光學(xué)的創(chuàng)新與實(shí)虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的哲學(xué)解讀論文

光學(xué)的創(chuàng)新與實(shí)虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的哲學(xué)解讀論文

　　光學(xué)是研究光的行為和性質(zhì)的物理學(xué)科。光是一種電磁波，在物理學(xué)中，電磁波由電動力學(xué)中的麥克斯韋方程組來描述;同時，光具有波粒二象性，光的粒子性則需要用量子力學(xué)來描述。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的：光學(xué)的創(chuàng)新與實(shí)虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的哲學(xué)解讀相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!

　　光學(xué)的創(chuàng)新與實(shí)虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的哲學(xué)解讀全文如下：

　　北極多彩的自然極光除了給人夢幻般的感覺，也給學(xué)者帶來連篇的科技夢想，汪國平教授主講的“從光學(xué)成像到光學(xué)隱身與光學(xué)幻覺”就展示了一場人間高新尖端技術(shù)的發(fā)展歷程，首先，通過MAXWELL方程組求解光學(xué)反問題、進(jìn)而獲得電磁參數(shù)的過程，介紹了隱身斗篷的原理，令人興趣盎然。其次，通過多種照明物體和光學(xué)幻覺裝置的解析統(tǒng)一、實(shí)現(xiàn)光場調(diào)制，進(jìn)而獲得電磁參數(shù)的過程，介紹了光學(xué)幻覺的原理，令人拍案叫絕。最后，基于物理過程而避開對材料參數(shù)的要求，通過數(shù)值模擬和光學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，正折射率材料同樣可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程光學(xué)隱身及光學(xué)幻覺功能，令人浮想聯(lián)翩。在這里，姑且稱之為實(shí)虛轉(zhuǎn)化技術(shù)。

　　現(xiàn)實(shí)社會中，全世界的小孩都玩捉迷藏，誰都可以一輩子回味兒童游戲的歡樂，那遙遠(yuǎn)的隱身實(shí)踐何嘗不正是虛實(shí)轉(zhuǎn)化欲望的萌芽。只有城里的小孩體會過哈哈鏡，誰也忘不了神奇的變形曾經(jīng)的傻笑，那驚喜的背后或許刻下了實(shí)虛轉(zhuǎn)化的烙印。部分小孩可能因?yàn)樾乱律讯瓮^年，誰也不會否認(rèn)光鮮的外表何等甜蜜，但是他(她)們基本不會意識到這種化自卑為異彩的幸福里就包含實(shí)虛轉(zhuǎn)化的成份。大多數(shù)人對高尖技術(shù)的本質(zhì)難以理喻，捧讀其專著味同嚼蠟，少有收獲。但是，這不妨普通讀者從自我興趣出發(fā)，通過不同的角度對自然和人類的創(chuàng)新加以審視和討論，在認(rèn)識論的海闊天空里遨游。

　　1 光學(xué)的技術(shù)創(chuàng)新及其應(yīng)用

　　為了紀(jì)念千年來人類在光和光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)，提高公眾對光的重要性的認(rèn)識，推進(jìn)光在能源、教育、農(nóng)業(yè)和健康方面的發(fā)展，聯(lián)合國早前宣布2015年為“光和光基技術(shù)國際年” [1]。

　　1.1 關(guān)于實(shí)虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的歷程，有很多令人驕傲的成果

　　在專家學(xué)者關(guān)于光學(xué)理論發(fā)展的主線上，1015年阿拉伯學(xué)者伊本?海賽姆的五卷本光學(xué)著作發(fā)表;1815年菲涅爾提出光波理論;1865年麥克斯偉提出光電磁傳播理論;1905年愛因斯坦提出光電效應(yīng)理論，1915年又通過廣義相對論將光列為宇宙學(xué)的內(nèi)在要素;1965年英籍港人高錕在光傳輸于光纖的光通信方面取得成就，后來獲得諾貝爾獎[1]。英國科學(xué)家道爾頓(John Dalton，1766-1844)被稱為天才，原因之一是他對自己缺陷的認(rèn)識深刻到推動人類的知識，知道自己的色覺問題而請求死后解剖他的眼睛。

