宇宙最亮的光？2W能射到月球，解读人类如何挖掘出光的潜能

　　01
　　通常来说，人工光源中的高压脉冲氙灯的亮度是最高的，它的亮度与太阳不相上下。可是有一种人造光的最高亮度却能超过氙灯十几个数量级（百万亿倍），比宇宙中最剧烈的恒星爆炸所产生的伽马射线暴还要亮一百倍。
　　非原图，来源：网络
　　1968年1月20日，在距离地球30万公里远的月球上，美国探月太空船＂测量员7号＂将携带的电视摄像机指向了地球，此时的地球就像一弯＂月牙＂挂在漆黑的浩瀚宇宙空间中，此时的整个北美大陆正处于一片黑暗之中，然而在摄像机里，黑漆漆的美洲大陆上却出现了两个亮点，这是UFO？还是城市灯光？
　　非原图，来源：网络
　　实际上，这两个亮点一个是来自美国亚利桑那州的天文台，一个是来自加州天文台。它们是由几年前发明的激光器所产生的激光光源，功率仅有2W。有意思的是，从30万公里远的月球上看地球，所有灯火通明的城市都是一片漆黑，只有这两只区区2W的激光光源能被摄像机观测到。
　　光照度/勒克斯
　　光强度/坎德拉、光亮度/坎德拉/平方米、光通量/流明、
　　这2W激光的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（在1平方米面积上所得的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯），若用1000W功率的氙气探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。
　　激光亮度如此高的主要原因是：大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，因此激光的能量密度可以随着功率的提升而没有上限。
　　激光的全称为＂通过受激辐射产生的光放大装置＂，最初的时候，激光的中文名被直译为＂镭射＂。1964年，钱学森先生将其改为＂激光＂并沿用至今。激光技术被认为是20世纪的四大发明之一，继原子能技术、半导体技术、电子计算机技术之后，影响世界的又一重大科学技术新突破。
　　如今激光技术被应用到了各行各业，与我们的生活息息相关。可是无论我们是否意识到每天都在使用着激光技术，又有多少人真正了解激光的发光原理是什么？
　　02
　　自古以来，人类对＂光＂的探求便从未停止过。古希腊人认为光是人眼伸出去的无形＂触须＂，这些触须碰到什么东西，人眼便能看见什么。
　　甲骨文＂光＂和＂明＂
　　我国古人对光有着较深的认知：自然光以太阳为主，夜晚有月亮为辅。因而古人在甲骨文中用＂明＂字来比喻光照，西汉时期的《周髀算经》中也指出了：＂日兆月，月光乃生，故成明月。＂而甲骨文中的＂光＂字是一个人举着一把火的样子，古人十分明确地指出：＂日，火也＂。
　　在冷光方面，不管是对于二次发光的荧光还是低温氧化的磷光，我国古人也有着较深的认知：
　　梣树
　　西汉时期的《淮南子》中最早记载了梣木发荧光的现象：将梣木块浸在水中一整天，晚上便可见其发出紫色、浅黄色等荧光来。有意思的是，在希腊神话中，宙斯创造人类时，人是从梣树里诞生的。
　　《淮南子·汜论训》中还有：＂久血为磷。＂的记载，并生动的形容血在地上＂暴露百日则为磷，遥望炯炯若燃也＂。
　　我国清代著名科学家郑复光对＂光＂的总结非常精彩：＂光热者为阳，光寒者为阴。阳火不烦言说矣。阴火则磷也、萤也、海水也，有火之光，无火之暖。＂
　　从上面这些记载中可以看出：我国古人对于自然现象的理解普遍要深刻于西方人。
　　可是，到了牛顿时代（十八世纪），西方科学便成为了世界主流。牛顿认为光是一种微小的颗粒在空间中的传播。1704年，牛顿在《光学》中以微粒说来解释光的直线传播、反射、折射以及颜色等问题。此时的微粒说与其创立的经典力学的概念框架是一致的，微粒说统治了光学理论一百多年的时间。
　　＂尽管我仰慕牛顿的大名，但是我并不因此而认为他是万无一失的。我遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。＂
　　托马斯· 杨
　　1801年，英国医生托马斯· 杨在他出版的《声和光的实验和探索纲要》一书中勇敢的做出了挑战牛顿的宣言。
　　托马斯·杨提出：声和光都是在充满整个空间的以太流体中传播的弹性振动——波。他还通过大量实验，精确地确定了各种色光的波长值。
　　双缝干涉实验
　　更为可敬的是，托马斯·杨还做了一个对经典物理学影响深远的著名的双缝干涉实验：他把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，这样就形成了一个点光源（从一个点发出的光源）。这张纸的后面的第二张纸上开了两道平行的狭缝。当烛光穿过两道狭缝投射到墙上时，就会形成一系列明、暗交替的条纹。
　　可惜的是，这位医生在当时科学界的处境就和我们今天所说的什么都懂一些的＂民科＂类似，他的论文受尽了当时物理学权威们的嘲讽，被攻击为荒唐和不符合逻辑。
　　可是，列宁说过：＂真理往往掌握在少数人手里。＂
　　奥古斯丁·菲涅尔
　　1818年，一位年轻的法国土木工程师奥古斯丁·菲涅尔向法兰西科学院递交了一篇《光是波动》的论文，他指出光就像水波和声波一样，遇到障碍物就会产生衍射，并绕道障碍物后面去，不同的光波相遇时可以互相干涉，并形成明暗条纹。
　　西蒙·丹尼斯·泊松
　　可是，一位牛顿的忠实支持者却反驳了他的观点，这位法国数学家西蒙·丹尼斯·泊松认为，根据菲涅尔的理论，如果把一束光平行照射到一个小球上，那么在小球影子的正中间将会出现一个亮点，这是非常违背常识的，因为影子就该是黑色的，怎么还会出现亮点呢？
　　多米尼克·弗兰西斯·让·阿拉戈
　　这时，一位英国物理学家多米尼克·弗兰西斯·让·阿拉戈在众人的见证下做了一次实验，以事实证明了圆球影子中间的确有个亮斑。
