http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2009-10-13
北京时间2009年10月6日17点45分，英国华裔物理学家高锟获得本年度诺贝尔物理学奖的消息，在他预言成真的“光通讯”作用下，瞬间传遍全球各地。
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公里的距离以上传输光信号成为可能，而在上世纪60年代，普通的纤维只能传输光信号20米远。”
1966年，那时才33岁的高锟发表“光通讯”基础理论，提出以一条比头发丝还要细的光纤代替体积庞大的千百万条铜线，用以传送容量几近无限的信息，当时被人笑为“痴人说梦”，但这个“梦”于上世纪90年代被广泛利用，造就了今天互联网的大发展，高锟因此被誉为“光纤之父”。
谁也无法否认光纤对于人类的意义，那么，光纤究竟是怎样被发现的，它是如何改变着我们的生活方式？在光纤之后，会不会出现更为先进的信息传输材料？
天上有颗“高锟星”早已闪耀多年
在高锟获得诺贝尔物理学奖之前，这位出生于上海、生活于香港、深造于英国伦敦的华裔物理学家，就已经蜚声海内外。在他提出“光通讯”基础理论30年后的1996年，中国科学院紫金山天文台将一颗小行星命名为“高锟星”。物理学家杨振宁教授在“高锟星”的命名典礼上致词：“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，就在那一刹那，数不清的光纤，正在传递着数不尽的数位(bits)，把人类世界推进高速信息的新纪元。”
而在美国西部凌晨三点被电话吵醒的高锟夫妇，睡眼蒙眬地得知获奖消息的时候，那颗徜徉天际的“高锟星”已熠熠闪耀了多年。为何距离“光通讯”基础理论提出43年之后，瑞典皇家学院方才把物理学界这颗耀眼的明珠交给高锟？
“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。”解放军理工大学郭道省博士告诉记者，“高锟的设想提出之后，虽然有人认为匪夷所思，有人对此大加褒扬，但在争论中，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。四十多年过去了，整个社会生活都因此发生了翻天覆地的变化。换句话说，如果没有高锟的这一基础理论，今天的这种广泛依托光纤技术的便捷生活，可能会推迟出现。”
光纤到底是什么，它是怎样被发现的？
光线为什么会顺着水流弯曲
1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅，给人们讲解光的全反射原理。他做了一个简单的实验，在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊！人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。
而实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。
后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝——玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维，简称光纤。
光纤与光缆这两个名词，通常会被混淆。多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为光缆。光纤的中心是传播光的玻璃芯。在多模光纤中，芯的直径是15μm－50μm(微米)，大致与人的头发粗细相当。而单模光纤芯的直径为8μm－10μm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光信号保持在芯内传播，再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。
