物理學(xué)獎(jiǎng)：信息時(shí)代的領(lǐng)路者

田　鵬

三位獲獎(jiǎng)?wù)邉?chuàng)造出的技術(shù)使大量信息的瞬時(shí)傳播成為可能

10月6日,瑞典皇家科學(xué)院將2009年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了兩項(xiàng)幫助人類建造了當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)化社會(huì)基礎(chǔ)的研究成就。

在極短的時(shí)間內(nèi),3位獲獎(jiǎng)?wù)叩膱D片和視頻便散布至全世界——而這正是3位獲獎(jiǎng)?wù)咦约簞?chuàng)造出的技術(shù),“將光在玻璃纖維中傳播應(yīng)用于光通訊的開(kāi)創(chuàng)性成就”和“成像半導(dǎo)體電路——CCD傳感器的發(fā)明”,使大量信息的瞬時(shí)傳播成為可能。

獎(jiǎng)金的一半授予了高錕(Charles Kao),他在1966年發(fā)表的一篇論文《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》提出了高速通訊中光導(dǎo)纖維應(yīng)用的基本原理。另一半授予博伊爾(Willard Boyle)和喬治?E?史密斯(George E Smith),他們發(fā)明了能捕捉圖像的電子電路。3位獲獎(jiǎng)?wù)呷繐碛忻绹?guó)國(guó)籍。另外,高錕還擁有英國(guó)國(guó)籍,而博伊爾還有加拿大國(guó)籍。

高錕讓玻璃變得神通廣大

研究者很早就觀察到,光能夠沿著容器中放出的曲線水流傳輸,也能夠在彎曲的玻璃棒中前進(jìn)。這并非是光直線傳輸?shù)奶匦园l(fā)生了改變,而是因?yàn)楣獾娜瓷渥饔?即在特定條件下,光在彎曲的水流或者玻璃棒的內(nèi)表面中發(fā)生了多次全反射,看起來(lái)好像光在彎曲前進(jìn)。

然而,到20世紀(jì)中葉時(shí),并沒(méi)有同調(diào)性高(即光束頻率接近、純度高)的發(fā)光源,也沒(méi)有適合作為傳遞光訊號(hào)的介質(zhì),所以光通訊一直停留在概念階段。直到1960年代,激光的發(fā)明才解決了光源的難題。

到1966年時(shí),光信號(hào)也只能在玻璃纖維中傳播約20米,因?yàn)椴ＡП旧頃?huì)吸收光,在經(jīng)過(guò)20米傳遞后,99%的光會(huì)被玻璃吸收。高錕通過(guò)計(jì)算得出光如何能在光學(xué)玻璃纖維中長(zhǎng)距離傳播。他的研究結(jié)果指出在由極純凈玻璃制成的纖維中,光信號(hào)可傳播100公里以上。

在1970年,高錕的論文發(fā)表僅僅4年之后,極純凈玻璃纖維就在美國(guó)Corning公司研制成功。1976年,第一條速率為44.7Mb/s(兆比特每秒)的光纖通信系統(tǒng)在美國(guó)亞特蘭大的地下管道中誕生。第一個(gè)商用的光纖通訊系統(tǒng)在1980年問(wèn)世,傳輸?shù)乃俾蔬_(dá)到45Mb/s,每10公里需要一個(gè)中繼器增強(qiáng)訊號(hào),使用波長(zhǎng)800納米的砷化鎵激光作為光源。

如今,光纖構(gòu)成了遍布全球的信息管道系統(tǒng)。已經(jīng)成為我們生活中不可或缺工具的互聯(lián)網(wǎng)也建立在低損耗光纖通訊的基礎(chǔ)之上。每時(shí)每刻,光信號(hào)在纖細(xì)的玻璃線中傳向世界各個(gè)角落。文本、音樂(lè)、圖像和視頻可以在幾分之一秒內(nèi)傳到世界另一端。全世界的光纖總長(zhǎng)已經(jīng)超過(guò)了10億公里,并且每一小時(shí)都會(huì)增加數(shù)千公里。

高錕1933年出生于上海,1949年隨家移居香港。1954年赴英國(guó)倫敦大學(xué)攻讀電機(jī)工程,并于1965年獲學(xué)士和哲學(xué)博士學(xué)位。高錕發(fā)現(xiàn)玻璃中的鐵雜質(zhì)是導(dǎo)致光損失的主要原因,并且光在玻璃纖維中以多種模式反射傳播,進(jìn)而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)在一根很細(xì)的玻璃纖維中,以單一模式傳播的光最適用于通訊網(wǎng)絡(luò)。作出這一發(fā)現(xiàn)時(shí),他正在位于英國(guó)Harlow的標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室中工作。

1987年,高錕回到香港,出任香港中文大學(xué)第三任校長(zhǎng),直到1996年退休,并于當(dāng)年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院外籍院士。由于他的杰出貢獻(xiàn),中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)將一顆于1981年12月3日發(fā)現(xiàn)的國(guó)際編號(hào)為“3463”的小行星命名為“高錕星”。

圖像如何轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字?

就在實(shí)用光纖研制成功的前一年,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的博伊爾和喬治?E?史密斯發(fā)明了世界上第一種成功的數(shù)字式圖像傳感器CCD。CCD的理論基礎(chǔ)是愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)——光可以轉(zhuǎn)化成為電信號(hào)。

CCD對(duì)攝影產(chǎn)生了革命性的影響。在感光膠片之外,人們可以通過(guò)電子電路捕捉圖像。這些以數(shù)字形式存在的圖像更加易于處理和分發(fā)。數(shù)字圖像已經(jīng)成為許多研究領(lǐng)域中不可替代的重要工具。CCD有很多在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用。例如,可以深入人體,進(jìn)行診斷或顯微手術(shù)。CCD也為世界帶來(lái)了許多來(lái)自遙遠(yuǎn)的外太空和深海的前所未見(jiàn)的圖景。

博伊爾于1924年出生于加拿大,而史密斯則是1930年出生在美國(guó)。博伊爾說(shuō)他和史密斯在1969年幾乎在兩小時(shí)內(nèi)就完成了CCD的設(shè)計(jì)構(gòu)想。“那是一個(gè)十月的清晨,他(史密斯)來(lái)我的辦公室進(jìn)行頭腦風(fēng)暴式的討論。很快我們就在黑板上畫(huà)出了草圖,就是它了!” 在博伊爾和史密斯獲得今年的諾貝爾獎(jiǎng)之后,貝爾實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)令人驚嘆地7次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

與諾貝爾獎(jiǎng)專注于深?yuàn)W的基礎(chǔ)理論研究不同,近年諾貝爾物理獎(jiǎng)開(kāi)始偏向于復(fù)雜的技術(shù)開(kāi)發(fā)。去年的物理獎(jiǎng)授予了“打破對(duì)稱”的關(guān)于基本粒子的理論研究屬于前者;而2007年則授予了體積小、容量高的硬盤(pán)存儲(chǔ)器和MP3設(shè)備,2000年的物理獎(jiǎng)則授予了塑造了當(dāng)今世界的集成電路,連同今年獎(jiǎng)項(xiàng),這三項(xiàng)獲獎(jiǎng)成就都屬于后者。 ★