　　在光學(xué)知識的普及教育認(rèn)識上，已知光的形式多種，包括引起人類視覺的可見光以及人眼不能識別的紅外線、紫外線、X射線、γ射線、無線電波和微波。北京大學(xué)教授饒毅在科學(xué)網(wǎng)上的《色》，通過物理學(xué)中色與波長的關(guān)系，以及神經(jīng)生物學(xué)中色與感覺的關(guān)系展示了視錯覺(Visual Illusion)，不是所有的動物都有視覺，植物只有光感而沒有視覺，感光細(xì)胞具有高度的敏感性。

　　在工程技術(shù)的主線上，光學(xué)材料的發(fā)展是從板狀硬性鏡面到纖維狀柔性線條的形態(tài)變化過程，也是從原材料直接加工到納米技術(shù)復(fù)合材料的發(fā)展過程，材料表面加工技術(shù)也是一條由粗到精的輔線。光功能似乎無窮無盡，應(yīng)用于圖像信號通訊增強(qiáng)人們的聯(lián)系和交流，應(yīng)用于雜技魔術(shù)娛樂人們的生活，應(yīng)用于夜視、無損檢測拓展人類肉眼的能力，應(yīng)用于提高光效技術(shù)可以限制能源浪費(fèi)并減少光污染，應(yīng)用于腐蝕分析可以保護(hù)文化遺產(chǎn)，應(yīng)用于探索未知以了解我們棲息的世界和生存的宇宙[1]，現(xiàn)實(shí)中很多豐富多彩的信息被轉(zhuǎn)化成單調(diào)乏味的數(shù)字，實(shí)虛轉(zhuǎn)化早已白天黑夜?jié)B透人類社會生活。

　　1.2 關(guān)于實(shí)虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的現(xiàn)狀，有很多進(jìn)行中的工作

　　從技術(shù)而言，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的變換光學(xué)方法的第1代，到光學(xué)傳遞函數(shù)的第2代，再以這兩者為基礎(chǔ)，拓展到在正折射率材料上實(shí)現(xiàn)隱身及幻覺的發(fā)展的第2.5代。而量子隱形傳態(tài)技術(shù)無疑是革命性的全新一代。2015年2月26日出版的《自然》以封面標(biāo)題的形式公報了中國科技大學(xué)潘建偉項(xiàng)目組的“多自由度量子體系的隱形傳態(tài)”研究成果[2]，利用單光子非破壞測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)自旋和軌道角動量多自由度貝爾態(tài)測量，搭建了6光子11量子比特的糾纏實(shí)驗(yàn)平臺，量子信息可以被瞬間傳遞并被復(fù)制，量子物理一個深遠(yuǎn)而令人費(fèi)解的預(yù)言邁開了現(xiàn)實(shí)的第一步，實(shí)現(xiàn)了原來只在科幻中的“超時空傳輸”，證實(shí)了愛因斯坦的想象。2009年，他們研制了“量子電話樣機(jī)”，并在商業(yè)光纖網(wǎng)的基礎(chǔ)上組建了可自由擴(kuò)充的光量子電話網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了“即通及安全”的量子保密電話。國家目前正以此建設(shè)世界最長的量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)工程――“京滬干線”，并實(shí)施戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)”工程。未來十年，量子保密通信有望走向大規(guī)模應(yīng)用。

