图:IEE 法拉第奖章肖像,1989(时年 56 岁)/ From the IET Archives
高锟
Charles K. Kao1933–2018 · 生于中国上海 · 中国 → 英国 / 美国
论证了一根玻璃丝可以承载整个世界的通信
诺贝尔物理学奖 2009 在光纤中传输光以实现光学通信方面的开创性成就
「用玻璃质材料制成的纤维,有望成为一种实用的光波导,并作为一种全新的通信介质具有重要的潜力。」
—— 1966 年与霍克汉姆合著论文《光频率介质纤维表面波导》的结论(译自英文原文)
此刻你正在读的这个页面,它的数据在到达你的屏幕之前,多半有一段旅程是在一根比头发还细的玻璃丝里以光速前进的。让这件事成为可能的,是一位 1933 年生于上海的工程师,他在 1966 年做了一件当时几乎没人相信的事:证明「玻璃不够透明」不是物理定律,而是一个可以解决的工程问题。
从上海到香港,再到伦敦
高锟生于上海一个书香门第。祖父高吹万是南社诗人,也是藏书家;父亲是律师。他童年住在法租界,家里请先生教国学,也学英文和法文。但他最着迷的是化学与无线电——曾在家里自制灭火筒,还试过配火药,也拆装过收音机。
1948 年,全家迁往香港。中学毕业后他赴英国求学,在伦敦读完电机工程,1957 年进入标准电话电缆公司当工程师,很快转到位于哈罗的标准电信实验室做研究,同时在伦敦大学学院攻读博士。他被分派的题目,是当时通信业最棘手的那一个。
1966 年的那篇论文
1960 年代中期,电话铜缆和微波中继的容量已逼近极限。激光刚刚诞生,光的频率比微波高出几个数量级,理论上能携带的信息量大得惊人——但光要沿什么走?空气里有雾、有雨、有湍流;玻璃倒是稳定,可当时最好的光学玻璃每公里衰减约 1000 分贝,光走进去二十米就没了。业界的共识很简单:不可能。
高锟没有接受这个结论。他和同事霍克汉姆做了一件很朴素的事——去查这些损耗到底来自哪里。测量与分析指向一个关键判断:绝大部分损耗不是玻璃这种材料的宿命,而是杂质造成的吸收,尤其是其中残留的铁离子。 玻璃本身的本征散射远低于此。
1966 年,两人发表论文,给出了一个具体的工程指标:只要把玻璃提纯到损耗低于 20 dB/km,光纤通信就成立。这个数字后来成了整个行业的靶心。
四年游说
论文发表后,高锟做的第二件事同样重要:他不停地跑。带着幻灯片去英国、美国、日本的玻璃厂商与实验室,一遍遍解释为什么这件事能成。有人当面说他是痴人说梦。
1970 年,美国康宁公司的莫勒、凯克与舒尔茨用高纯石英做出了一段损耗 17 dB/km 的光纤——跨过了那道门槛。此后损耗一路下降:今天商用单模光纤在 1550 纳米波段的损耗约 0.2 dB/km,光在其中走一百公里仍有约百分之一的能量剩下。数十万公里的海底光缆由此铺满全球洋底,成为互联网的物理骨架。
关于专利,流传很广的说法是他「主动放弃」了收益。更准确的表述是:光纤的核心专利归属他当时任职的公司,他个人并未因此致富;而他确实多次表达过同一个愿望——希望通信的成本越来越低,让更多人用得起。
尊严的一课
1987 年,高锟出任香港中文大学校长,任内推动了不少学科建设。退休后他仍在讲学与写作。
2004 年,他被确诊阿尔茨海默病。2009 年诺贝尔奖公布时,病情已让他难以完成正式演讲。他仍与夫人黄美芸一同前往斯德哥尔摩:诺贝尔演讲由夫人代为宣读;颁奖礼上,瑞典方面破例免去了向国王鞠躬、向历届得主与全场致意等一系列礼节,国王卡尔十六世·古斯塔夫走下台阶,来到他面前与他握手。那是仪式对一个人最体面的让步。
次年,他与夫人成立基金会,帮助阿尔茨海默病患者与照护者。2018 年 9 月 23 日,高锟在香港逝世。
光纤之父
「光纤之父」这个称呼,落在他身上并不夸张。今天全球互联网的洲际骨干几乎全部跑在光纤上;跨洋视频通话、云计算、流媒体、数据中心之间的互联,都建立在他 1966 年那个判断之上。而在医院里,内窥镜靠的也是同一根玻璃丝把光送进去、把像带出来。
他做的事在物理上并不深奥——没有新粒子,没有新方程。他只是在所有人都说「不可能」的时候,坚持追问那句「为什么不可能」,然后拿出了数字。
代表方程
全反射临界角
光纤是「芯」外面包一层折射率更低的「包层」。只要光射到界面上的角度足够斜,它就一点也漏不出去,被完全反射回芯里。光就这样一路撞着壁向前跑几十公里,却始终不出这根比头发还细的玻璃丝。
光纤损耗(分贝/公里)
衡量玻璃「透不透」的尺子。每 10 dB 表示光强衰减到十分之一:1000 dB/km 意味着光走二十米就基本没了;20 dB/km 意味着能跑一公里还剩百分之一;今天的 0.2 dB/km,光走一百公里仍有约百分之一——洲际海底光缆正是靠这个数字成立的。
伟大发现
出处
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