改變?nèi)祟惿畹墓伦?/h1>
2010-12-31 00:00:00張晗
百科知識 2010年16期
孤子又稱孤立波、羅素波，最早源自于羅素在1842和1843年關(guān)于波動的精彩報告：“我相信我還是最好描述下首次親身與之相識的情況來介紹這個現(xiàn)象。當(dāng)時，我正在觀看沿著狹窄水道由兩匹馬牽引向前的一只小船的運(yùn)動。當(dāng)小船驟然停止時，水道中為小船所推動的一大堆水卻并不停止，水積聚在船頭前面猛烈地激蕩著，然后水浪突然呈現(xiàn)出個很大的、孤立的凸起，那是一個滾圓而光滑、周界分明的“水堆”。它以巨大的速度向前滾動，而將小船留在它后面。這一水堆沿著水道繼續(xù)行進(jìn)并且沒有明顯地改變其形狀或降低其速度。我騎馬緊跟，并追上了它，它仍保持其原來的大約30英尺長、1英尺至l英尺半的高度以大約每小時8或9英里的速度滾滾向前。……這是我第一次有機(jī)會見到這樣一個獨(dú)一無二的現(xiàn)象。”
巨大的應(yīng)用前景
從羅素所描述的孤子現(xiàn)象中，我們明顯能感覺到孤子是一種特殊波，也可以水波為例：風(fēng)平浪靜的時候，微弱的水波激不起波瀾而是很快地消逝；但是受到巨大沖擊而產(chǎn)生的水波卻能輕松駛達(dá)幾公里之外且威力不減(比如海洋上的巨浪)——此時才能被稱為孤子現(xiàn)象。這意味著，孤子的產(chǎn)生需要較強(qiáng)的物理?xiàng)l件(沖擊力必須足夠大)。想象一下羅素所描繪的水浪，我們不難給孤子做出更準(zhǔn)確的定義：它是一種局限在特定空間或者時間上的特殊波，在較長的傳播過程中，能夠保持形狀、幅度和速度基本不變。
除了具有“波動性”之外，“粒子性”也是孤子的另外一個屬性。孤子(soliton)的英文名稱來源于sol itary加上后綴on。這表示孤子同電子(electron)一樣具有“粒子”屬性，嚴(yán)格地講，孤子是一種抽象的粒子，它所代表的是該非線性物理系統(tǒng)的一種特殊狀態(tài)。孤子揭示了許許多多物理復(fù)雜體系所共有的物理現(xiàn)象，所以孤子的研究格外受到物理學(xué)家的重視。
能夠產(chǎn)生孤子的非線性物理系統(tǒng)有很多，最早被用作研究孤子現(xiàn)象的當(dāng)屬水波，目前研究集中在海嘯上面。特別是最近幾年地球活動越來越活躍，海嘯頻繁發(fā)生，通過長期監(jiān)測海嘯的物理特性來揭示海嘯波導(dǎo)致的孤子是如何形成的，從而在一定程度上，能對遠(yuǎn)洋的船舶起到預(yù)警作用。甚至有科學(xué)家認(rèn)為人體神經(jīng)系統(tǒng)信號傳導(dǎo)行為也是類似孤子的。如此豐富的孤子現(xiàn)象表明孤子并非孤立的物理事實(shí)，而是普遍存在于自然界中。其中最有影響且最具有實(shí)用價值的是光孤子。那我們就重點(diǎn)討論光孤子，考慮到孤子的普世性，對光孤子的研究是完全可以用來指導(dǎo)其他孤子的研究甚至能促進(jìn)人們對其他孤子的進(jìn)一步了解。早在1973年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科研人員就將光孤子的概念引入到光纖傳輸中。在頻移時，由于折射率的非線性變化與群色散效應(yīng)相抵消達(dá)到平衡，光脈沖會形成一種基本孤子，在反常色散區(qū)穩(wěn)定傳輸。由此，逐漸產(chǎn)生了新的電磁理論——光孤子理論，從而把通信引向非線性光纖孤子傳輸系統(tǒng)這一新領(lǐng)域。光孤子(soliton)就是這種能在長時間的光纖傳播中保持形態(tài)、幅度和速度不變的光脈沖。