　　從功能而言，實(shí)現(xiàn)了從包袱似的立體隱身、到地毯式的平面隱身，從近程幻覺到遠(yuǎn)程幻覺，從負(fù)折射率材料再到正折射率材料的升級。實(shí)現(xiàn)了從音頻到遠(yuǎn)程視頻，實(shí)現(xiàn)了從電腦模擬到3D打印。3D打印機(jī)功能上與激光成型技術(shù)一樣，采用分層加工、迭加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實(shí)體，這是斷層掃描的逆過程，斷層掃描是把某個東西“切”成無數(shù)疊加的片，3D打印就是把一片一片的打印疊加到一起，成為一個立體物體，其中的模擬原型也可以通對實(shí)物進(jìn)行3D掃描測量來獲取成像。

　　從應(yīng)用對象而言，實(shí)現(xiàn)了從單種斗篷到多種斗篷，從斗篷的具體實(shí)物到照明物體的概念化，再到把具有折射率材料的范圍從點(diǎn)擴(kuò)成面覆蓋。顯然，這樣的認(rèn)識還是感性和表層的。

　　1.3 關(guān)于實(shí)虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的未來，有太多令人鼓舞的課題

　　在核心技術(shù)理論上，光的波粒二象性實(shí)質(zhì)是指其同時具有波動性和粒子性所融為一體的二重性，還是此時的波動性和彼時的粒子性所一分為二的二元性?如果是后者，其轉(zhuǎn)換是瞬間即現(xiàn)的還是有過程的?轉(zhuǎn)換過程有哪些影響因素?轉(zhuǎn)換的條件是如何的?能物理建?；驍?shù)學(xué)建模嗎?還有，云計(jì)算能從變幻莫測的極光模擬中提取出規(guī)律性嗎?

　　在關(guān)聯(lián)技術(shù)研究上，無論光學(xué)隱幻技術(shù)發(fā)展得多強(qiáng)大，那還是一門光學(xué)。其應(yīng)用僅僅是刺激人類的視覺而已，這還是一個靜悄悄的世界。那么，把聲學(xué)交叉進(jìn)來，通過對波場波動特性的調(diào)制，付之以生動的靈性。無論光學(xué)隱幻技術(shù)發(fā)展得多完美，那也還是一門相對的技術(shù)。其基礎(chǔ)強(qiáng)烈依靠照明物的外形結(jié)構(gòu)，這還是一個表面化的世界。那么，把多余的結(jié)構(gòu)撇除，通過對光學(xué)數(shù)字信號重組技術(shù)，彌補(bǔ)照明物輕量化后、與傳統(tǒng)比較的缺失。在工程技術(shù)應(yīng)用上，以光電磁及其傳播理論為基礎(chǔ)，以納米材料及其加工理論為微觀和細(xì)觀技術(shù)代表，以海市蜃樓及其模擬技術(shù)為宏觀典型的研究可成為近期的研究熱點(diǎn)。

　　2 實(shí)虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的哲學(xué)解讀

　　2.1 實(shí)虛轉(zhuǎn)化換代質(zhì)變

　　2008年科學(xué)家已宣布他們距離制成可使人類隱身的材料僅有一步之遙。據(jù)稱，來自美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員開發(fā)出了一種新型納米材料，可使3D物體周圍的光線折射后繞過物體，從而達(dá)到隱形的效果，研究團(tuán)隊(duì)表示今后將有足夠大的這種材料出現(xiàn)，可使人類隱身。該成果也已經(jīng)發(fā)表在《自然》和《科學(xué)》上，其原理主要基于負(fù)折射現(xiàn)象，這是俄國科學(xué)家Veselago在1968年提出的：當(dāng)光波從具有正折射率的材料入射到具有負(fù)折射率材料的界面時，光波的折射與常規(guī)折射相反，入射波和折射波處在于界面法線方向同一側(cè)。

　　負(fù)折射率材料是在本世紀(jì)初才開發(fā)出來的，此前負(fù)折射現(xiàn)象只能在人不可見的微波波段實(shí)現(xiàn)，而新材料則能夠在可見光波段實(shí)現(xiàn)負(fù)折射。新材料使用納米級網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)的銀和鎂氟化物，研究人員表示光線在這種材料中傳播就像水流繞過石頭一樣，結(jié)果是從物體正面僅可以看到背面?zhèn)鱽淼墓饩€。另一方面，這種材料可以迅速應(yīng)用于通信和其他領(lǐng)域，例如使用這種負(fù)折射率材料制造“超級透鏡”，能夠突破光波衍射極限，觀察到更微小的物體。

