【诺贝尔2009】驾驭光的努力

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◆透视2009诺贝尔物理学奖

10月6日，一年一度的诺贝尔物理学奖又一次揭晓，而恰恰是有赖于获奖者改变世界的贡献，消息在瞬间传遍世界。

瑞典皇家科学院宣布，2009年的诺贝尔物理奖授予英国华裔科学家高锟（Charles K. Kao）以及美国科学家威拉德·博伊尔（Willard S. Boyle）和乔治·史密斯（George E. Smith）。高锟因“在光学通信领域光在光纤中传输方面所取得的开创性成就”而获得一半的奖金，博伊尔和史密斯因“发明了一种成像半导体电路——CCD传感器”而分享另一半奖金。

通讯的革命

高锟1933年生于上海，1940年代迁往香港，于1954年赴英国伦敦大学攻读电机工程，1965年获得博士学位。

1930年代，医学上已经开始使用简单的光纤去窥视病人的胃或在做牙科手术时照亮牙齿。这些技术随后的几十年里在医学领域中有所改进，但用光纤进行远距离的通信却仍然是另一个问题。而且，当时的世界上，人们热衷于研究发展电子学和无线电技术，几乎没有人对用光纤传输信息感兴趣。

然后出现了激光，它使得光纤通信出现了曙光。所有的信息都可以被编码为以极快速度闪动的光，也就代表了数字0和1。光纤由玻璃制成，它本身的折射率高于周围的空气，因而在角度合适的情况下，光能够在光纤内部折射前进。

但是这个时候，人们仍然不知道光纤通信能够走多远，因为仅仅过了20米，信号就只剩下一开始的百分之一了。如何减少光在传输过程中的衰减，成为一个巨大的挑战。高锟从这里进入光纤通信研究，致力于解决这个问题。

那时，高锟是英国标准电信实验室（STL）一名研究光通信的年轻工程师，他一开始在别人的领导下工作，后来成了一个小组的头。这个小组一开始其实只有两个人，除了他，还有乔治·霍克汉姆（George A. Hockham），也是一名年轻人。

当时，他和霍克汉姆的目标是，让光在光纤中传输1千米后至少还剩下百分之一。他们俩着手研究了光纤在光通信中的基本性质。他们不是像其他研究者那样只将注意力集中在波导管上，而是同时研究了材料的性质。他们发现了一个最重要的问题：造成信号衰减的最大因素是吸收和散射。高锟和霍克汉姆在1966年发表了《光频率介质纤维表面波导》的论文，报告了他们的研究结果。这篇论文成为了他获得“光纤之父”称谓的标志性文章。

他们认为，制造光纤的玻璃需要提纯，才能降低衰减率。高锟具体指出了光纤生产工艺上应该实现的技术，在当时来说，这实现起来有相当大的困难。高锟后来在回忆这段历史的时候说，当时人人都觉得他是痴人说梦。

四年之后，美国一家有一百多年玻璃制造历史的工厂首先制造出了1千米长的光纤。到了1988年，6000公里长的光缆被铺设在了美国和欧洲之间的大西洋海底。现在，全世界的光纤总长度已经超过了10亿公里，足以绕地球25000圈，并仍在以每小时数千公里的速度增长。这些光纤织成的网构成了互联网。

与高锟当年想要达到的传输1千米后剩下百分之一的光相比，今天的光纤在传输1千米后95%的光都还在。

威拉德·博伊尔和乔治·史密斯1969年在美国贝尔实验室发明了CCD

1960年代高锟在英国标准电信实验室

照相的革命

与高锟分享诺贝尔奖的美国科学家博伊尔1924年出生于加拿大阿默斯特，高中以前都是在母亲的指导下自学，加入过海军，他的获奖发明是在1950年代进入美国贝尔实验室后作出的。他的合作者史密斯1930年出生于美国纽约，1950年代在芝加哥大学获得博士学位后进入贝尔实验室。

最开始，他们是在上司的鼓励下参与一项竞赛，想要开发出一种新的磁泡存储器。结果他们真的研制出了一种存储器，这种存储器叫作“电荷耦合器件”，简称CCD。但CCD并没有作为一种存储设备被人们熟知，而是成为了一种感光器件，存在于今天各式各样的数码相机中。

CCD的理论基础其实是爱因斯坦提出的光电效应，他在1921年曾因此获得诺贝尔奖。CCD是一种半导体器件，它将光线转换成电信号，电信号接着又被转换为数码0和1。这些信号又可以被还原为图像，每一个影像点叫作一个像素。

博伊尔和史密斯1969年发明出CCD，一年后就首次在他们的摄像机上进行了应用。1972年，美国飞兆公司生产出了100×100像素的传感器。1975年，博伊尔和史密斯自己制造的数码摄像机的画质已经可以达到电视广播的水平了。

1995年，世界上首部数码照相机出现了，相机厂商们纷纷跟进。今天的市场上，消费型数码相机已经琳琅满目，越来越廉价和轻便，取代了1839年由路易斯·达盖尔发明的胶片相机。

诺贝尔奖评选委员会说：“数码影像传感器在科学领域已经在海底和太空中都得到了广泛的应用。它可以捕捉到遥远天体和极小物体的影像。如此一来，技术突破与科学突破便相互缠绕在一起。”

CCD在天文学领域的应用是革命性的。对于天体发出的光芒，每一百个光子，传统的胶片和人眼只能捕捉到1个，而CCD能够捕捉到90个。天文学家也无需再辛苦地守在望远镜旁等待胶片曝光，第二天再人工对比一张张的胶片找出星空的变化，他们现在只需要在电脑上轻点鼠标便能做到这些。数字化技术使得天文学家处理照片的效率大大提高。

1980年代设计哈勃太空望远镜的时候，256万像素的传感器在当时是一件叹为观止的事情。今天，美国的开普勒号望远镜正在用9500万像素的CCD寻找与地球类似的行星。

与CCD同期被发明出的还有一种叫做CMOS（互补金属氧化物半导体）的感光器件，它现在被认为是CCD的竞争对手。它用电更省，价格更低，被应用于许多手机的摄像头中。有人认为未来是属于CMOS的，而另一些人则认为CMOS和CCD都将继续发展并共存相当长的一段时间。