利用光孤子的特性可以實(shí)現(xiàn)超長距離、超大容量的光通信。1988年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的莫蘭諾爾就成功實(shí)現(xiàn)了4000千米遠(yuǎn)程光纖孤子信號傳輸——這預(yù)示著光通信時代的來臨，此項(xiàng)巨大成就直接影響了近二十年來全人類的生活方式。2009年諾貝爾物理學(xué)獎授予高錕先生的重要原因就是表彰他在光學(xué)通信領(lǐng)域所取得的開創(chuàng)性成就。
光孤子通信
在當(dāng)代光纖通信中，隨著光纖制造技術(shù)的發(fā)展，光纖的損耗已經(jīng)降低到接近理論極限值的程度，目前限制傳輸距離和傳輸容量的主要原因是“色散”。打個形象的比方，設(shè)想若干運(yùn)動選手在一塊無限長的海綿上面一起跑步。剛起跑的時候，隊(duì)伍是齊的，所有人都是在同一個起跑線上的；跑不了一會兒，由于有人跑得快，有的人跑得慢，使得隊(duì)伍被拉開了，也就變寬了，此現(xiàn)象可稱為“色散”效應(yīng)。但是，因?yàn)檫@群人是在海綿上面跑步的，海綿會被踩凹下去。跑在前面的人相當(dāng)于走上坡路，雖然他們的跑步速度比較慢，但是由于上坡的影響而導(dǎo)致速度變慢；跑在后面的人相當(dāng)于走下坡路，雖然他們的跑步速度比較慢，但是由于順著下坡而導(dǎo)致速度變快。綜合起來的效果是：跑的最快和最慢的人速度差變小，隊(duì)伍還是能保持基本陣型一起前進(jìn)，海綿所起的作用就相當(dāng)于速度調(diào)節(jié)器，使速度快的減速，使速度慢的加速，此現(xiàn)象可稱為“非線性”效應(yīng)。“色散”和“非線性”兩個效應(yīng)相互抵消并且達(dá)到平衡，就能產(chǎn)生孤子。所謂光脈沖，其實(shí)是一系列不同頻率的光波振蕩組成的電磁波的集合(對應(yīng)于若干跑步速度各異的選手)。光纖的色散使得不同頻率的光波以不同的速度傳播，這樣，同時出發(fā)的光脈沖，由于頻率不同，傳輸速度以及到達(dá)終點(diǎn)的時間也就不同，這便使得信號畸變失真。光纖的色散使光信號的脈沖展寬，而光纖的非線性特性會使光信號的脈沖產(chǎn)生壓縮效應(yīng)。
如果有辦法使光脈沖變寬和變窄這兩種效應(yīng)正好互相抵消，那么光脈沖就能在光纖傳輸中保持不變，實(shí)現(xiàn)超長距離、超大容量的通信(對應(yīng)于海綿使得隊(duì)伍保持陣型共同前進(jìn))。光孤子通信完全擺脫了光纖色散對傳輸速率和通信容量的限制，因而被認(rèn)為是下一代最有發(fā)展前途的傳輸方式之一。利用光孤子進(jìn)行通信，其傳輸容量極大，傳輸速率將可能高達(dá)每秒兆比特。如此高速意味著世界上最大的圖書館美國國會圖書館的全部藏書，只需要100秒就可以全部傳送完畢。由此可見，光孤子通信的能力何等強(qiáng)大。
正因?yàn)楣夤伦油ㄐ偶夹g(shù)的這些優(yōu)點(diǎn)和潛在發(fā)展前景，國際國內(nèi)這幾年都在大力研究開發(fā)這一技術(shù)。迄今為止的研究已為實(shí)現(xiàn)超高速、超長距離光孤子通信系統(tǒng)奠定了理論和物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)然目前光孤子通信仍然存在各種各樣的技術(shù)難題，但我們相信，光孤子通信必定能夠?yàn)槿祟悇?chuàng)造更美好的生活!(文章代碼：101611)