　　應(yīng)該說，上述報道的技術(shù)內(nèi)容還未超出汪教授講座的范圍，也即由于第1代和第2代最后都要獲取電磁參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)虛轉(zhuǎn)化，這不是技術(shù)的質(zhì)變，只是同一技術(shù)的不同技巧。由于第2.5代避開了對材料參數(shù)的要求，即使還需要獲取電磁參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)虛轉(zhuǎn)化，但是所依賴的物理參數(shù)已改變，已是技術(shù)的質(zhì)變。

　　2.2 實(shí)虛互化循環(huán)升級

　　從實(shí)物到隱形只是實(shí)虛轉(zhuǎn)化的第一步，其表現(xiàn)是從有到無。從實(shí)物到幻覺是實(shí)虛轉(zhuǎn)化的第二步，幻覺(偽裝)多了欺騙，其表現(xiàn)是從有經(jīng)過原有的無、到了新的有。因此，實(shí)現(xiàn)了有→無→有的循環(huán)。但是這只是單向循環(huán)，或者說是簡單的循環(huán)。正如該技術(shù)的材料從負(fù)折射率材料到正折射率材料的升級一樣，該技術(shù)也只有進(jìn)一步從“實(shí)→虛轉(zhuǎn)化”發(fā)展到“虛→實(shí)轉(zhuǎn)化”，也就是從順變到逆變，從單向轉(zhuǎn)化上升到雙向互轉(zhuǎn)，雙向簡單循環(huán)，才能為“虛 實(shí)互轉(zhuǎn)”打下基礎(chǔ)，混亂中找到一一對應(yīng)、有條不紊。最終實(shí)現(xiàn)雙向復(fù)雜循環(huán)。否則，就像字體轉(zhuǎn)換結(jié)果的亂碼，宛如天書。但是，虛實(shí)互化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)也就同時意味著實(shí)虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的危機(jī)，當(dāng)對方能虛實(shí)轉(zhuǎn)化時，我方的實(shí)虛轉(zhuǎn)化就失去了意義。這種從無到有、從研發(fā)到淘汰的技術(shù)生態(tài)，究竟是雙向復(fù)雜循環(huán)的螺旋升級，還是哲學(xué)中的物極必反呢?

　　2.3 組合技術(shù)放大效應(yīng)

　　百多年前，人類進(jìn)入了機(jī)電一體化時代，現(xiàn)在，光機(jī)電磁一體化技術(shù)已嫻熟應(yīng)用在社會的各個角落。時髦的管理者常拿1+1>2來諄諄強(qiáng)調(diào)組合的放大作用，古老的傳說也同時告誡人們關(guān)于兩個和尚沒水吃的無奈。這是什么原理呢?肯定不是化學(xué)反應(yīng)，但是也不能完全肯定全部是物理作用的結(jié)果。也許是組合與混合的微妙區(qū)別，或者是局部與整體的正確關(guān)系。

　　可以預(yù)見的是，這些正確的組合也不夠了，人類欲罷不能的貪婪終將通過云計(jì)算技術(shù)把時間這個動態(tài)因素、通過納米技術(shù)把材料這個靜態(tài)因素，也一并深刻地嫁接進(jìn)去，培育出虛實(shí)融化、變幻無常的奇妙世界?？茖W(xué)技術(shù)真是第一力。

