作者：夏士齐、雷思弘（分别系南开大学物理科学学院教授，南开大学物理科学学院助理研究员）

　　光，是宇宙中最神秘而又最常见的存在。它自宇宙诞生之初便穿梭于星际之间，伴随着地球生命的演化历程。

　　随着科学的发展，几何光学描述了光的传播与成像规律，电磁理论确立了光其实就是电磁波，而量子物理揭示了光的波粒二象性。

　　光不仅是自然的馈赠，更是推动科技创新的重要引擎，随着科学探索的深入，光技术有望成为未来智慧社会的重要支撑力量，开启人类迈入“用光塑造未来”的新篇章。

　　上海新国际博览中心LG展台拍摄的一款透明OLED电视。新华社发

　　光有多重面貌

　　在日常生活中，人们观察到彩虹、倒影、日晕等自然现象，对光的特性产生了直观感受。尤其是小孔成像这一典型现象，早在两千多年前就已被古代学者注意到——《墨经》中“在远近有端，与于光，故景库内也。”就是对小孔成像现象的早期描述。沈括在《梦溪笔谈》中记录了小孔成像和光的反射实验，体现了中国古代早期的几何光学思想与科学观察方法。

　　随着科学方法逐渐确立，光学研究迎来了真正意义上的系统化发展。伽利略改进望远镜，使人类首次详细记录了月球表面的山脉结构和木星卫星的运动，光学仪器开始成为探索宇宙与自然的重要工具。几乎同时，开普勒在《天文学的光学部分》中提出了人眼和透镜成像的几何解释，推动了近代几何光学的建立，使光学逐渐摆脱零散经验，成为可推演和计算的学科。

　　之后，牛顿通过棱镜实验揭示白光由不同颜色组成，并提出光由微小粒子构成的“微粒说”，以解释光的直线传播和反射现象；而惠更斯则用波动来解释折射与衍射现象。随着大量实验与思考的不断积累，“微粒说”的影响逐渐减弱，波动理论最终在19世纪上半叶确立了主导地位。

　　就在波动理论蓬勃发展的同时，电磁学的建立又推动了光学的新飞跃。19世纪后期，麦克斯韦方程组揭示了电场与磁场的统一，并指出光本质上是一种横向电磁波，在真空中以有限速度传播。光学由此与电磁学融为一体，成为物理学的重要分支。这一发现不仅统一了光学与电磁学，也为无线电通信、现代电气工程和光电技术开辟了道路。

　　然而，20世纪初的实验再次颠覆了人类对光的理解。1905年，爱因斯坦为解释光电效应提出，光不仅具有波动性，还具有粒子性。这一理论成功解释了经典波动理论无法解决的难题。随后，量子理论的建立使光的波粒二象性得以确立：在干涉和衍射中它呈现波动特征，而在光电效应和康普顿散射等实验中则显示出粒子属性。

　　几何光学、电磁理论与量子物理，共同展现出光的多重面貌——它既能作为直线传播的光线指导成像，又能作为电磁波解释干涉与衍射，还能以光子形式参与能量交换。人类通过实验与理论逐步揭示光的本质，不仅推动了物理学的飞跃，也深刻影响了化学、生物学与工程学的发展。

　　激光设备。新华社发

　　从观察光跃向驾驭光

　　自然界一直是人类探索光学奥秘的灵感源泉。彩虹的色彩分布启发了人类对光色分解的思考，贝壳和蝴蝶翅膀的绚丽色彩则源于微纳结构引发的干涉与衍射，而非单纯的色素沉积。这些“结构色”广泛存在于鸟羽、鱼鳞甚至矿石表面，展示了大自然通过精妙结构实现对光的选择性反射与调控。人类对这些现象的观察与模仿，逐渐催生了人工光学材料的探索。

　　19世纪，科学家开始尝试将自然现象“搬进”实验室。光栅实验通过人工刻槽，实现对光衍射与干涉的可控重现；20世纪的液晶技术则借鉴天然液晶物质的有序排列，发展为现代显示产业的重要基石。此时，人类已从对光的被动观察转向主动设计。

　　20世纪末以来，人工光学材料研究进入新阶段。光子晶体受到自然结构色的启发，通过在材料中引入周期性折射率调制，形成“光子带隙”，使特定波长的光无法传播。这一概念类似于固体物理中的电子能带，不仅深化了对光传播规律的理解，还推动了低损耗光纤、集成光路和高效激光器的发展。

　　与此同时，超材料的出现开辟了光学研究的新天地。通过在亚波长尺度设计金属或介电结构，人们能够赋予材料自然界不存在的光学性质，例如负折射率、超分辨率透镜和隐身器件等。近年来，超材料与超表面器件已逐步走向实际应用，展现出对光传播与光场调控的重要潜力。

