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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦
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绘画：张京
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 纤维里的光和电路中的影[1]
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在一个周末的清晨，你上网查询了本市的景点信息，然后决定与家人一起参观新落成的科学博物馆；在博物馆里，你一边参观，一边用数码相机拍着像片；回家后，你用电子邮件将几张精选像片传给朋友，让他们分享你的快乐；晚上，你和家人围坐在一起，欣赏清晰的数字电视……
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你也许没有意识到，在这普通的一天里，你已反复成为了2009年诺贝尔物理学奖获奖成果的受益者。
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2009年10月6日，拥有英国和美国双重国籍的华裔科学家高琨（Charles K. Kao），拥有加拿大和美国双重国籍的科学家博伊尔（Willard S. Boyle），以及美国科学家史密斯（George E. Smith）共同荣获了2009年的诺贝尔物理学奖[2]。在这三人中，高锟“因光学通信中有关光在纤维中传输的突破性贡献”（for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication）获得全部奖金（约140万美元）的一半，博伊尔和史密斯则“因发明一种成像半导体电路——CCD传感器”（for the invention of an imaging semiconductor circuit——the CCD sensor）而分享了另一半。
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在本文中，我们将对这三位科学家的工作及其意义作一个简单介绍。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 一、光纤，信息时代的大动脉
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我们先来谈谈光纤。
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简单地讲，光纤是一种能引导光在其中传输的纤维。初看起来，这并不是什么深奥莫测的东西，因为光——如我们早已知道——可在一切透明介质中传输，而光纤不过是制成纤维状的透明介质。这种用介质引导光的想法早在19世纪40年代初就已出现并付诸实验（所用介质是水和玻璃），它的一种早期应用是灯光喷泉（直到今天仍在用）。由于受光纤引导的光可以随光纤而弯曲，自20世纪20年代末起，人们开始设想用光纤来制作诸如胃窥镜之类的医学仪器，那些仪器可以深入患者体内，用光纤引导的光将患处的图像传输出来。
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从物理上讲，光纤利用的是一种有趣的光学现象，那就是当光从折射率较高的介质（比如玻璃）射向折射率较低的介质（比如空气）时，在特定的角度范围内，入射光会在两种介质的交界面上被完全反射，而无法进入折射率较低的介质。这种现象被称为光的全内反射（total internal reflection），如图8所示。正是它保证了光纤内的光能够被光纤所引导，而无法轻易逃逸。
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图8 光的全内反射
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事情如果仅仅是这样，就没诺贝尔奖什么事了。人们在实际制作光纤时很快就发现，虽有全内反射在光纤的边界上把关，光纤中的光仍会迅速损耗。在20世纪60年代初，光在最好的光纤中，也只能传播区区20米就只剩下了1%左右。这使得光纤的应用只能局限于像医学仪器那样的短距离之内。
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那么，光纤中光的快速损耗究竟是什么造成的呢？人们提出了一些可能的原因，比如光纤的弯曲，或光纤材料（比如二氧化硅）的晶体结构缺陷等。但是，任何实际应用中的光纤都不可能不弯曲，任何常温下的晶体结构也都不可能无缺陷。因此，若原因果真在这些方面，那光的快速损耗基本上就是“绝症”了。幸运的是，就在这光纤应用的整体前景面临极大挑战的时候，英国标准电信实验室（Standard Telecommunications Laboratories）的高锟与霍克汉姆（George Hockham）经研究发现[3]，光的快速损耗并非上述原因所致，而主要是由于光纤中杂质——尤其是铁离子——对光的吸收与散射。他们这项研究为光纤时代的降临开启了大门[4]，因为既然罪魁祸首是杂质，我们要做的就只是对光纤材料进行提纯，而这是没有任何原则性困难的。
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高锟等人的工作发表于1966年。4年之后，即1970年，美国玻璃制造商康宁公司就通过材料提纯，将原先20米的传输距离提升到了1000米[5]。此后，就像所有技术领域的发展一样，这一纪录被一再刷新。自1975年起，英、美、日等国先后迈出了实用光纤通信的步伐。1988年，第一条跨大西洋的光纤电缆安装成功。现代的互联网、有线电视、电话通信等更是处处离不开光纤（图9）。可以毫不夸张地说，光纤已成为信息时代的大动脉。与传统的无线电通信相比，光纤所能传输的信息量要大得多，而且光纤所用之材料不仅蕴藏丰富，而且强度很高，具有得天独厚的应用优势。据估计，人们迄今铺设的光纤网络已达10亿千米左右，足可在地球与月亮之间绕一千多个来回。
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图9 光纤网络示意图
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在光纤所传输的信息里，有很大一部分是数码影像，这些影像的由来将我们引向了今年诺贝尔物理学奖的第二项获奖工作：CCD。
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