡。
- 光镊：用光来捕获和移动微小物体。
- 纠缠：光子之间强于任何经典解释所允许的关联，通过贝尔实验加以检验。
- 量子密钥分发：基于单光子性质的安全通信。
评析
优点
- 出自领域内部的视角。 作者的研究领域——超快激光、量子光学和量子信息——正是第5–8章的主题，这使本书后半部分对一本简短入门书而言视角格外新颖。
- 篇幅虽小，覆盖面广。 全书从欧几里得、海什木一直讲到光学频率梳、超材料和量子密钥分发，把历史人物、仪器和当今的研究设施并列介绍。
- 把概念与技术联系起来。 每个物理概念都与读者熟悉或使用的东西联系起来：折射对应眼睛和眼镜，偏振对应显示器和3D电影，激光对应光盘，光钟对应GPS。
- 指明了进一步学习的路径。 延伸阅读把非技术性读物和专业教材分开列出，后者包括玻恩与沃尔夫的 Principles of Optics。
局限
- 非常简短。 约125页共九章，几何光学、波动光学、激光等主要主题各只有一章，后半部分的许多主题只有几页。
- 是概览而非实用知识。 本书并不以教科书自居，不能为求解光学问题打下基础。
- 后半部分较难。 第6–8章涉及压缩光、不可克隆定理和贝尔检验等前沿主题，对物理新手来说可能比开头几章难读。
在课程中的定位
在这份波动与光学书单中，本书是最平易的入口：一本可以在教科书之前或同时阅读的简短通识读物。A. P. 弗伦奇的 Vibrations and Waves 提供光学所依赖的振动与波的数学。赫克特的 Optics 和佩德罗蒂等人的 Introduction to Optics 是用公式和习题展开光线光学、干涉、衍射和偏振的本科课程教材，沃姆斯利的第2、3章可以作为这些主题的预览。萨利赫与泰希的 Fundamentals of Photonics 接续沃姆斯利关于激光和量子光的章节继续深入；玻恩与沃尔夫的 Principles of Optics 也出现在沃姆斯利自己的延伸阅读中，是把光学作为电磁理论来处理的高级参考书。
如何使用本书
本书适合所有刚开始接触光学的人：即将修读波动与光学课程的一年级学生、来自其他领域的读者，或想了解光学课程最终通向何处的学生。全书可以分两三次读完。
- 先读： 第1–4章，即从光线到波再到光子的概念史，这是课程教科书默认读者已经了解的内容。
- 然后： 讨论光与物质和激光的第5章，它是通往现代光学的桥梁。
- 用于定向： 第6–8章可以当作当前研究的地图来读；在第一门课程中详细学过相干性和偏振等术语之后，再回头重读。
阅读时，记下书中提到的每一种现象或装置（斯涅尔定律、阿贝极限、双折射、受激辐射），并在课程教科书中找到对其进行定量处理的地方。延伸阅读书目是撰写光学史或光学应用方面的论文或项目的良好起点。