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。

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？

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。

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。

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：

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。”

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d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。

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。”

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。

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？

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。

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”。

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#

二十世纪三大重要科学研究

黄定维口述 陈韵琳执笔

〖 之一：相对论—绝对与相对- 〗

相对概念，在我们的日常生活中例子是不胜枚举。 譬如二火车同时在车站对面，其中一辆火车走了，另一辆火车上 的人，会误判成是自己的火车开始移动。同样的，汽车进洗车机器，明明是刷车布在移动，但车上的人会感觉是车子在移动。 而相对概念，也不是从爱因斯坦才开始谈论的概念。早在伽利略 时代，就已有类似的讨论了。

但是当爱因斯坦的相对论举世知名以后，爱因斯坦却开始后悔把他这套研究的内容统称为「相对论」，为什么呢？因为太多一知半解的人只谈论「相对」，忽略掉「绝对」——爱因斯坦开始研究相对论，正是因为他相信科学定律是绝对的，也是因为对定律的绝对性笃信不移，科学家才有可能发展科学。

物理定律必须是绝对的，也就是说，不管在怎样的情况下，研究 出来的结果都应当一样。而定律本身，一定从大多数人可共同看见可观察的事物着手，而后成为该如此就是如此的已是最后的基准，不能 再有任何条件，也不能被证明。假如连定律也是相对的，科学根本不 能发展下去。也就是说，「定律」反映出来一种信念——相信这世界 一定有某种秩序，是你我他都共同同意的。若是这种信念被怀疑、若 是定律被质问「为什么」，则连科学家都无法给出答案了。而这样的「世界应当存有某种秩序」的信念，对科学家是很重要的。

举例来说，车上车下各站一个人，在车上的那个人丢球往空中抛，让球自由落地，则在车上的人看到的是直线下落，可是在车下的人，看到的却是抛物线。这正是相对。可是，两人都会发现球是往下落地没错，因为地心引力定律是绝对的；而上去下来花的时间两人都算出是一秒钟，这部分也是绝对的。

既然科学研究中有绝对的部分被公认为定律，也就意味着，当某样事物是相对的，它就不该出现在定律中。而我们从一个人在车上跑，车上和车下的人看到的速度不一样，可判知「速度」，在物理世界中是相对的，既然是相对的，当然不该出现在定律中。

因此，牛顿公式 F=MA (力 = 质量 X 加速度)中并没有「速度」这一项。加速度，其实是抽象的量，不是速度本身。若牛顿把速度放进来，这条公式一定就变成相对。

但是在 Maxwell 的电磁学公式中，却出现「光速」！怎么可能有速度呢？于是爱因斯坦认定：光速不是普通的「速度」，不是众速度中的一个，它是绝对的速度！若是光速不绝对，以前的科学基础就不稳固了。

于是爱因斯坦根据前述原则，继续推导，就导出「时间是相对的」，「空间是相对的」「时空是可以转换的」，这样的概念出现后，人类的想象力驰骋下，人可以回到过去先走到未来、我们所见的形体也有可能改变....，从爱因斯坦以后，不止「时」「空」常常并述为「时空」，也导致我们如今会看到很多虽尚不能被实验证明，却绝对有科学理论基础的时空片与科幻片。

除此以外，爱因斯坦有名的公式 E=MC^2，一样如前述，是根据「定律绝对」「光速绝对」推导出来，这公式说明了质量与能量可以互换，它可以说是从古自今，影响人类最大的公式。

〖 之二：宇宙大爆炸—现世与永恒- 〗

很久以来，天上的星星就是科学家的关注，也是神话、文学的想象内容。

星星的死亡:

神话说，银河是天神宙斯泼翻牛奶造成的，因此银河就叫做 milky way。 科学家则说，宇宙应当是永恒不变的，科学家的野心，就是要找到最永恒不变的事物。因此，流星也成为科学家好奇的对象：它到底是不是星星？如果是，为何会掉下来呢？

1930 年，已经世界知名的爱因斯坦大老远跑去与一个当时还是小人物的哈伯会面。为什么呢？因为哈伯发现宇宙是在膨胀的，宇宙会有生老病死！

爱因斯坦在 1915 年推导广义相对论时，发现用公式推导出的宇宙有两解：一是宇宙会越来越大，一是宇宙会越来越小。 这公式出来，爱因斯坦非常困惑不解。在他的信念中，宇宙应当是绝对不变的。为了这个信念，他没有坚持他所推导出来的公式，在公式中加上一个常数，好让宇宙成为绝对不变的。 因此当哈伯的科学研究报告出来，世人都尚未明了个中意义时，爱因斯坦大老远去会见他。

哈伯用杜普勒效应测星星位移，比较出速度，发现越远的星星移动速度越快，而且每颗星在自己的位置上看，都会看见别的星星在移动，一如先在汽球上划很多小点后开始吹大汽球的情况一般，这正是大爆炸理论发展的基础：由一点爆开成大宇宙。

宇宙会变，星星会死。星星是怎么死的呢？根据观察，星星死的很辉煌很灿烂，它变的非常亮非常亮，然后死亡。至于像太阳般大小的星星，死前会发红，然后成为石头。

科学家知道宇宙是有起源的，当然，科学家也会想知道宇宙的未 来。是一直膨胀下去？还是膨胀到最后开始收缩？目前的推测是「介于其中」。

宇宙至今已经有一百亿年的历史了。有没有办法想象，现在我们看到的某些星星，其实是一百亿年以前的事？如果你问，为何科学家穷尽力气，要研究一百亿光年远的东西呢？答案或许是：正像远古以前的神话....，人内心深处总有着渴望，想知道「我从哪里来？要往哪里去？ 」当你面对穹苍展望星空，或者企图理解大爆炸理论.... 有没有唤起过内心深处类似的渴望呢？