“光导纤维可以用在通信技术里。它的作用到底在哪里？大家都知道，在光缆用于通信之前，都是采用电缆或微波来通信的，受电磁干扰影响大。由于电缆衰减大(相比光纤)，成本也高，传输容量小。许多上了年纪的人，作为中国通信技术发展的体验者，可能对此深有感触。”北京大学现代通信技术研究所所长、光纤通信系统研究专家徐安士教授说。
在光纤通信没有发明前的那些日子里
市民林英武先生对自家18年前装固定电话的那一幕记忆犹新。“先是找人，也就是开后门，然后去登记。当时队排得老长，好不容易拿到表格，又听到传言，就算登记上了，也不一定会安得上。”林英武记得当时不包括电话机，一共交了初装费等在内共3800多元。这个数目相当于他当年近十个月的工资。半年之后，电话才装了起来。“我这还算是幸运的了，还有许多人交了钱，等了快两年才装上电话。”
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诺奖为何总是“姗姗来迟”
许多人对诺贝尔奖的印象是，它经常颁发给老者，而不是正值创造力巅峰的中青年科学家和学者。其实诺贝尔奖的颁奖原则就是要保证获奖成就经得起时间的考验。因为，基础性研究成果由提出到被广泛认可，往往有一个过程，需要很长时间的检验。此外，将奖项颁给取得了让人们心服口服的成就的人，可以避免急功近利、“立竿见影”的科研获奖心态。
比如1982年，澳大利亚学者巴里·马歇尔和罗宾·沃伦发现了幽门螺杆菌，并证明该细菌感染胃部会导致胃炎、胃溃疡和十二指肠溃疡。这一成果打破了当时的许多医学教条，但也经过了20多年，人们才渐渐发现这一成果的巨大价值。因此在2005年，两人获得了诺贝尔生理学或医学奖。
诺贝尔奖也并非总是“姗姗来迟”，华裔科学家杨振宁和李政道从发表论文到1957年共同获得诺贝尔物理学奖只有一年时间。但他们的成果属于可以马上验证的开创性成果，而大多数诺贝尔奖成果都经过了长时间的考验，许多发表成果的年轻科学家或学者到获奖时已经成为老者。
【现代快报】
诺贝尔物理学奖：神奇物件改变看世界的方式
伴随着数码相机、带有摄像头的手机等电子设备风靡全球，人类已经进入了全民数码影像的时代，每一个人都可以随时、随地、随意地用影像记录每一瞬间。带领我们进入如此五彩斑斓世界的，就是美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯在1969年发明的CCD(电荷耦合器件)图像传感器，而他俩，也正因此而获得了本年度的诺贝尔物理学奖。
诺贝尔物理学奖的评委手持一部数码照相机，这样形容他们的成就——“数字摄影已成为许多研究领域不可替代的工具。电荷藕合器件使先前不可见的物体成像成为可能。它为我们提供了遥远的宇宙深空和海底深处的清晰图像。”
电荷藕合器件图像传感器CCD，听上去如此专业拗口，它究竟是一种什么东西呢？当诺贝尔获奖者创造了它之后，它给我们的生活带来了怎样的改变？
没有CCD前我们怎样用影像记录世界
“咔嚓”，在一声脆响声中，现代数码相机就将我们需要的优美画面真实定格并展示出来了，前后不到一秒钟的时间。而且拍摄完之后，摄影者可以立刻观看到自己的摄影作品。可是当我们沉醉在自己拍摄的各种优美画面之时，可曾想过，为什么在这一声短暂的“咔嚓”之后，原本流动的画面就可以定格在照相机中了？在这一秒背后，都发生了哪些事情呢？
为了能将画面定格，科学家为此付出了巨大的努力。说到今年诺贝尔物理学奖颁发给了发明CCD的两位科学家，南师大美术学院摄影与媒体技术系教授罗戟表示：“CCD确实是人类历史上一次伟大的发明创造。”
罗戟说，在CCD发明之前，人们都是用胶片来记录影像，胶片成像的技术应用了化学方法来成像，就是在胶片上涂了一种叫银盐的感光物质，这种物质在见到光后会变色，人们记录影像就是利用了它的这个特点。
