01 / 導讀
導讀
引用
Walmsley, I. A. (2015). Light: A Very Short Introduction. Oxford University Press.
章節概要
這是牛津「通識讀本」（Very Short Introductions）系列中的一本袖珍書：約125頁共九章，之後是延伸閱讀和索引。作者伊恩·沃姆斯利是一位實驗物理學家，三十多年來從事超快雷射科學、量子光學和量子資訊的研究。第1章說明，本書關注的是作為物理現象的光，而不是光的隱喻含義。出版社的介紹概括了全書脈絡：早期理論、波與粒子之爭、作為電磁波的光、波粒二象性、從微波爐到雷射的應用，以及用於通訊和計算的新型量子光源。
第1章：什麼是光？
全書從視覺以及光攜帶資訊的能力講起，作者稱這或許是光最重要的特徵。本章還討論太陽光和其他光源、亮度與顏色（包括牛頓和歌德）、從無線電波到伽馬射線的電磁波譜、羅莎琳德·富蘭克林工作中的X射線繞射，以及從法拉第到赫茲、把光與電和磁聯繫起來的十九世紀物理學家。
第2章：光線
光的光線影像：反射、折射與司乃耳定律、費馬原理、透鏡與色差、眼睛、眼鏡與雷射視力矯正手術，以及顯微鏡和望遠鏡（包括哈伯空間望遠鏡和導星的使用）。表示解析度極限的阿貝判據在這裡出現，本章最後談到超材料和約翰·彭德里的工作。
第3章：波
從惠更斯、格里馬爾迪到馬克士威的波動模型：干涉與繞射、偏振、方解石等雙折射晶體，以及以太。應用包括全像圖（丹尼斯·伽博）、防偽設計、液晶顯示器、3D電影，以及突破阿貝極限的超解析顯微技術。
第4章：二象性
波動影像與粒子影像如何得到調和。本章討論最小作用量原理與哈密頓的光學類比、黑體輻射與普朗克、光譜線、愛因斯坦與光電效應、波耳、G. I. 泰勒的實驗、德布羅意、薛丁格和狄拉克，以及量子真空與蘭姆位移。
第5章：光與物質
光與物質的相互作用：吸收、熒光、發光二極體與極光、自發輻射與受激輻射，以及帶有光學諧振腔、模式和相干性的雷射。應用從CD、DVD、藍光光碟到光譜學和同步輻射光源；本章還追溯了高速攝影的歷史，從邁布里奇和埃傑頓的頻閃儀一直到飛秒化學和阿秒科學。
第6章：光、空間與時間
作為空間與時間量度的光：相對論與時間膨脹、光速，以及從銫原子標準到使用鍶和鋁的光鍾等各種時鐘。鎖模雷射器和光學頻率梳充當「光學齒輪裝置」，本章把這種精度與GPS和各國標準實驗室聯繫起來。
第7章：照亮前沿
在當前研究前沿被用作工具的光：光鉗與光力學、光學制冷與玻色—愛因斯坦凝聚、極紫外脈衝與泵浦—探測實驗、壓縮光，以及國家點火裝置等設施中用於電漿物理的高功率雷射。
第8章：量子光
量子光與經典光的區別：單光子與預報單光子、標準量子極限、不可克隆定理、糾纏與愛因斯坦—波多爾斯基—羅森論證、貝爾檢驗與非定域性，以及在量子隨機數生成、量子計量和量子金鑰分發中的應用。
第9章：暮光
兩頁篇幅的結尾感想，其中引用了威廉·布萊克。
核心概念
第1–3章：光線與波
- 電磁波譜：可見光只是從無線電波到伽馬射線這一範圍中的一小部分。
- 折射與司乃耳定律：光在介面處的偏折，由折射率決定。
- 阿貝判據：光的波長對成像解析度所設的極限。
- 干涉與偏振：全像圖、顯示器和超解析方法所依賴的波動性質。
第4–5章：二象性與物質
- 波粒二象性：光在某些實驗中表現為波，在另一些實驗中表現為粒子（光子）。
- 受激輻射：由入射光引發的輻射，是雷射的原理。
- 相干性：使雷射不同於燈泡光的有序相位關係。
第6–8章：時間、前沿與量子光
- 光學頻率梳：鎖模雷射器的光譜，用來計數光鐘的振盪。
- 光鉗：用光來捕獲和移動微小物體。
- 糾纏：光子之間強於任何經典解釋所允許的關聯，透過貝爾實驗加以檢驗。
- 量子金鑰分發：基於單光子性質的安全通訊。
評析
優點
- 出自領域內部的視角。 作者的研究領域——超快雷射、量子光學和量子資訊——正是第5–8章的主題，這使本書後半部分對一本簡短入門書而言視角格外新穎。
- 篇幅雖小，覆蓋面廣。 全書從歐幾里得、海什木一直講到光學頻率梳、超材料和量子金鑰分發，把歷史人物、儀器和當今的研究設施並列介紹。
- 把概念與技術聯繫起來。 每個物理概念都與讀者熟悉或使用的東西聯繫起來：折射對應眼睛和眼鏡，偏振對應顯示器和3D電影，雷射對應光碟，光鍾對應GPS。
- 指明瞭進一步學習的路徑。 延伸閱讀把非技術性讀物和專業教材分開列出，後者包括玻恩與沃爾夫的 Principles of Optics。
局限
- 非常簡短。 約125頁共九章，幾何光學、波動光學、雷射等主要主題各只有一章，後半部分的許多主題只有幾頁。
- 是概覽而非實用知識。 本書並不以教科書自居，不能為求解光學問題打下基礎。
- 後半部分較難。 第6–8章涉及壓縮光、不可克隆定理和貝爾檢驗等前沿主題，對物理新手來說可能比開頭幾章難讀。
在課程中的定位
在這份波動與光學書單中，本書是最平易的入口：一本可以在教科書之前或同時閱讀的簡短通識讀物。A. P. 弗倫奇的 Vibrations and Waves 提供光學所依賴的振動與波的數學。赫克特的 Optics 和佩德羅蒂等人的 Introduction to Optics 是用公式和習題展開光線光學、干涉、繞射和偏振的大學部課程教材，沃姆斯利的第2、3章可以作為這些主題的預覽。薩利赫與泰希的 Fundamentals of Photonics 接續沃姆斯利關於雷射和量子光的章節繼續深入；玻恩與沃爾夫的 Principles of Optics 也出現在沃姆斯利自己的延伸閱讀中，是把光學作為電磁理論來處理的高階參考書。
如何使用本書
本書適合所有剛開始接觸光學的人：即將修讀波動與光學課程的一年級學生、來自其他領域的讀者，或想了解光學課程最終通向何處的學生。全書可以分兩三次讀完。
- 先讀： 第1–4章，即從光線到波再到光子的概念史，這是課程教科書預設讀者已經瞭解的內容。
- 然後： 討論光與物質和雷射的第5章，它是通往現代光學的橋梁。
- 用於定向： 第6–8章可以當作當前研究的地圖來讀；在第一門課程中詳細學過相干性和偏振等術語之後，再回頭重讀。
閱讀時，記下書中提到的每一種現象或裝置（司乃耳定律、阿貝極限、雙折射、受激輻射），並在課程教科書中找到對其進行定量處理的地方。延伸閱讀書目是撰寫光學史或光學應用方面的論文或專案的良好起點。