高錕：夯實信息時代的基石

沙　磊

光纖之父高錕獲得諾貝爾物理學獎之后,筆者努力找出他在中關村乃至北京的足跡。作為清華大學、北京郵電大學的客座(名譽)教授,清華大學電子工程系和北郵信息光子學與光通信教育部重點實驗室傾注了他的心血,影響了實驗室幾代科技工作者的成長。

北京郵電大學校長方濱興在第一時間向高錕發去了賀詞:您在光導纖維和光纖通訊科學領域的開拓性貢獻極大地推動了信息技術和人類社會的進步,贏得了全世界的尊敬和愛戴。您是全球信息通訊領域科技工作者的驕傲,您是全球華人的驕傲。

北京郵電大學名譽校長葉培大教授說,先生在光纖科學和技術方面的成就拉開了光通訊大發展的序幕,推動了當今現代化信息社會之形成,惠及了整個人類,今獲此殊榮,實可喜可賀,乃眾望所歸也。

“光流動在細小如線的玻璃絲中,它攜帶著各種信息數據傳遞每一個方向,文本、音樂、圖片和視頻因此能在瞬間傳遍全球。”就在獎項公布那一刻,高錕獲諾獎的消息“全球同步”傳播世界。之所以在今天成為可能,也正好和他的發明分不開,那就是“光導纖維”。

在頒獎詞中,評委這樣描述他的成就—— “1966年,高錕的一項發現實現了光纖應用的突破。他精心計算如何通過光導纖維遠距離傳輸光。用純度極高的玻璃纖維在超過100公里的距離以上將傳輸光信號變成可能,而在上世紀60年代,普通的纖維只能傳輸光信號20米遠。”

孩子式自由

如今居住在美國硅谷,擁有英國和美國雙重國籍的高錕,在很多人眼中卻是一位具有中國情結的傳統學者。自1933年出生至小學時光,高錕是在上海當時的法租界度過的,15歲那年隨家人移居香港。之后他考入香港大學,由于當時港大還沒有電機工程系,他只好遠赴英國進修,并在畢業后進入英國ITT公司做工程師。

童年的高錕沉迷化學,家里還有個實驗室,他自己做過滅火筒、焰火、煙花和曬相紙,最危險的一次當屬自制“土炸彈”:他發現易燃物紅磷與氧化劑氯酸鉀二者混合后經摩擦就會爆炸,就把這兩種化合物像包餃子般塞進濕潤泥球里,待風干后,果然一擲出當即爆炸!盡管被斥為頑皮且現在看來非常危險,高錕還是認為,這是很好的自發性的體現,而這種“孩子式自由”關系到了他日后的成就。

后來的高錕棄化學而鉆研上了無線電,年紀甚小就組裝成了一部有五六個真空管的收音機。再到后來,1957年,高錕讀博士時進入國際電話電報公司(ITT),在其英國子公司標準電話與電纜有限公司任工程師。1960年,他進入ITT設于英國的歐洲中央研究機構標準電信實驗有限公司,在那里工作了10年,其職位從研究科學家升至研究經理。正是在這段時期,他成為光纖通訊領域的先驅。

1964年,他提出在電話網絡中以光代替電流,以玻璃纖維代替導線。1966年,高錕發表了一篇題為《光頻率介質纖維表面波導》的論文,開創性地提出光導纖維在通信上應用的基本原理,描述了長程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結構和材料特性。簡單地說,只要解決好玻璃純度和成分等問題,就能夠利用玻璃制作光學纖維,從而高效傳輸信息。高錕在電磁波導、陶瓷科學(包括光纖制造)方面獲28項專利。

夢想的堅持

關于1966年高錕發表的用玻璃纖維代替銅導線作為信息傳播媒介的理論,當時大多數的材料科學家都不支持這樣的理論,就連權威的美國貝爾實驗室也認為這是不可能實現的。這一設想提出之后,有人稱之為匪夷所思,也有人對此大加褒揚。但高錕的行為及思想仍保持著孩童時的出人意表,對于自己的科學信念又極為堅定,誓要改變人類的通訊模式。如果不是高錕堅持研究下去的話,那么現代光通訊的歷史以及互聯網的發展都有可能被重新改寫。

高錕在2002年接受楊瀾采訪時說,那個時候用玻璃來做導體是一個夢想的計劃,因為大家都不知道玻璃的透明度,玻璃是透明,但還是不完全透明,我們的要求是很精準的,精度是很高的。因為假使一個訊號在一公里之外就看不見了,那是沒什么用的。一公里是很深的,大西洋最深的地方也就是幾公里的深度。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,這可能是不能夠達到的,但從理論上看應該沒什么阻礙,是能做得成功的。開始的時候我那一隊只有五六個人在做,大家的想法都是,這是一個很有理想的計劃。

為尋找“沒有雜質的玻璃”,高錕費盡周折,去了許多玻璃工廠,到過美國的貝爾實驗室及日本、德國,跟人們討論玻璃的制法。后來,他發明了石英玻璃,制造出世界上第一根高純光導纖維,將玻璃內會吸收激光的雜質抽除,從此光可傳送萬里,使科學界大為震驚。

“這個報告最好的一件事情是很徹底地分析用玻璃來做導體這個領域的發展前途。在發表的時候,我覺得我們的分析做得非常準確。到后來,可以說百分之一百都是對的,所以這個我自己覺得很自豪。做好了之后第二步要把它轉過來,做成一個真正有效的零件,可以實際運用的。”

