元旦2020年 ——浅说现代科学和中国传统思想_风闻

元旦2020年

——浅说现代科学和中国传统思想

1   开场白

年过就60了，78年进京上学，我家亲戚学部委员在北京站接我，很多吩咐，时间一长，有句话至今记得，好好学古文，将来科研有用，其后我多次询问古文和科学有何关系，都没得答案，现将奔6，似乎懂了。

我学光学，就从光学说起，说说现代科学的光学和古代思想的关系：

光是电磁波，被麦斯方程组完美描绘，麦氏方程组导出波动方程：

波动光学、激光、现代光学等光学学科都建立在这个波动函数基础上。

2   光源的平行平面近似

A**．**平行平面波函数是波动方程的一个特解，自然界并不存；但是，大多数光的传输，干涉等应用，平行平面近似被证明可行。

B．同样，我用几个干涉积分公式，都证明平行平面近似违背能量守恒定律，见下面两光束干涉的功率积分公式：

大多数干涉测量σ值远大于2π，满足上述要求。σ接近2π时，光源的平行平面近似违背能量守恒定律，光源的数学模式需修正。

3   激光谐振腔理论

A．即使光源平行平面近似，光的合成是三角函数的加法，非常复杂：

**B．**激光谐振腔理论是光源从平行平面近似，修正为高斯分布的球心不断变化的点球面波，仍然是自然界不存在的理想光源：

谐振腔理论不过就是高斯光束公式加近轴成像公式的结合。

C．激光谐振腔理论在平行平面近似下，又做了简化，也只能进行定性分析，只能用于写论文，真实激光器没一台是该理论设计出来。激光技术的发展仍然存在热效应，光轴随机跳动，真空充氮密封激光器内镜片污染等故障。

尽管有大量关于谐振腔理论专著出版，根据这些理论设计的扩束镜和会聚镜头，理论值和实际值相距巨大。

此外，激光功率测量，光参数测量还存在很大困难，功率稳定性是激光功率的波动，还是功率计的波动等等，都严重影响激光的发展和应用。

4   用古代中国传统思想看光学和激光的基础理论

面对已经成熟100多年的电磁学，这时我想起《老子》第一句话“道可道非常到”！

光学能“讲”出来的“理论”，不是光学永恒的“道”，太精彩了，老子在2000多年前就预言了光学科学的发展的曲折道路。光学永恒的真理是波动光学方程，它没有“解析解”，即使可信的数值解，今天还没出现，只有光源的“平行平面”近似。光源的平行平面近似在大多数光的传输，衍射和干涉应用中，是正确的。当应用的精度不断提高，接近衍射极限时，这个近似就出现错误了。

5   用古代中国传统思想看光学和激光的研究方法

经典物理学成熟已100多年，波动光学被认为是一个成熟到没有再研究意义的学科。但是“道可道非常道”，当前的光学激光研究永远没有，也不可能达到理论发展的最高境界，基础光学研究无止境。

A．波动光学现在还建立在自然界不存在的理想光源基础上，波动方程的数学研究，应该是光学领域原始创新的根源，但是难度极大。光学领域要建立独立自主、自主创新的成就，或许应该从光源的平行平面近似的修正开始，这是因为干涉积分公式证明接近衍射极限时，光源的平行平面近似违背了能量守恒定律。并且还提出衍射极限值或许不存在，需要修正。

B**．**光学的平行平面光函数尽管是近似解，数学难度也很大，激光谐振腔理论作了修正，使该理论简化了，然而谐振腔理论也仅适合定性分析。所以，谐振腔理论需要修正，困扰激光发展的热效应，光轴的随机抖动，镜片污染、扩束和会聚镜头等故障需要理论解释。

C．《四书》或许有一些人有齐家治国平天下大志，基础是“格物致知”。基础理论的研究离开光功率及光参数测量，没意义。高功率测量存在很多问题，光功率的有效衰减，高功率有效相对测量等问题有待解决。以一台端泵浦DPL激光为例，你可以用谐振腔理论设计出来。谐振腔的误差分析是什么？装配基准在哪？如何校正？如何测量？激光本是光，本是精密仪器，必须从精密光学仪器的设计，装配，校正，测量，误差分析等基础开始“格物”。

D．《中庸●十一》子曰：做些“素隐行怪”偏门旁门奇奇怪怪的事，也能传世，孔子不做；求“道”，“遯世不见知而不悔”，决不“半途而废”。研究波动光学的数值解，研究光源的平行平面修正，用波动光学函数研究谐振腔理论是一个非常困难的事，很有可能一事无成，能坚持吗？

激光技术的基础研究有三点：首先是基础研究；其次是从半导体激光的结构、整形、耦合到封装开始，开发出一个新型结构的高亮度激光器；第三，建立可行的激光功率测量，光参数测量系统，从精密机械和光学零部件尺寸公差到尺寸链计算开始，完成一套装配，校正和测量平台的设计，完成激光器的误差分析，及计算仿真系统设计。