高锟：夯实信息时代的基石

沙　磊

光纤之父高锟获得诺贝尔物理学奖之后,笔者努力找出他在中关村乃至北京的足迹。作为清华大学、北京邮电大学的客座(名誉)教授,清华大学电子工程系和北邮信息光子学与光通信教育部重点实验室倾注了他的心血,影响了实验室几代科技工作者的成长。

北京邮电大学校长方滨兴在第一时间向高锟发去了贺词:您在光导纤维和光纤通讯科学领域的开拓性贡献极大地推动了信息技术和人类社会的进步,赢得了全世界的尊敬和爱戴。您是全球信息通讯领域科技工作者的骄傲,您是全球华人的骄傲。

北京邮电大学名誉校长叶培大教授说,先生在光纤科学和技术方面的成就拉开了光通讯大发展的序幕,推动了当今现代化信息社会之形成,惠及了整个人类,今获此殊荣,实可喜可贺,乃众望所归也。

“光流动在细小如线的玻璃丝中,它携带着各种信息数据传递每一个方向,文本、音乐、图片和视频因此能在瞬间传遍全球。”就在奖项公布那一刻,高锟获诺奖的消息“全球同步”传播世界。之所以在今天成为可能,也正好和他的发明分不开,那就是“光导纤维”。

在颁奖词中,评委这样描述他的成就—— “1966年,高锟的一项发现实现了光纤应用的突破。他精心计算如何通过光导纤维远距离传输光。用纯度极高的玻璃纤维在超过100公里的距离以上将传输光信号变成可能,而在上世纪60年代,普通的纤维只能传输光信号20米远。”

孩子式自由

如今居住在美国硅谷,拥有英国和美国双重国籍的高锟,在很多人眼中却是一位具有中国情结的传统学者。自1933年出生至小学时光,高锟是在上海当时的法租界度过的,15岁那年随家人移居香港。之后他考入香港大学,由于当时港大还没有电机工程系,他只好远赴英国进修,并在毕业后进入英国ITT公司做工程师。

童年的高锟沉迷化学,家里还有个实验室,他自己做过灭火筒、焰火、烟花和晒相纸,最危险的一次当属自制“土炸弹”:他发现易燃物红磷与氧化剂氯酸钾二者混合后经摩擦就会爆炸,就把这两种化合物像包饺子般塞进湿润泥球里,待风干后,果然一掷出当即爆炸!尽管被斥为顽皮且现在看来非常危险,高锟还是认为,这是很好的自发性的体现,而这种“孩子式自由”关系到了他日后的成就。

后来的高锟弃化学而钻研上了无线电,年纪甚小就组装成了一部有五六个真空管的收音机。再到后来,1957年,高锟读博士时进入国际电话电报公司(ITT),在其英国子公司标准电话与电缆有限公司任工程师。1960年,他进入ITT设于英国的欧洲中央研究机构标准电信实验有限公司,在那里工作了10年,其职位从研究科学家升至研究经理。正是在这段时期,他成为光纤通讯领域的先驱。

1964年,他提出在电话网络中以光代替电流,以玻璃纤维代替导线。1966年,高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文,开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理,描述了长程及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性。简单地说,只要解决好玻璃纯度和成分等问题,就能够利用玻璃制作光学纤维,从而高效传输信息。高锟在电磁波导、陶瓷科学(包括光纤制造)方面获28项专利。

梦想的坚持

关于1966年高锟发表的用玻璃纤维代替铜导线作为信息传播媒介的理论,当时大多数的材料科学家都不支持这样的理论,就连权威的美国贝尔实验室也认为这是不可能实现的。这一设想提出之后,有人称之为匪夷所思,也有人对此大加褒扬。但高锟的行为及思想仍保持着孩童时的出人意表,对于自己的科学信念又极为坚定,誓要改变人类的通讯模式。如果不是高锟坚持研究下去的话,那么现代光通讯的历史以及互联网的发展都有可能被重新改写。

高锟在2002年接受杨澜采访时说,那个时候用玻璃来做导体是一个梦想的计划,因为大家都不知道玻璃的透明度,玻璃是透明,但还是不完全透明,我们的要求是很精准的,精度是很高的。因为假使一个讯号在一公里之外就看不见了,那是没什么用的。一公里是很深的,大西洋最深的地方也就是几公里的深度。所以在大西洋或者太平洋,你可以一直看到水底或者洋底,那是非常高的透明度,这可能是不能够达到的,但从理论上看应该没什么阻碍,是能做得成功的。开始的时候我那一队只有五六个人在做,大家的想法都是,这是一个很有理想的计划。

为寻找“没有杂质的玻璃”,高锟费尽周折,去了许多玻璃工厂,到过美国的贝尔实验室及日本、德国,跟人们讨论玻璃的制法。后来,他发明了石英玻璃,制造出世界上第一根高纯光导纤维,将玻璃内会吸收激光的杂质抽除,从此光可传送万里,使科学界大为震惊。

“这个报告最好的一件事情是很彻底地分析用玻璃来做导体这个领域的发展前途。在发表的时候,我觉得我们的分析做得非常准确。到后来,可以说百分之一百都是对的,所以这个我自己觉得很自豪。做好了之后第二步要把它转过来,做成一个真正有效的零件,可以实际运用的。”

