物理学奖：信息时代的领路者

田　鹏

三位获奖者创造出的技术使大量信息的瞬时传播成为可能

10月6日,瑞典皇家科学院将2009年度的诺贝尔物理学奖授予了两项帮助人类建造了当今网络化社会基础的研究成就。

在极短的时间内,3位获奖者的图片和视频便散布至全世界——而这正是3位获奖者自己创造出的技术,“将光在玻璃纤维中传播应用于光通讯的开创性成就”和“成像半导体电路——CCD传感器的发明”,使大量信息的瞬时传播成为可能。

奖金的一半授予了高锟(Charles Kao),他在1966年发表的一篇论文《光频率介质纤维表面波导》提出了高速通讯中光导纤维应用的基本原理。另一半授予博伊尔(Willard Boyle)和乔治•E•史密斯(George E Smith),他们发明了能捕捉图像的电子电路。3位获奖者全部拥有美国国籍。另外,高锟还拥有英国国籍,而博伊尔还有加拿大国籍。

高锟让玻璃变得神通广大

研究者很早就观察到,光能够沿着容器中放出的曲线水流传输,也能够在弯曲的玻璃棒中前进。这并非是光直线传输的特性发生了改变,而是因为光的全反射作用,即在特定条件下,光在弯曲的水流或者玻璃棒的内表面中发生了多次全反射,看起来好像光在弯曲前进。

然而,到20世纪中叶时,并没有同调性高(即光束频率接近、纯度高)的发光源,也没有适合作为传递光讯号的介质,所以光通讯一直停留在概念阶段。直到1960年代,激光的发明才解决了光源的难题。

到1966年时,光信号也只能在玻璃纤维中传播约20米,因为玻璃本身会吸收光,在经过20米传递后,99%的光会被玻璃吸收。高锟通过计算得出光如何能在光学玻璃纤维中长距离传播。他的研究结果指出在由极纯净玻璃制成的纤维中,光信号可传播100公里以上。

在1970年,高锟的论文发表仅仅4年之后,极纯净玻璃纤维就在美国Corning公司研制成功。1976年,第一条速率为44.7Mb/s(兆比特每秒)的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。第一个商用的光纤通讯系统在1980年问世,传输的速率达到45Mb/s,每10公里需要一个中继器增强讯号,使用波长800纳米的砷化镓激光作为光源。

如今,光纤构成了遍布全球的信息管道系统。已经成为我们生活中不可或缺工具的互联网也建立在低损耗光纤通讯的基础之上。每时每刻,光信号在纤细的玻璃线中传向世界各个角落。文本、音乐、图像和视频可以在几分之一秒内传到世界另一端。全世界的光纤总长已经超过了10亿公里,并且每一小时都会增加数千公里。

高锟1933年出生于上海,1949年随家移居香港。1954年赴英国伦敦大学攻读电机工程,并于1965年获学士和哲学博士学位。高锟发现玻璃中的铁杂质是导致光损失的主要原因,并且光在玻璃纤维中以多种模式反射传播,进而准确预测在一根很细的玻璃纤维中,以单一模式传播的光最适用于通讯网络。作出这一发现时,他正在位于英国Harlow的标准电信实验室中工作。

1987年,高锟回到香港,出任香港中文大学第三任校长,直到1996年退休,并于当年当选为中国科学院外籍院士。由于他的杰出贡献,中国科学院紫金山天文台将一颗于1981年12月3日发现的国际编号为“3463”的小行星命名为“高锟星”。

图像如何转变为数字?

就在实用光纤研制成功的前一年,美国贝尔实验室的博伊尔和乔治•E•史密斯发明了世界上第一种成功的数字式图像传感器CCD。CCD的理论基础是爱因斯坦发现的光电效应——光可以转化成为电信号。

CCD对摄影产生了革命性的影响。在感光胶片之外,人们可以通过电子电路捕捉图像。这些以数字形式存在的图像更加易于处理和分发。数字图像已经成为许多研究领域中不可替代的重要工具。CCD有很多在医疗领域中的应用。例如,可以深入人体,进行诊断或显微手术。CCD也为世界带来了许多来自遥远的外太空和深海的前所未见的图景。

博伊尔于1924年出生于加拿大,而史密斯则是1930年出生在美国。博伊尔说他和史密斯在1969年几乎在两小时内就完成了CCD的设计构想。“那是一个十月的清晨,他(史密斯)来我的办公室进行头脑风暴式的讨论。很快我们就在黑板上画出了草图,就是它了!” 在博伊尔和史密斯获得今年的诺贝尔奖之后,贝尔实验室已经令人惊叹地7次获得诺贝尔奖。

与诺贝尔奖专注于深奥的基础理论研究不同,近年诺贝尔物理奖开始偏向于复杂的技术开发。去年的物理奖授予了“打破对称”的关于基本粒子的理论研究属于前者;而2007年则授予了体积小、容量高的硬盘存储器和MP3设备,2000年的物理奖则授予了塑造了当今世界的集成电路,连同今年奖项,这三项获奖成就都属于后者。 ★