【責(zé)任編輯】李軍
孤子又稱孤立波、羅素波，最早源自于羅素在1842和1843年關(guān)于波動的精彩報告：“我相信我還是最好描述下首次親身與之相識的情況來介紹這個現(xiàn)象。當(dāng)時，我正在觀看沿著狹窄水道由兩匹馬牽引向前的一只小船的運(yùn)動。當(dāng)小船驟然停止時，水道中為小船所推動的一大堆水卻并不停止，水積聚在船頭前面猛烈地激蕩著，然后水浪突然呈現(xiàn)出個很大的、孤立的凸起，那是一個滾圓而光滑、周界分明的“水堆”。它以巨大的速度向前滾動，而將小船留在它后面。這一水堆沿著水道繼續(xù)行進(jìn)并且沒有明顯地改變其形狀或降低其速度。我騎馬緊跟，并追上了它，它仍保持其原來的大約30英尺長、1英尺至l英尺半的高度以大約每小時8或9英里的速度滾滾向前。……這是我第一次有機(jī)會見到這樣一個獨(dú)一無二的現(xiàn)象。”
巨大的應(yīng)用前景
從羅素所描述的孤子現(xiàn)象中，我們明顯能感覺到孤子是一種特殊波，也可以水波為例：風(fēng)平浪靜的時候，微弱的水波激不起波瀾而是很快地消逝；但是受到巨大沖擊而產(chǎn)生的水波卻能輕松駛達(dá)幾公里之外且威力不減(比如海洋上的巨浪)——此時才能被稱為孤子現(xiàn)象。這意味著，孤子的產(chǎn)生需要較強(qiáng)的物理?xiàng)l件(沖擊力必須足夠大)。想象一下羅素所描繪的水浪，我們不難給孤子做出更準(zhǔn)確的定義：它是一種局限在特定空間或者時間上的特殊波，在較長的傳播過程中，能夠保持形狀、幅度和速度基本不變。
除了具有“波動性”之外，“粒子性”也是孤子的另外一個屬性。孤子(soliton)的英文名稱來源于sol itary加上后綴on。這表示孤子同電子(electron)一樣具有“粒子”屬性，嚴(yán)格地講，孤子是一種抽象的粒子，它所代表的是該非線性物理系統(tǒng)的一種特殊狀態(tài)。孤子揭示了許許多多物理復(fù)雜體系所共有的物理現(xiàn)象，所以孤子的研究格外受到物理學(xué)家的重視。
能夠產(chǎn)生孤子的非線性物理系統(tǒng)有很多，最早被用作研究孤子現(xiàn)象的當(dāng)屬水波，目前研究集中在海嘯上面。特別是最近幾年地球活動越來越活躍，海嘯頻繁發(fā)生，通過長期監(jiān)測海嘯的物理特性來揭示海嘯波導(dǎo)致的孤子是如何形成的，從而在一定程度上，能對遠(yuǎn)洋的船舶起到預(yù)警作用。甚至有科學(xué)家認(rèn)為人體神經(jīng)系統(tǒng)信號傳導(dǎo)行為也是類似孤子的。如此豐富的孤子現(xiàn)象表明孤子并非孤立的物理事實(shí)，而是普遍存在于自然界中。其中最有影響且最具有實(shí)用價值的是光孤子。那我們就重點(diǎn)討論光孤子，考慮到孤子的普世性，對光孤子的研究是完全可以用來指導(dǎo)其他孤子的研究甚至能促進(jìn)人們對其他孤子的進(jìn)一步了解。早在1973年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科研人員就將光孤子的概念引入到光纖傳輸中。在頻移時，由于折射率的非線性變化與群色散效應(yīng)相抵消達(dá)到平衡，光脈沖會形成一種基本孤子，在反常色散區(qū)穩(wěn)定傳輸。由此，逐漸產(chǎn)生了新的電磁理論——光孤子理論，從而把通信引向非線性光纖孤子傳輸系統(tǒng)這一新領(lǐng)域。光孤子(soliton)就是這種能在長時間的光纖傳播中保持形態(tài)、幅度和速度不變的光脈沖。