　　这是因为小球虽然挡住了照射到它身上的光，但是它也扰动了从它旁边穿过的光线，从而引起了衍射。这些衍射的光线在小球影子正中间相遇时，由于都经过了相同的路程，所以具有相同的向往以及干涉相长，因此正中间应该出现一个相对明亮的点。
　　自此，光的波动理论开始为世人所重视。
　　可是，不管是微粒说，还是波动说，它们讨论的都只是光的一种传播状态而已，那么光的本质到底是什么呢？
　　1905年3月，爱因斯坦在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文：
　　对于时间的平均值，光表现为波动；
　　对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。
　　这是科学史上第一次将微观状态下光的波动性和粒子性统一为一体，即光波的波粒二象性。也就是说，光同时具有波和粒子的双重性质。
　　03
　　上面说了很多，无非是让大家明白＂光＂的本质到底是什么。这对于人类将光收为己用并深度加工起到至关重要的作用。接下来，人类科技发展的焦点将要集中在一个人的身上。
　　＂有麦克斯韦就有光明。＂
　　当科学出现重大突破时，震撼的不止是人心，而是影响后世。
　　詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
　　1864年，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦将自然界中的电、磁、光三种物理现象融合为一体，并用简洁、对称、完美的数学方程形式表达出来。
　　原来光还是一种电场与磁场相互纠缠在一起并以波的形式传播的＂电磁波＂。
　　德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹
　　1888年，赫兹验证了麦克斯韦的电磁理论：给初级线圈输入一个脉冲电流，次级线圈便有电火花发生。
　　十几年后，德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹用双电感线圈的输电实验证明了电磁波真实存在。电磁理论的确立对之后的 通信、广播、计算机、信息传输、材料科学、光学研究等各种高科技领域的发展奠定了基础。
　　因此， 麦克斯韦的电磁理论被费曼誉为是人类科技史上最伟大的物理发现，它对人类文明的发展确实影响深远。
　　04
　　电磁波属于能量的一种，因此它与温度有密切的关系。从科学的角度来说，凡是高于绝对零度（-273.15 ）的物质，都会释出电磁波。
　　那么，激光也是物质发光的一种状态，要想了解激光产生的原理，我们先要了解构成物质基本单位＂原子＂的结构。
　　通常来说，原子有一个稳定的结构：原子核和周围高速运动的电子。
　　这些电子会在各自的能级轨道上运动，当原子被动吸收一个光子后，外层轨道的电子会跃迁到更高能级的轨道。这是一种不稳定的状态，仅能维持较短的时间。当原子自动释放这个光子后，电子会返回到正常的低能级轨道（表现为发光），回到原本的稳定状态，这被物理学家称之为自发辐射。
　　简单来说，根据能量守恒定律，当一个原子的能量发生变化时，其变化的能量并不是凭空产生或凭空消失的，而是以光子的形式进行传递。
　　1917年，爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级上的原子还可以另一种方式跃迁到较低能级。
　　当光子入射时，也会引发原子中的电子以一定的概率迅速地从高能级跃迁到低能级，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。
　　可以设想，如果有大量相同状态的原子，当有一个光子入射时，激励其中一个原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励两个原子，又使其产生受激辐射，可以得到四个特征相同的光子，以此类推，意味着最初的一个光子可以被连续的成倍放大。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是＂激光＂。
　　1951年，美国物理学家查尔斯·哈德·汤斯想到了一个提高受激辐射的奇妙想法：如果能不断地提供处于高能级的原子，这样便能保证得到越来越多的光子。
　　他把这些高能级的原子放在两个反射面之间，这样一个光子就能来回在高能级的原子间往复穿梭，当产生了足够多的光子以后，再从一个稍微透光的反射面发射出去。
　　汤斯的这个奇思妙想可谓是一个伟大的构想，之后所有的激光器都应用到了他的这种设想。
　　七年之后，汤斯和美国科学家肖洛又发现了一种神奇的现象：当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了＂激光原理＂：
　　即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光——激光。这个理论使它们获得了1964年的诺贝尔物理学奖。
　　1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家西奥多·梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束真正的激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。
　　梅曼的方案是：利用一个高强闪光灯管来激发红宝石，由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，所以当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。
　　结语
　　人类对光的追求从未停止过，而激光是人类最杰出的发明之一，如今，激光技术被应用到了军事、医疗、工业、商业、科研、信息等六大领域，堪称与时俱进的国之重器。
　　#点亮好奇心#