用胶片拍摄照片时，胶片上的银盐感光后会发生一系列的化学反应，把感受到的光线记录到胶片上，拍摄完之后，胶片不能见光，否则整个胶片都会曝光，原有的图像也就没有了。这时再把胶片拿到冲洗房，也就是俗称的“暗房”，在这里，用特殊的药水浸泡胶片，使得胶片上记录的感光部分显现出来，然后再将显现的图像放大到相纸上。相纸的显像原理也跟胶片一样，上面也涂有特殊的银盐物质，感光后发生变化，然后再用药水冲洗相纸。
不难看出，这种技术在制作图像过程中比较麻烦，从胶卷到照片，中间要经过很多道工序，花费很长时间，而且拍完照片后，还不能马上查看拍摄的图像是否达到要求，一大意让胶片曝光就前功尽弃了。
而现在，有了配备CCD的数码相机，一切都不同了。拍照片变得简单又快捷，在拍摄时不仅能从显示屏上看到要拍摄的画面，拍完后还可以立刻检验拍摄的效果。而且如果想立刻跟人分享，还可以马上传输到电脑或其他储存器上上网传给别人看。
为什么CCD有如此神奇的本领？
爱因斯坦为CCD的出现帮了大忙
罗戟告诉记者，CCD是一种能直接将光转变为数字电信号的装置，就跟电脑记录数据的方式一样，也是用“0”和“1”来记录信息，有了这种转换，一切摄影就变得简单了。
为了实现这一步，科学家们付出了很多努力。要知道，在过去，大家还都认为把光转换为电是“不可能完成的任务”。
幸好，出现了一个伟大的物理学家，他就是爱因斯坦，他成功解释了光电效应理论，这个理论就证实了光是能转换成电的。在爱因斯坦解释成功光电效应之前，已经有科学家在实验中发现了这一奇怪的现象。
首先发现这一现象的是赫兹。1887年，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫外线照射，则在两个小球之间就非常容易跳出电花。
为了解释光电效应，1905年爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上提出了光量子假说，圆满地解释了光电效应。按照光量子假说，光是由一个个光量子组成的，光的能量是不连续的，每个光量子的能量要达到一定数值，才能从金属表面打出电子来。
这个伟大的发现，给CCD的发明作了很好的铺垫。
这两个美国人怎样发明了CCD
CCD图像传感器的发明，实际上就是应用了爱因斯坦有关光电效应理论的结果，即光照射到某些物质上，能够引起物质的电性质发生变化。但是从理论到实践，道路却并不平坦。科学家遇到的最大挑战，在于如何在很短的时间内，将每一个点上因为光照而产生改变的大量电信号采集并且辨别出来。
上世纪60年代，博伊尔和史密斯都在著名的贝尔实验室工作，当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。
利用这两种新技术，博伊尔和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷‘气泡’元件”。这种装置的特性就是，它能沿着一片半导体的表面传递电荷，于是他们便尝试用它来作为记忆电荷信号的装置，但此时的装置中的电荷不能长久保持，从而无法保存记录数据。
就在这时，博伊尔和史密斯想到光电效应能使此种元件表面自动产生电荷，从而组成数码影像。经过多次试验，博伊尔和史密斯终于解决了这个难题。他们采用一种高感光度的半导体材料，将光线照射导致的电信号变化转换成数字电信号，使得其高效存储、编辑、传输都成为可能。
神奇的CCD带来一个全新的世界
那么，CCD究竟是如何工作的呢？罗戟说，CCD是一种半导体器件，半导体物质一般是硅，也有的可能用硫化镉等物质，它们都是感光物质，这些物质被植入光敏二极管里，然后一个个地排成一个方形阵列。其中一个微小的光敏物质就称作“像素”。
“像素”这个词对现代人来说肯定不陌生，去商场买手机或数码相机时，往往人们第一个问的就是像素多少。而且大家都知道，在同样的配置下，基本上像素越高，商品的价格也就越贵。这是因为一块CCD上包含的像素数越多，说明光敏度越好，画面分辨率也就越高。
