陳重威

英國華裔科學家高錕因為“在光學通信領(lǐng)域中光的傳輸?shù)拈_創(chuàng)性成就”,而與“發(fā)明了成像半導體電路”的另兩位美國科學家共同獲得了2009年度諾貝爾物理學獎。那么,“開創(chuàng)性成就”指的是什么呢?

前輩:從意外發(fā)現(xiàn)到大失所望

19世紀70年代,一位英國科學家做過這樣一個有趣的實驗: 他在一個容器的壁上鉆了一個小孔,然后往容器里倒入大量的水,讓水從小孔中流出。此時,用光照射容器內(nèi)的水,他發(fā)現(xiàn)射入水中的光竟然隨著水從小孔噴出,而且同水流一起呈弧線狀落到地面,在地面上形成了一個光斑。這是一個重大的科學發(fā)現(xiàn)!可惜,在當時它并沒有引起科學家們的重視。

20世紀30年代,希臘有一位制作玻璃器皿的工人意外地發(fā)現(xiàn),光能毫無散射地從玻璃棒的一端傳到另一端。這實際上已經(jīng)初步揭示了光在玻璃中的傳播規(guī)律?？稍诋敃r,人們也沒有意識到這一發(fā)現(xiàn)有什么重大意義。直到1958年,光的這一傳播規(guī)律才在醫(yī)學領(lǐng)域得到了應用。由2500根細玻璃纖維制成的“胃窺鏡”,能將光引到人體的胃內(nèi),使醫(yī)生不用開刀就可以看到胃里的情況。

科學家發(fā)現(xiàn),在水或玻璃中沿直線傳播的光,遇到水與空氣或玻璃與空氣的交界面時,會發(fā)生反射和折射;即一部分光線返回水或玻璃中,另一部分光線則進入空氣中繼續(xù)傳播。但當光線到達交界面時的入射角度超過某個極限值時,折射光線消失了,所有的光線都返回了水或玻璃中。科學家稱這一現(xiàn)象為光的全反射現(xiàn)象。發(fā)生全反射時,原先四散奔跑的光,會被束縛在水柱或玻璃棒內(nèi),沿著“WWW”形的路徑繼續(xù)往前傳播。照射到容器內(nèi)的光能在地面上形成一個光斑,光線能從玻璃棒的一端傳到另一端,都是這個道理。

既然“胃窺鏡”能讓醫(yī)生看到病人胃內(nèi)的情況,能不能利用玻璃纖維來傳遞更多的信息呢?因為光是通信信號極好的載體,而且制作玻璃纖維的原材料遠比銅要廉價得多。上世紀60年代,科學家?guī)捉?jīng)努力,但結(jié)果卻令人大失所望。問題出在光在玻璃纖維中傳播時能量會急劇衰減。如果傳播距離是1公里,光的能量就會衰減到原來的100億分之一!這意味著北京“水立方”滿滿一池的水,經(jīng)過一條1公里長的輸水管后,將只剩下一滴水了。基于如此高的損耗,眾多科學家都認為,光纖雖然可用在胃鏡導管上,但用于長距離通信卻根本不可能。

高錕:關(guān)鍵在于沒有雜質(zhì)的玻璃

然而偉大的發(fā)現(xiàn)或成功,往往孕育于對于“不可能”的否定之中。

當年,年輕的高錕帶領(lǐng)著一個只有幾個人的小團隊,選擇了用玻璃代替銅線,用光來傳送信號這個“不可能完成的”研究項目。對此,許多人都認為匪夷所思,甚至認為他是個瘋子。

高錕對如何降低光在光纖中的能量急劇衰減做了大量研究:他首先排除了一系列影響因素,最終證明:是玻璃中的離子雜質(zhì)對光的衰減起到了決定性作用。他還發(fā)現(xiàn)了最適合長距離傳輸?shù)墓獾牟ㄩL,或者說什么顏色的光最適合用來進行長距離通信。他預言,只要每公里衰減后光的能量能保留1%,光纖就可以用于通信。1966年7月,高錕發(fā)表了具有歷史意義的論文。盡管在當時人們還無法制造出高錕要求的那種“超純凈玻璃”,但高錕揭示出了這種技術(shù)的極限;一旦這一極限得以實現(xiàn)的,那就意味著為新技術(shù)開啟了一扇大門。

高錕費盡周折卻一直沒找到那種“沒有雜質(zhì)的玻璃”。直到4年后的1970年,美國康寧公司發(fā)明了一種特殊的玻璃制造工藝,首次邁過了“每公里衰減后光的能量能保留1%”的門檻。之后,隨著技術(shù)不斷進步,每公里衰減后光的能量達到了5%。再后來,高錕發(fā)明了石英玻璃,制造出了世界上第一根光導纖維,使科學界大為震驚。

高錕的成功使信息高速公路在全球迅猛發(fā)展,他也因此被世人尊稱為“光纖之父”。

資料

獲諾貝爾獎的8位華人科學家

1957年 李政道和楊振寧因“發(fā)現(xiàn)宇稱原理的破壞”而被授予諾貝爾物理學獎。

1976年 丁肇中因“發(fā)現(xiàn)一類新的基本粒子”而獲得諾貝爾物理學獎。

1986年 李遠哲獲得諾貝爾化學獎。

1997年朱棣文因“發(fā)明了用激光冷卻和俘獲原子的方法”榮獲諾貝爾物理學獎。

1998年 崔琦獲諾貝爾物理學獎。

2008年 美籍華人科學家錢永健獲諾貝爾化學獎。

2009年 英籍華人科學家高錕獲諾貝爾物理學獎。