利用光孤子的特性可以實(shí)現(xiàn)超長距離、超大容量的光通信。1988年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的莫蘭諾爾就成功實(shí)現(xiàn)了4000千米遠(yuǎn)程光纖孤子信號傳輸——這預(yù)示著光通信時代的來臨，此項(xiàng)巨大成就直接影響了近二十年來全人類的生活方式。2009年諾貝爾物理學(xué)獎授予高錕先生的重要原因就是表彰他在光學(xué)通信領(lǐng)域所取得的開創(chuàng)性成就。
光孤子通信
在當(dāng)代光纖通信中，隨著光纖制造技術(shù)的發(fā)展，光纖的損耗已經(jīng)降低到接近理論極限值的程度，目前限制傳輸距離和傳輸容量的主要原因是“色散”。打個形象的比方，設(shè)想若干運(yùn)動選手在一塊無限長的海綿上面一起跑步。剛起跑的時候，隊(duì)伍是齊的，所有人都是在同一個起跑線上的；跑不了一會兒，由于有人跑得快，有的人跑得慢，使得隊(duì)伍被拉開了，也就變寬了，此現(xiàn)象可稱為“色散”效應(yīng)。但是，因?yàn)檫@群人是在海綿上面跑步的，海綿會被踩凹下去。跑在前面的人相當(dāng)于走上坡路，雖然他們的跑步速度比較慢，但是由于上坡的影響而導(dǎo)致速度變慢；跑在后面的人相當(dāng)于走下坡路，雖然他們的跑步速度比較慢，但是由于順著下坡而導(dǎo)致速度變快。綜合起來的效果是：跑的最快和最慢的人速度差變小，隊(duì)伍還是能保持基本陣型一起前進(jìn)，海綿所起的作用就相當(dāng)于速度調(diào)節(jié)器，使速度快的減速，使速度慢的加速，此現(xiàn)象可稱為“非線性”效應(yīng)。“色散”和“非線性”兩個效應(yīng)相互抵消并且達(dá)到平衡，就能產(chǎn)生孤子。所謂光脈沖，其實(shí)是一系列不同頻率的光波振蕩組成的電磁波的集合(對應(yīng)于若干跑步速度各異的選手)。光纖的色散使得不同頻率的光波以不同的速度傳播，這樣，同時出發(fā)的光脈沖，由于頻率不同，傳輸速度以及到達(dá)終點(diǎn)的時間也就不同，這便使得信號畸變失真。光纖的色散使光信號的脈沖展寬，而光纖的非線性特性會使光信號的脈沖產(chǎn)生壓縮效應(yīng)。
如果有辦法使光脈沖變寬和變窄這兩種效應(yīng)正好互相抵消，那么光脈沖就能在光纖傳輸中保持不變，實(shí)現(xiàn)超長距離、超大容量的通信(對應(yīng)于海綿使得隊(duì)伍保持陣型共同前進(jìn))。光孤子通信完全擺脫了光纖色散對傳輸速率和通信容量的限制，因而被認(rèn)為是下一代最有發(fā)展前途的傳輸方式之一。利用光孤子進(jìn)行通信，其傳輸容量極大，傳輸速率將可能高達(dá)每秒兆比特。如此高速意味著世界上最大的圖書館美國國會圖書館的全部藏書，只需要100秒就可以全部傳送完畢。由此可見，光孤子通信的能力何等強(qiáng)大。
正因?yàn)楣夤伦油ㄐ偶夹g(shù)的這些優(yōu)點(diǎn)和潛在發(fā)展前景，國際國內(nèi)這幾年都在大力研究開發(fā)這一技術(shù)。迄今為止的研究已為實(shí)現(xiàn)超高速、超長距離光孤子通信系統(tǒng)奠定了理論和物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)然目前光孤子通信仍然存在各種各樣的技術(shù)難題，但我們相信，光孤子通信必定能夠?yàn)槿祟悇?chuàng)造更美好的生活!(文章代碼：101611)
【責(zé)任編輯】李軍