在争论中,高锟的设想逐步变成现实:利用石英玻璃制成的光纤应用越来越广泛,全世界掀起了一场光纤通信的革命。后来康宁公司、贝尔公司,都向CVD(化学气相沉积法)Chemical Vapor Deposition这个方向走,到1980年开始有正式的利用,所以是很漫长的一段路。

高锟过去合作的同事、激光技术工程师彼得·塞尔韦说,那时候,高锟提出的理论超乎常人的想象。当时我们能制成的激光不太好,需要在液态氮的低温下利用强大的电流去产生,但只能坚持一段很短的时间,又要再降温,高锟却对我说,我需要高一微米,宽一微米的激光,能够在室温下持续上万小时,我们都觉得他疯了。

中国工程院院士赵梓森说,有了光纤,你真正要大量地通信有问题,还要有激光器才行。一直到80年代激光器出来了,光通讯马上就超过了电缆了。90年代后速度越来越高,到了你用不完的程度。没有他就没有互联网,没有信息时代。他的发现是通讯技术的一个重大的革命。

美国在1971年造出第一条可以应用的信息传输光纤。1988年英国跨洋海底光缆铺设成功。继而光缆传输在西方国家开始了快速的发展。光缆以其大容量、高可靠性、优异的传输质量等优势,在通信领域,尤其是国际通信领域中起到了重要的作用,与卫星相比也有更多优势。

2009年上半年,国内光纤需求量首次超越美国,成为全球最大的光纤需求国。最新报告数据显示,2009年全球光纤用户数增长率将超过32%,今后几年,光纤用户还将继续以接近30%的速度增长,到2013年,全球光纤连接家庭将达到1.3亿户。

迟到的诺奖

由于技术的专利权是属于雇用他的公司,发明“光纤”并没有给高锟带来很多财富。从33岁开创“光纤”技术,到43年后获得诺贝尔奖,对这位老人来说,诺贝尔奖或许是迟来的荣誉,但是,他一生的心血“光导纤维”,却在此之前,已经真实地改变了整个世界。

牛顿发明微积分之后,在27年里对谁都没有提起此事;高锟在光学研究上的成就彻底改变了人类对光的理解,也是过了30年才与世人分享这一成果。卡文迪许发现或预见到了能量守恒定律、欧姆定律、道尔顿的分压定律、里克特的反比定律、查理的气体定律和电传导定律……这个清单可以拉出去很长,但当麦克斯韦将这个清单拉出来的时候,他已经去世近一个世纪,所有发现的功劳几乎都已归属他人。

1996年,正是高锟那篇划时代的论文发表30年后,中国科学院紫金山天文台将一颗国际编号为“3463”的小行星命名为“高锟星”。杨振宁在该星命名典礼上致词说:“今天以后,我知道每次我和小孙女看夜空的时候,将会告诉她,其中一颗是‘高锟星。我还会对她说,就在那瞬间,数不清的光纤,正在传递着数不尽的数位,把人类世界推进高速资讯的新纪元。”

向来重视基础科学的诺贝尔奖,鲜有表彰应用科学的成就,但此次高锟的获奖并没有让很多人意外,10多年前他就被公认为最有可能获得诺贝尔奖的华人科学家。因为光纤的发明,全球进入网络时代,高锟改变了历史。今天,我们发电子邮件、看高清电视、打网络游戏,或是打个费用低廉的IP电话,甚至在医院里做胃镜检查,这些生活里每天发生的事,都是高锟发明的光纤所带来的改变。

香港中文大学副校长杨纲凯说:在他消息出来不到15分钟,我给他发了一个电邮,祝贺他获得了诺贝尔物理学奖。高校长说他有点意外,因为他认为诺贝尔奖很少给那些做应用研究物理学家的。

成果的隐忧

在高锟获得诺贝尔物理学奖之后,他的夫人黄美芸感叹:“如果这个奖项早一年给他就好了!”因为今年年初,76岁的高锟,患上了轻微的老年痴呆症,与外界沟通已有困难。此时正在美国加州修养的高锟,每天都会坚持打网球和散步,每个星期到健康中心锻炼三次。

日前,高锟教授与太太黄美芸女士的公开信曝光。“对于昔日的研究成果,Charles(高锟的英文名)深感自豪;对于不期而得的诺贝尔奖,Charles深感兴奋。”在公开信上,高锟伉俪对接踵而至的访问邀约表示感谢,但十分盼望重返平静生活。

“各界友人对Charles的关心,我们深表感谢。”在公开信中,高锟伉俪坦承患病,虽然感到遗憾,但也表现得十分从容。“可惜阿兹海默症目前仍是不治之症,名人如里根、撒切尔夫人,亦不能免”。

“Charles平日打网球,做运动,不抽烟,饮食均衡,起居正常,记忆力虽见衰退,仍能自得其乐。”面对大家的关心,高锟伉俪也在公开信上首次作出了正式回应,希望大家不要担心。

“到了现在,你们应该都知道,高锟是光纤之父。也正是光纤,使那些真伪莫辨、良莠不齐的资讯得以充斥于互联网上,不分畛域,无远弗届。”在信末,这位基础通讯技术的奠基者,把自己的这项成果给社会带来的隐忧作为诺贝尔奖感言的结语。