通过这些光敏物质感光并产生光电效应后，CCD上装置的模数转换器芯片便会将感应到的电荷变化，换成电脑中所用的“0”或“1”的数字信号，从而记录保存下来。
不过，仅仅只有感光的光敏物质还不够，要知道现代的数码相机大多是彩色的，但CCD半导体记录到的只是光的强弱，而光线的色彩还不能表达。所以彩色数码相机还需要在CCD前加装一个三原色滤镜。通过滤镜将不同颜色光线分解，再通过CCD半导体器件产生光电效应，一副色彩缤纷的画面就通过不同的信号呈现出来了。
除了数码相机它还可以窥视人体内部
如今，CCD图像传感器除了大规模应用于数码相机外，还广泛应用于摄像机、扫描仪、天文仪器等。此外，在医学上为诊断疾病或进行显微手术而对人体内部进行的拍摄中，也大量应用了CCD图像传感器及相关设备。
罗戟说，在CCD发明之前，我们所看的电视、电影都是用胶片录制的，电视机比CCD要早出现几十年，当时所看的电视节目，都是事先用胶片录制好，然后再转变为电视信号，传输到千家万户的电视机里。直到CCD出现之后，才有了今天我们看到的各种摄像机。
一位做过胃镜的陈先生就非常好奇，为什么拿一根管子伸到自己的胃里，就可以把胃里的情况清清楚楚在旁边的电脑仪器中显示出来？
南京市中医院消化科主任金小晶告诉记者，现在最先进的胃镜技术就是电子胃镜，又叫光导纤维胃镜，陈先生所好奇的管子就是用光纤制作的，在管子的头部有个镜头，管子连接到了CCD上，通过CCD就可以把胃里的画面呈现出来，道理和摄像机是一样的，只不过普通摄像机的镜头是固定安装在机身上，而胃镜的镜头是用管子连接的。而在没有CCD的时候，医生就只能通过镜头直接观看胃部情况，每次只能一个人看，就跟用显微镜或放大镜直接观察物体本身一样，而且看到的图像还不能转换到电脑上保存或记录下来。
CCD更能看到人眼看不到的光线
而CCD最伟大的用处，莫过于引起了天文设备的一场大革命，使人们的视野不仅仅停留在地球上和可见光范围，而是超越了普通光学天文望远镜，伸向了太空的深远之处。
南大天文系教授严家荣说，CCD是现在天文观测中的重要装备。而天文上所使用的CCD，要比我们日常生活中使用的更精密复杂，因为地面上我们要拍摄的影像大多在可见光范围内，用普通的半导体材料就可以感光，而太空中大多是不可见光线，所以对CCD的感光材料要求更为复杂。所以判断现代天文观测设备的好坏，主要就是判断CCD的制作精密度，谁家的CCD制作最好，谁就走在天文界前端。
中国的CCD研究发展到哪一步了
可惜的是，我国在CCD研制领域进入较晚，所以这项技术还比较滞后。特别是民用CCD方面，大多还是依靠进口，没有自己生产。
不过，南京大学微电子设计研究所的潘红兵副教授告诉记者，虽然我们在民用CCD制作方面不如国外，但我们在制作高端CCD方面也有一定的成就，一些高端CCD都是自己设计研发的。民用CCD技术也不是说研发不出来，只是生产成本较高，没有人家发展得早。如果潜心研究，也是能够研究好的。
CCD的发展方向在哪里
CCD发展到今天，技术已经日臻完善，并且还出现了两个发展方向，一个是传统的CCD技术，还有一个是CMOS技术。罗戟说，这两个发展方向的工作原理其实还都是一样的，都是将光转换成数字电信号，只是生产工艺上有所不同。CMOS使用的半导体材料跟CCD有所区别，CMOS的全称即“互补金属氧化物半导体”。此外，两者设计工艺也有所差别。
关于这两种技术哪个更好，罗戟说，一般来说，CCD的成像品质要比CMOS更好，所以在专业数码后背相机中，都是用的CCD技术。相比CCD而言，CMOS的制作成本要低一些，所以近几年，也有很多厂家开始研发CMOS技术。CMOS的成像技术虽然现在还赶不上顶尖的CCD，但对普通用户来说，已经足够了。
不管是CCD还是CMOS，电荷藕合器件图像传感器的发明都给人类的生活带来了巨大的变化。 本版主笔 快报记者 戎丹妍
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诺贝尔奖为何选择了他们