　　2.4 實(shí)虛轉(zhuǎn)化永遠(yuǎn)處于量變質(zhì)變的動態(tài)發(fā)展中

　　這是時代發(fā)展的必然。慢吞吞的轉(zhuǎn)化絕不是隱方的大忌，同樣在野外開闊地隱身，狙擊手的服裝只要隨環(huán)境漸變，但是有時也要隨強(qiáng)光劇變。任何劇變就意味著超大規(guī)模量的計(jì)算或微元。幻覺還分為靜幻和動幻。浙江大學(xué)是國內(nèi)光學(xué)研究的佼佼者，研發(fā)的光學(xué)隱形材料――光在該裝置內(nèi)“轉(zhuǎn)彎”，但穿過裝置后仍按原來的方向傳播。據(jù)研發(fā)人員透露，下一步就是要讓這種材料也能讓電磁波“轉(zhuǎn)彎”。據(jù)悉，浙大的“光學(xué)工程”在全國95個“一級學(xué)科”中排名第一。實(shí)虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的動態(tài)既包括技術(shù)自我發(fā)展，也包括技術(shù)應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性。春夏秋冬的全球地理，白天黑夜的世界風(fēng)貌，前身后世的高山海洋，該技術(shù)都能貼切服務(wù)、運(yùn)用自如嗎?

　　2.5 實(shí)虛互化技術(shù)反映事物的矛盾性

　　矛盾是事物發(fā)展的動力源泉。戰(zhàn)爭對安全的需要與現(xiàn)實(shí)有矛盾。那么，從周邊環(huán)境實(shí)時取樣，分解其構(gòu)成編程成模塊，使得戰(zhàn)艦可與大洋波濤實(shí)虛互化，戰(zhàn)機(jī)可與藍(lán)天云彩實(shí)虛互化，戰(zhàn)車可與山林灌木實(shí)虛互化。交通對安全的需要與現(xiàn)實(shí)有矛盾。那么，從事故環(huán)境的車水馬龍時段實(shí)時取樣，在環(huán)境的事故多發(fā)時段連續(xù)播放，從虛到實(shí)強(qiáng)烈提示安全標(biāo)識，引導(dǎo)過往人車秩序井然。而奔馳工程師研制的隱形奔馳將不可避免地發(fā)生嚴(yán)重相撞事故，現(xiàn)實(shí)還有人對其充滿癡迷，認(rèn)為可以在任何地方停車而不用擔(dān)心被開罰單。

　　不過，也許要賠的是癡迷者的生命。青春對美麗的需要與現(xiàn)實(shí)有矛盾。那么，從本人的臉龐掃描取樣，分解其色素組織編程調(diào)制，使得紅逗暗瘡可與紅粉嬌嫩實(shí)虛互化。奧運(yùn)會對健體強(qiáng)魄的精神與巨額投入的現(xiàn)實(shí)需要有矛盾。那么，從虛到實(shí)轉(zhuǎn)換出一盤不耗燃料的熊熊圣火來興奮大眾吧。公園對著名景觀的需要與現(xiàn)實(shí)有矛盾。那么，從虛到實(shí)塑造一個遠(yuǎn)隔千山萬水的風(fēng)暴名勝來過把癮吧。觀眾對晚會魔術(shù)的需要與現(xiàn)實(shí)有矛盾。那么，從虛到實(shí)塑造一個翻天覆地的英豪來崇拜吧。

　　2.6 實(shí)虛互化技術(shù)反映事物的相對性

　　從物質(zhì)的層面來說，虛與假兩個概念沒有什么區(qū)別。發(fā)散思維中的哲學(xué)使概念的創(chuàng)新形成原理的創(chuàng)新，具備相對性。以實(shí)虛來分析，與真假就不等同，有實(shí)的真和實(shí)的假，例如空中的彩虹和色盲，也有虛的真和虛的假，例如鏡中花和影視作品中的穿越。實(shí)虛真假構(gòu)成了圖1所示的12種概念關(guān)系，如果再把有和無這兩個概念加進(jìn)去，則可產(chǎn)生20種相對的概念關(guān)系。如果進(jìn)一步把空這概念加進(jìn)去，就更多概念關(guān)系。因此，從哲學(xué)的角度來說，概念的組合相互促進(jìn)發(fā)散。 　　圖1 概念的交互關(guān)系

