陈重威

英国华裔科学家高锟因为“在光学通信领域中光的传输的开创性成就”,而与“发明了成像半导体电路”的另两位美国科学家共同获得了2009年度诺贝尔物理学奖。那么,“开创性成就”指的是什么呢?

前辈:从意外发现到大失所望

19世纪70年代,一位英国科学家做过这样一个有趣的实验: 他在一个容器的壁上钻了一个小孔,然后往容器里倒入大量的水,让水从小孔中流出。此时,用光照射容器内的水,他发现射入水中的光竟然随着水从小孔喷出,而且同水流一起呈弧线状落到地面,在地面上形成了一个光斑。这是一个重大的科学发现!可惜,在当时它并没有引起科学家们的重视。

20世纪30年代,希腊有一位制作玻璃器皿的工人意外地发现,光能毫无散射地从玻璃棒的一端传到另一端。这实际上已经初步揭示了光在玻璃中的传播规律。可在当时,人们也没有意识到这一发现有什么重大意义。直到1958年,光的这一传播规律才在医学领域得到了应用。由2500根细玻璃纤维制成的“胃窥镜”,能将光引到人体的胃内,使医生不用开刀就可以看到胃里的情况。

科学家发现,在水或玻璃中沿直线传播的光,遇到水与空气或玻璃与空气的交界面时,会发生反射和折射;即一部分光线返回水或玻璃中,另一部分光线则进入空气中继续传播。但当光线到达交界面时的入射角度超过某个极限值时,折射光线消失了,所有的光线都返回了水或玻璃中。科学家称这一现象为光的全反射现象。发生全反射时,原先四散奔跑的光,会被束缚在水柱或玻璃棒内,沿着“WWW”形的路径继续往前传播。照射到容器内的光能在地面上形成一个光斑,光线能从玻璃棒的一端传到另一端,都是这个道理。

既然“胃窥镜”能让医生看到病人胃内的情况,能不能利用玻璃纤维来传递更多的信息呢?因为光是通信信号极好的载体,而且制作玻璃纤维的原材料远比铜要廉价得多。上世纪60年代,科学家几经努力,但结果却令人大失所望。问题出在光在玻璃纤维中传播时能量会急剧衰减。如果传播距离是1公里,光的能量就会衰减到原来的100亿分之一!这意味着北京“水立方”满满一池的水,经过一条1公里长的输水管后,将只剩下一滴水了。基于如此高的损耗,众多科学家都认为,光纤虽然可用在胃镜导管上,但用于长距离通信却根本不可能。

高锟:关键在于没有杂质的玻璃

然而伟大的发现或成功,往往孕育于对于“不可能”的否定之中。

当年,年轻的高锟带领着一个只有几个人的小团队,选择了用玻璃代替铜线,用光来传送信号这个“不可能完成的”研究项目。对此,许多人都认为匪夷所思,甚至认为他是个疯子。

高锟对如何降低光在光纤中的能量急剧衰减做了大量研究:他首先排除了一系列影响因素,最终证明:是玻璃中的离子杂质对光的衰减起到了决定性作用。他还发现了最适合长距离传输的光的波长,或者说什么颜色的光最适合用来进行长距离通信。他预言,只要每公里衰减后光的能量能保留1%,光纤就可以用于通信。1966年7月,高锟发表了具有历史意义的论文。尽管在当时人们还无法制造出高锟要求的那种“超纯净玻璃”,但高锟揭示出了这种技术的极限;一旦这一极限得以实现的,那就意味着为新技术开启了一扇大门。

高锟费尽周折却一直没找到那种“没有杂质的玻璃”。直到4年后的1970年,美国康宁公司发明了一种特殊的玻璃制造工艺,首次迈过了“每公里衰减后光的能量能保留1%”的门槛。之后,随着技术不断进步,每公里衰减后光的能量达到了5%。再后来,高锟发明了石英玻璃,制造出了世界上第一根光导纤维,使科学界大为震惊。

高锟的成功使信息高速公路在全球迅猛发展,他也因此被世人尊称为“光纤之父”。

资料

获诺贝尔奖的8位华人科学家

1957年 李政道和杨振宁因“发现宇称原理的破坏”而被授予诺贝尔物理学奖。

1976年 丁肇中因“发现一类新的基本粒子”而获得诺贝尔物理学奖。

1986年 李远哲获得诺贝尔化学奖。

1997年朱棣文因“发明了用激光冷却和俘获原子的方法”荣获诺贝尔物理学奖。

1998年 崔琦获诺贝尔物理学奖。

2008年 美籍华人科学家钱永健获诺贝尔化学奖。

2009年 英籍华人科学家高锟获诺贝尔物理学奖。