在爭論中,高錕的設想逐步變成現實:利用石英玻璃制成的光纖應用越來越廣泛,全世界掀起了一場光纖通信的革命。后來康寧公司、貝爾公司,都向CVD(化學氣相沉積法)Chemical Vapor Deposition這個方向走,到1980年開始有正式的利用,所以是很漫長的一段路。

高錕過去合作的同事、激光技術工程師彼得·塞爾韋說,那時候,高錕提出的理論超乎常人的想象。當時我們能制成的激光不太好,需要在液態氮的低溫下利用強大的電流去產生,但只能堅持一段很短的時間,又要再降溫,高錕卻對我說,我需要高一微米,寬一微米的激光,能夠在室溫下持續上萬小時,我們都覺得他瘋了。

中國工程院院士趙梓森說,有了光纖,你真正要大量地通信有問題,還要有激光器才行。一直到80年代激光器出來了,光通訊馬上就超過了電纜了。90年代后速度越來越高,到了你用不完的程度。沒有他就沒有互聯網,沒有信息時代。他的發現是通訊技術的一個重大的革命。

美國在1971年造出第一條可以應用的信息傳輸光纖。1988年英國跨洋海底光纜鋪設成功。繼而光纜傳輸在西方國家開始了快速的發展。光纜以其大容量、高可靠性、優異的傳輸質量等優勢,在通信領域,尤其是國際通信領域中起到了重要的作用,與衛星相比也有更多優勢。

2009年上半年,國內光纖需求量首次超越美國,成為全球最大的光纖需求國。最新報告數據顯示,2009年全球光纖用戶數增長率將超過32%,今后幾年,光纖用戶還將繼續以接近30%的速度增長,到2013年,全球光纖連接家庭將達到1.3億戶。

遲到的諾獎

由于技術的專利權是屬于雇用他的公司,發明“光纖”并沒有給高錕帶來很多財富。從33歲開創“光纖”技術,到43年后獲得諾貝爾獎,對這位老人來說,諾貝爾獎或許是遲來的榮譽,但是,他一生的心血“光導纖維”,卻在此之前,已經真實地改變了整個世界。

牛頓發明微積分之后,在27年里對誰都沒有提起此事;高錕在光學研究上的成就徹底改變了人類對光的理解,也是過了30年才與世人分享這一成果。卡文迪許發現或預見到了能量守恒定律、歐姆定律、道爾頓的分壓定律、里克特的反比定律、查理的氣體定律和電傳導定律……這個清單可以拉出去很長,但當麥克斯韋將這個清單拉出來的時候,他已經去世近一個世紀,所有發現的功勞幾乎都已歸屬他人。

1996年,正是高錕那篇劃時代的論文發表30年后,中國科學院紫金山天文臺將一顆國際編號為“3463”的小行星命名為“高錕星”。楊振寧在該星命名典禮上致詞說:“今天以后,我知道每次我和小孫女看夜空的時候,將會告訴她,其中一顆是‘高錕星。我還會對她說,就在那瞬間,數不清的光纖,正在傳遞著數不盡的數位,把人類世界推進高速資訊的新紀元。”

向來重視基礎科學的諾貝爾獎,鮮有表彰應用科學的成就,但此次高錕的獲獎并沒有讓很多人意外,10多年前他就被公認為最有可能獲得諾貝爾獎的華人科學家。因為光纖的發明,全球進入網絡時代,高錕改變了歷史。今天,我們發電子郵件、看高清電視、打網絡游戲,或是打個費用低廉的IP電話,甚至在醫院里做胃鏡檢查,這些生活里每天發生的事,都是高錕發明的光纖所帶來的改變。

香港中文大學副校長楊綱凱說:在他消息出來不到15分鐘,我給他發了一個電郵,祝賀他獲得了諾貝爾物理學獎。高校長說他有點意外,因為他認為諾貝爾獎很少給那些做應用研究物理學家的。

成果的隱憂

在高錕獲得諾貝爾物理學獎之后,他的夫人黃美蕓感嘆:“如果這個獎項早一年給他就好了!”因為今年年初,76歲的高錕,患上了輕微的老年癡呆癥,與外界溝通已有困難。此時正在美國加州修養的高錕,每天都會堅持打網球和散步,每個星期到健康中心鍛煉三次。

日前,高錕教授與太太黃美蕓女士的公開信曝光。“對于昔日的研究成果,Charles(高錕的英文名)深感自豪;對于不期而得的諾貝爾獎,Charles深感興奮。”在公開信上,高錕伉儷對接踵而至的訪問邀約表示感謝,但十分盼望重返平靜生活。

“各界友人對Charles的關心,我們深表感謝。”在公開信中,高錕伉儷坦承患病,雖然感到遺憾,但也表現得十分從容。“可惜阿茲海默癥目前仍是不治之癥,名人如里根、撒切爾夫人,亦不能免”。

“Charles平日打網球,做運動,不抽煙,飲食均衡,起居正常,記憶力雖見衰退,仍能自得其樂。”面對大家的關心,高錕伉儷也在公開信上首次作出了正式回應,希望大家不要擔心。

“到了現在,你們應該都知道,高錕是光纖之父。也正是光纖,使那些真偽莫辨、良莠不齊的資訊得以充斥于互聯網上,不分畛域,無遠弗屆。”在信末,這位基礎通訊技術的奠基者,把自己的這項成果給社會帶來的隱憂作為諾貝爾獎感言的結語。