　　光學(xué)的三原色也具有相對性，自然界以紅、黃、藍(lán)為三原色，計(jì)算機(jī)則以紅、綠、藍(lán)為三原色。這是因?yàn)槿搜劢邮盏降墓饩€本來就有兩種類型：一種是反射光或透射光，另一種是光源直接發(fā)出的光。我們在自然界中看到的大部分物體都是因?yàn)榉瓷涔饣蛲干涔獾淖饔?，而?jì)算機(jī)顯示器上出現(xiàn)的色彩則是光源的作用。因此出現(xiàn)兩種“三原色”沒有孰對孰錯，只是相對的光源類型不同而已。那么，當(dāng)打印電腦中設(shè)計(jì)的彩色模型時，是否要把綠色轉(zhuǎn)換成黃色才有等同的視覺效果呢?

　　2.7 實(shí)虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的能動規(guī)律

　　實(shí)虛互化技術(shù)不僅被人類掌握，也屬于動植物的生物技能。動物在實(shí)踐中主動演化自己，通過偽裝伏擊獵物，通過扮妝吸引異性或恐嚇競爭對，這成功的背后沒有主動的認(rèn)識嗎?禾雀花模擬禾花雀，蝴蝶蘭模擬蝴蝶，而蝴蝶又模擬生存環(huán)境中各種花的圖案，蘭花螳螂、魔花螳螂和刺花螳螂則已分不清是動物模擬植物，還是植物模擬動物，這相互依賴的背后肯定包涵著智慧。

　　水中的章魚帝可以從形和色兩方面協(xié)調(diào)雙變，不可一世;地上的變色龍雖則有的進(jìn)化與樹枝近形，但大多在危急時就只能以色隱形，或者就在茫茫沙漠中枯?ㄒ皇潰歡?空中短命的彩蝶居然懂得變換翼面單色微粒的排列間隙來折射光線，從而表現(xiàn)出不是顏色的艷麗，這也符合前面所述的兩種三原色的原理，不枉此生。因此從廣義而言，人類并不是納米技術(shù)的發(fā)明者，動植物要積極主動得多?？蓱z的是，憤怒小鳥受玻璃幕墻實(shí)物虛景的欺騙，不撞南墻不回頭、撞了南墻頭破血流，悲慘一生。因此，在實(shí)虛轉(zhuǎn)化技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用中，人類不但需向生物虛心學(xué)習(xí)，還需要檢討如何尊重自然，發(fā)揮更大的主觀能動性。

　　3 結(jié)語

　　盡管實(shí)虛轉(zhuǎn)化技術(shù)通過動植物和人類早已滲透到歷史的方方面面，但是這還只是一個技術(shù)方向而尚未成為一個專業(yè)，當(dāng)前分散的研究無非是東敲西打而已，光學(xué)不等于實(shí)虛轉(zhuǎn)化學(xué)，后者的框架構(gòu)建尚未見棟梁和立柱，無論其在應(yīng)用上雜耍得多么漂亮，手段再怎么五花八門，都只是在某個方向的小圈里轉(zhuǎn)悠而已。大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，約有四分之三的宇宙正在以暗物質(zhì)和暗能量的形式消失，而這兩者目前都沒被直接觀察到。

　　人類怎能用眼看到暗呢?武俠小說里的奇門遁甲曾幾何時引起青少年的好奇與懷疑，相信這項(xiàng)魅力技術(shù)吧，趕快加入到實(shí)虛互化的技術(shù)團(tuán)隊(duì)中，跟蹤光學(xué)隱幻技術(shù)，開創(chuàng)山川河流和風(fēng)云雷電的模擬，促進(jìn)仿真與模擬的常態(tài)化，升級錢學(xué)森先生的《工程控制論》，引導(dǎo)我們穿越時空，去為造福生命星球而創(chuàng)新。