2008年诺贝尔奖
物理学奖 获奖者为美国籍科学家南部阳一郎和日本科学家小林诚、益川敏英。南部阳一郎的贡献是发现了亚原子物理学中的自发对称性破缺机制，而小林诚和益川敏英的贡献是发现了有关对称性破缺的起源。
化学奖 获奖者为日本科学家下村修、美国科学家马丁·沙尔菲和美籍华裔科学家钱永健。他们因在发现和研究绿色荧光蛋白方面作出贡献而获奖。
生理学或医学奖 获奖者为德国科学家哈拉尔德·楚尔·豪森及法国科学家弗朗索瓦丝·巴尔-西诺西和吕克·蒙塔尼。豪森发现了人乳头状瘤病毒，这种病毒是导致宫颈癌的罪魁祸首。巴尔-西诺西和蒙塔尼的获奖成就则是发现了艾滋病病毒。
2007年诺贝尔奖
物理学奖 获奖者为法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔，他们因发现“巨磁电阻”效应而获奖。
化学奖 获奖者为德国科学家格哈德·埃特尔，因在表面化学研究领域作出开拓性贡献而获奖。
生理学或医学奖 获奖者为美国科学家马里奥·卡佩基、奥利弗·史密斯和英国科学家马丁·埃文斯，他们的一系列突破性发现为“基因靶向”技术的发展奠定了基础。
2006年诺贝尔奖
物理学奖 获奖者为美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特，他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性。
化学奖 获奖者为美国科学家罗杰·科恩伯格，他在“真核转录的分子基础”研究领域作出巨大贡献。
生理学或医学奖 获奖者为美国科学家安德鲁·法尔和克雷格·梅洛。他们发现了核糖核酸干扰机制，这一机制已被广泛用作研究基因功能的一种手段。
2005年诺贝尔奖
物理学奖 获奖者为美国科学家罗伊·格劳伯、约翰·霍尔和德国科学家特奥多尔·亨施，他们因为“对光学相干的量子理论的贡献”和对基于激光的精密光谱学发展而获奖。
化学奖 获奖者为法国科学家伊夫·肖万、美国科学家罗伯特·格拉布和理查德·施罗克，他们因在烯烃复分解反应研究领域作出贡献而获奖。
生理学或医学奖 获奖者为澳大利亚科学家巴里·马歇尔和罗宾·沃伦，他们发现了导致人类罹患胃炎、胃溃疡和十二指肠溃疡的罪魁——幽门螺杆菌。
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重视应用研究正当其时
文/徐玢
瑞典时间10月6日，2009年度诺贝尔物理学奖揭晓，光通信和CCD图像传感器两项应用研究成为主角。这使人们纷纷议论应用研究在当今时代的重要地位。杨振宁更是表示，整个世界的发展，整个人类的发展方向，以及科学自身的内在趋势，都是越来越重视应用。
科学研究是为了认识自然，更是为了改造自然。随着人类对自然认识的不断深入，科学愈来愈具有改善人类生存条件的力量，科学的显示度也越来越高。拿今年获奖的华裔科学家高锟来说，其获奖论文《光频率介质纤维表面波导》发表于1966年，尽管当时由于缺少符合要求的材料被认为是“天方夜谭”，但时至今日，光纤已经遍布全球，更成为互联网兴盛发展不可替代的基石。另一项获奖成果CCD传感器同样如此。不断积累的科学研究使人类掌握了更多改变世界的手段，也使科学更具改变生活的可能性和力量。在这样的基础上，重视与改善人类生活直接相关的应用研究，恰逢其时。
从农业时代、工业时代到信息时代再到知识经济时代，社会生产力不断提高，科技日益成为其中不可或缺的内生力量。而发挥科学对提升生产力的作用，更重要的还在于使其成为可应用的生产力。在这样的需求下，让科学服务人类、重视应用研究，不仅可行，而且必需。
当然，重视应用研究并非意味着基础研究光环不再。正如光通信和CCD的发展历程所揭示的，科技的进步是一条环环相扣的探索之路，从基础研究到应用研究再到产品研发，缺一不可。只有在三者的相互促进的循环中，科学才能真正发挥认知自然、改变生活的力量。
【科技日报】