　　更令人期待的是，仿生与人工设计的结合正在推动新型器件的诞生。模拟蝴蝶翅膀微结构的涂层用于防伪与高效反射；受荷叶表面启发的超疏水材料，不仅能排斥水滴，还有助于保持光学表面的洁净透明；仿甲虫壳层的光子晶体膜，则在节能显示、光管理、太阳能利用或光伏器件中展现应用前景。自然光学规律与人工结构设计的结合，正逐步实现从观察自然到超越自然的跨越。

　　从彩虹与翅膀的启示，到光子晶体与超材料的设计，人类在光学材料上的探索不断深化，实现了从“理解自然之光”向“设计与驾驭光”的飞跃。

　　光支撑着现代世界的高效运转

　　如果说早期的光学研究让人类“看见”了自然的奥秘，那么进入近现代社会，光已不再只是研究对象，而成为支撑信息时代的基础力量。全球通信、能源传输、医疗诊断，乃至日常生活中的手机与互联网，都离不开人类对光的主动驾驭。

　　光纤通信的诞生堪称革命性突破。在极低损耗的石英光纤中，光信号以约三分之二真空光速承载海量数据，并在极低衰减和干扰下实现远距离传输。正是这种“以光传信息”的方式，使全球互联网和跨洲通信成为现实。如今，海底光缆编织起覆盖全世界的网络，成为信息社会最隐秘却坚实的基石。

　　同时，激光的诞生为人类驾驭光提供了前所未有的工具。自1960年问世以来，激光因其高亮度、单色性和方向性，广泛应用于工业加工、医学手术、精密测量以及国防安全等领域。无论是条形码扫描、激光打印，还是现代手术中的精细切割，或是高端芯片制造，激光都在默默支撑我们的生活与技术进步。它不仅是一项科学与工程的突破，更是推动信息社会和高新技术发展的重要引擎。

　　在能源与显示领域，光同样扮演着关键角色。太阳能电池通过光伏效应将光能转化为电能，推动清洁能源技术的发展；液晶显示通过背光照明，并借助液晶分子的排列变化来调控光线的透过，而OLED技术（有机电致发光显示技术）则能直接发光，它们共同构成电视、电脑与智能手机的核心界面。

　　更关键的是，光正在信息处理中扮演新的角色。光电子学和集成光路正在部分取代传统电子电路，使计算与通信速度显著提升，同时降低能耗；量子通信和量子计算更是以光子作为核心的信息载体。这种对光的深度驾驭，正推动信息技术迈向全新的维度。

　　或许，我们未必能在日常生活中直接“看见”光的身影，但无论是一次通话、一条搜索，还是一次远程视频，光都在无声流动，支撑着现代世界的高效运转。

　　光学科技潜能不断被释放

　　从解析电子运动的超快激光，到实现安全通信的量子技术，从驱动新型计算的光子芯片，到探索宇宙深空的天文观测……如今，光正突破传统边界，成为开拓科学与技术新领域的关键力量。

　　超快激光技术的出现，极大拓展了人类研究和调控微观动力学过程的能力。飞秒乃至阿秒脉冲激光使科学家能够解析电子运动的瞬态过程，直接观测原子和分子内部的超快动力学行为。这种被誉为“时间显微镜”的技术，不仅为凝聚态物理和化学反应机理研究开辟了新窗口，也在精密加工与医疗治疗中展现出重要应用潜力。

　　光量子技术正引领信息科学迈向新阶段。量子通信利用光子的量子态特性实现理论上不可窃听的安全传输；光量子计算则以光子为信息载体，探索更高效的并行计算。作为量子信息科学的重要方向，这些技术的发展正推动人类迈向以量子信息为核心的新一代信息技术时代。

　　在能源与环境领域，光学同样发挥着关键作用。新一代高效太阳能电池、光催化制氢与污染治理技术，正以更高的光能利用效率推动清洁能源与可持续发展。未来，光不仅能点亮城市，更有望在应对全球能源与环境挑战中发挥重要作用。

　　面向浩瀚宇宙，光学则是人类探索深空的“眼睛”。从哈勃空间望远镜，到韦伯空间望远镜，再到地面超大望远镜，先进的光学与红外探测不断刷新我们对星系形成和行星演化的认识，并推动宜居行星与生命迹象的搜索。

　　同时，光子学与人工智能结合，推动自适应成像与智能诊断；超材料结合纳米制造，可以使器件具备前所未有的光学功能；以光驱动的微型机器人，可用于医疗与微加工的精确操控。随着光学科技走向跨学科、多尺度融合，光的潜能将不断被释放。

　　展望未来，随着光学相关技术的不断融合，光将成为连接微观世界与宏观宇宙、基础研究与产业应用的重要桥梁。也许在不远的将来，光不仅会帮助人类看得更远、算得更快、能源更清洁，还将以更加智能、高效和绿色的方式，推动我们走向一个由光赋能的新科技时代。

　　《光明日报》（2026年05月21日 16版）