沈志勋

演讲主题:爱因斯坦之光电效应,一个世纪的认知与创新



  由清华大学、东润公益基金会主办的东润创新与未来教育论坛于2016年12月18日在北京举行,此次论坛的主题是“科学创新改变未来”。斯坦福大学物理系教授沈志勋出席并发表主旨演讲。他表示,创新跟认知实际上是连在一起的,认知是创新的基础,所以爱因斯坦光电效应将人类对光的认识提高到一个崭新的高度,为量子论的建立提高一个重要的基础,也为现代光学尤其为激光发明奠定理论基础。

  

  以下为沈志勋教授主旨演讲实录:

  

  非常感谢孔理事长和东润公益基金会给我这个机会,我今天想就“光”这件事情谈一谈关于认知和创新之间的关系,这个题目就是《光》。

  

  光是人类感知世界的重要窗口,但是人对光的本质的认识,确实有一个非常漫长而曲折的过程。其实在非常久远的时候有很多很多想法,光到底是什么?光作为一门科学,法国科学家Pierre Gassendi和英国科学家牛顿认为光是直线传播的粒子,所以就有了今天所谓的牛顿光学和几何光学,把光当做粒子来看,这种观点持续了非常长的时间。

  

  150年以后,Thomas Young做了一个实验,把光传过平行的双缝,如果光是直线传播,就跟牛顿说的那样,就无法通过。如果光本身是波的话就可以绕过去,在后面可以看出一条一条条纹,确实看到了。这时候我们说光是光波。

  

  再往前走,半个世纪英国Maxwell建立了麦氏方程。这样的方程下得到电磁学的传播速度和在那个时候测到的光速基本上是完全一样,所以就说实际上光是电磁波的一种。

  

  但是又过了一百多年,就是到了上个世纪初,Phillip Lenard做了一个叫光电效应的实验,这个实验测试了光强与电子能量的关系,他发现光强和电子能量是没有关系的。电子能量和光的强度也没有关系,这是没有办法用光波特征解释的,所以对光又有了新的认识。

  

  在1905年,在爱因斯坦发表著名的狭义相对论的同一年,他也发表了一篇《光的光电效应》的文章,在爱因斯坦提出来“光实际上是一个粒子,带有粒子的属性”,这个工作是爱因斯坦工作当中非常有争议的工作。这是1913年,也就是爱因斯坦提出光的粒子论的八年以后,普朗克(可以说他是发现了和提携了当时年轻的爱因斯坦)担心光的粒子说会影响爱因斯坦的声誉,爱因斯坦有可能选不上普鲁士科学院院士,他说“总之,爱因斯坦对近代物理的几乎所有重要问题都做出了杰出贡献,他在一些思考上的偶然失误,比如说光的量子论,是可以原谅的, 因为即使在最严谨的学科中提出一个崭新的概念也是带有风险的。”最后实验证明爱因斯坦是对的,实际上我们现在知道光是有波和粒子的双相性。所以实际上爱因斯坦将我们对光的认识,提高了一个更高的高度来看。所以在1921年,瑞典皇家科学院颁发给爱因斯坦奖的时候,他凭借在光电效应原理的发现获得了这个奖。光电效应提出了光的量子概念。

  

  同样的在差不多十年以后,就是爱因斯坦发表广义相对论之后的1917年(广义相对论是1915年),爱因斯坦又提出激光原理这个解释,他提出来一个所谓受激辐射这样一个概念。这两个认知光的粒子性和量子性,和光受激辐射效应为后来奠定了基础。

  

  创新是认知的源泉,这是非常重要的,在科学教育当中,基础科学、基础研究是非常非常重要的。我们可以看在爱因斯坦光电认知的基础上人类走了非常大的一步,在认知上做创新。我们知道光的量子认识改变了人类生活,从光的通讯,今天我们在网络的时代,在一个信息的时代,如果没有光现代化,我们很难想象我们生活是有多么不一样。我想,有一天,光也有可能成为量子通讯和量子信息一个非常有可能的载体。

  

  光的量子认知也改变了我们对能源、清洁能源的考虑,如果没有光的量子理论,不会有太阳能这样的概念。将来有一天我们能实现聚变的话,激光也是非常非常重要的。当然激光制造也是一个非常重要的现代工业的基础领域。还有就是激光医疗,有很多事情在做,包括这些工作都是建立在对光的认知的基础上。

  

  这里讲的是激光医疗,那么激光也改变了我们生活质量,包括照明、娱乐,很难想象现代生活没有一个光的场景,没有一个现代光学的场景。刚刚也提过,用光技术组成的虚拟现实有可能我们将来可以有一个非常广泛的应用。本世纪非常有可能是第一次有人类可以登上火星,也许到了那一天,有可能在全球有很多很多人可以通过虚拟的办法,同步体验人类走向宇宙的那一步,这些都是改变生活的方面。

  

  那么今天再回过头来讲,刚刚讲的都是光的应用,光可以成为非常重要的科学手段,比如说现在的光电可能是物理学、化学不可缺少的研究平台。现在的光电的铺垫是量子材料认知的主要来源之一,这里就举一些例子,比如光的电子能谱对电子结构的认知是一个重要的来源,所以光电效应又成为我们认知世界的一个源泉。

  

  我想说的是今天可以真正立足光电效应和现代激光技术,真正做到把一个微观世界原子和电子实时拍下来,同步的实现前所未有的空间精度和时间精度,这样就可以看到原子和电子之间的互动,这是第一次可以有这样的精度来拍这样的电影,因为我们真正达到了微观世界的时间和空间要求。那么也可以把一些微观世界细节的东西拍下来,这对了解微观世界是有帮助的。

  

  我们知道电影对展示人性有非常非常重要的功能,我们今天真正可以开始在微观世界上也同样用这样的形式拍下来,了解他的细节。那我想我们对微观世界的认知将来就可以做一些应用,这也是现代科学的一个非常非常大的进步,看到这样的精度,实验的精度。

  

  最后我想总结一下,我们讲很多很多创新,创新跟认知实际上是连在一起的,认知是创新的基础,所以爱因斯坦光电效应将人类对光的认识提高到一个崭新的高度,为量子论的建立提高一个重要的基础,也为现代光学尤其为激光发明奠定理论基础。可以说信息时代跟量子的认知是有很大关联。所以我想说,光的量子认知依然是现在发电平台创新的源泉,从基础科学到新材料、新能源,从照明到娱乐,从光通讯到量子通讯和量子信息产生,从激光制造、光的医学,从成像到虚拟世界,我们开始拍摄微观世界的实时电影,都是非常值得期待的领域。

  

  我真正想强调的就是,在一个创新的环境里面,同样强调知识认知的动力性,因为它真的是社会发展的主要的根本的来源。


  个人简介

  

  沈志勋 

  

  沈志勋,美国国家科学院院士,斯坦福大学Paul Pigott讲席教授;物理系和应用物理系教授。沈教授的主要学术领域是材料中的新奇量子现象。他对开拓学术方向,培育人才、开发新技术和革新组织有着相当的热情。沈教授也是发明家,创业者和投资人。他是Astronergy (正泰太阳能),PrimeNano Inc.,和LDV Partners(复盛创投)的联合创始人。