〖 之三：量子论--主观与客观、原则与实用 〗

科学家对另一种研究也是充满好奇有长远历史的：那就是研究「什么是大自然中最基本的元素？」透过这个研究，来满足人内心深层的渴望：想知道一切事物最基本的东西，好得知自己在宇宙中的位置。

最基本的东西，往往是最重要的东西，值得科学家不计成本的研究。

大自然中最基本的元素的概念是--它是绝不可能再分割的东西。有趣的是，为要寻找这基本元素所设计出来的机器，竟然可以大到有一个城市这么的大！这种研究，我们把它称之为「量子论」。

爱因斯坦伟大的发明，不只是相对论，也是量子论。当爱因斯坦发现他推导的公式说明宇宙会变，爱因斯坦修改常数；至于量子论发展到后来，爱因斯坦竟然彻底拒绝接受，这导致晚年的爱因斯坦顽固很难跟后代科学家沟通。因为量子论彻底违反爱因斯坦对科学定律原则的概念、违反他所认知的世界了。

这从何说起呢？我们就从「电子」谈起。

电子于 1897 年第一次被发现。如果要描述电子，可以说，它是没有大小体积的点，但是有位置。这么小的东西，这一百年来，到目前为止，还是没有任何仪器可以看得到它。可是看不到，却透过实验研究，掌握住电子的特性，这个实验的结果，有三个地方是让人骇异的。

第一、科学家发现，电子具有「波粒双重特性」。在过去的物理特性中，波和粒子，是两种完全不同的东西，具有完全不同的属性；是波就不是粒子，是粒子就不是波。但是，现在科学家发现电子又是波又是粒子。

第二、科学家发现实验者的观点会影响实验结果。过去不管实验者是谁、持什么观点，都不会影响实验数据，大家作出来都是一样的；但是现在，实验者的观点会影响实验结果。举个诡异但却很符合电子实验的例子：当我看月亮，月亮存在；当我不看月亮，月亮就变成其它东西了；或者说，当我看你，你是男生，当我不看你，你就是女生。这不是很诡异吗？

第三：截至目前，科学家只能掌握电子的特性，却根本看不见电子，不知他到底长什么样子。但是光凭对电子特性的掌握，科技以前所未有的速度在增进人类生活的舒适与便利。 譬如计算机 IC、半导体、芯片...，现在计算机影响人类文明多么深远，影响个人生活多么剧烈，这一切，竟然是只掌握规则，却看不见、不明其物的情况下发展的。这正是为什么现代人对科学原理的研究越来越不重视，只重视有实用价值的科技研究。反正，知不知道真相不重要，掌握特性能运用就好了。这几点，都对过去科学研究某些确定不移的原则产生剧烈的挑战。

而这些更带出一些哲学上的问题：主客能否二分？如果主观无法从客观中拿掉，那么，什么是客观？科学还有资格宣称自身拥有绝对的客观？这一切哲学问题，都让科学走向「不可知论」。

爱因斯坦正是看到这势必出现的局势，因而放弃了量子论研究，也拒绝跟后代很多渴望得到他意见的科学家们沟通。爱因斯坦抗拒的世界，正是你我现在活着的世界，也就是全面对客观的质疑；以及不再重视思考、寻找真理本身，只想立即实用的世界。

20世纪人类三大科学计划指的是：人类基因组计划，( 因其对预防治疗遗传疾病、破解人类遗传密码具有里程碑式的意义 ）、曼哈顿原子d计划、阿波罗登月计划。三大科学计划是人类科学史上的又一个伟大工程，被誉为生命科学的“登月计划”。

扩展资料：

1、人类基因组计划

人类基因组计划是一项规模宏大，跨国跨学科的科学探索工程。其宗旨在于测定组成人类染色体（指单倍体）中所包含的30亿个碱基对组成的核苷酸序列，从而绘制人类基因组图谱，并且辨识其载有的基因及其序列，达到破译人类遗传信息的最终目的。

2、曼哈顿原子d计划

曼哈顿计划为了先于纳粹德国制造出原子d，该工程集中了当时西方国家(除纳粹德国外)最优秀的核科学家，动员了10万多人参加这一工程，历时3年，耗资20亿美元，于1945年7月16日成功地进行了世界上第一次核爆炸，并按计划制造出两颗实用的原子d。

整个工程取得圆满成功。在工程执行过程中，20亿美元应用了系统工程的思路和方法，大大缩短了工程所耗时间。这一工程的成功促进了第二次世界大战后系统工程的发展。

3、阿波罗登月计划

是美国从1961年到1972年组织实施的一系列载人登月飞行任务。

目的是实现载人登月飞行和人对月球的实地考察，为载人行星飞行和探测进行技术准备，它是世界航天史上具有划时代意义的一项成就。

阿波罗计划始于1961年5月，至1972年12月第6次登月成功结束，历时约11年，耗资255亿美元。

约占当年美国GDP的0.57%，约占当年美国全部科技研究开发经费的20%。提供了惊人的就业长期增长。

在工程高峰时期，参加工程的有2万家企业、200多

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