諾貝爾物理學獎得獎者—高錕教授


前言

去年十一月，本刊第十二期通訊刊出時，適值華裔諾貝爾物理學獎得主楊振寧教授百歲生辰，香港中文大學（中大）特別舉辦了大型專題展覽。我們亦刊登了由中大物理系楊綱凱教授撰寫，名為《百年物理 - 賀楊振寧教授 - 百歳生辰》的文章，除介紹楊振寧教授的卓越學術成就外，亦講述了他與香港多年來所有建立的密切關係。

其實，香港雖然是彈丸之地，卻是幾位獲諾貝爾物理學獎得獎者年青時居住及受教育的地方！

今期，就讓我們介紹有「光纖之父」稱謂的諾貝爾物理學獎得獎者—高錕教授在工程和物理學上的卓越成就和對香港高等教育的重大貢獻。

光纖之父

高錕被譽為「光纖之父」、「光纖通訊之父」、「寬帶教父」及為2009諾貝爾物理學獎得獎者，說他是現代最重要和最有影響力的工程家之一，絕對是無容置疑的。他在「光傳輸於纖維的光學通信領域突破性成就（for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication）」，更造就了互聯網時代的的爆炸性發展。

早年生活及教育

根據諾貝爾基金會出版，有關高錕教授的自傳[1]所指，高錕教授於1933年生於上海的富裕家庭。他的父親高君湘於美國密歇根大學修讀法律並曾於中國擔任法官，而他的祖父高吹萬是一名儒家學者，在1911 年中國革命期間，積極參與推翻清朝統治的運動。

高錕從小就是個科學迷，常以各式各樣化學物品做實驗，他的父母更視他爲「頑皮孩子」。他曾在2004 年進行的口述歷史[2]中提到，「我一直在玩化學品，早在我真正長大到可以真正玩這些東西之前就已經開始，所以我了解一些事情，比如如果你把氧化劑和易燃的東西混合起來，把兩者混合，就會產生明亮的火花，而我就是這樣做的。 我使用的東西實際上是如此致命。 我把紅磷粉和氯酸鉀混合在一起，氯酸鉀是一種氧化劑，我們觸摸它，它會發出『嘭！』的一聲，然後爆炸。 一個小男孩玩這些東西真的很糟糕！實際上，我寫過這方面的文章。 我做了泥球，並把水及這兩種材料放進泥球的中心並讓它變乾，你扔的時候它就會爆炸。」他童年的惡作劇，或許是他對事物抱有極大好奇心和求知慾的表現。

根據《潮平岸濶：高錕自傳》所述，他於1948年十餘歲時在內戰前線臨近上海之前移居香港，隨家人移居香港，並於1952年畢業於聖若瑟書院。他在學校的入學考試中幾乎獲得全A的成績，使他獲得了入讀香港大學的資格。然而，香港大學在戰後仍處於混亂狀態，並非所有學院都在運作。當時，他遠赴英國倫敦就讀高中及後在伍爾維奇理工學院[3]（現英國格林威治大學）取得理電機工程學士學位，隨後並在1965 年獲倫敦大學學院頒授電機工程哲學博士學位。

高錕在訪問中說到：「我喜歡電機工程，因為它的性質是非常有趣和吸引，你會在學習過程中得到許多滿足感，激發個人的創意思維。六十年代不是有太多人進研究院的，我做研究也是為了滿足自己的要求。我覺得工程是十分有趣味的領域，工程師和『讀書人』不同，我們做研究是為了解決生活上的難題，製作各種科技產品。工程人員所鑽研的技術是富有挑戰性，很有意思的工作，因為工程和社會的發展是相輔相成的。當一名工程師最大的吸引力，在於他（她）是『創造者』，能綜合過往的經驗去創作一些對社會有實際用途的東西。工程師的創作空間是無窮的，因為這個世界還有許多事物值得我們去探討和改善。如果你喜歡創造，喜歡鑽研對社會有用的東西，工程學絕對能夠滿足你的期望。」

想法並非一時意念

畢業後，高錕在國際電話電報公司（ITT）設於英國的歐洲中央研究機構——標準電信實驗有限公司（Standard Telephones and Cables Ltd）工作。在1960年代，他與其同事做出劃時代的研究，引致他們發現可以用石英基玻璃纖維作為一種快速有效的通訊媒介，並概述了這種傳輸的媒介的潛在能力遠遠優於銅線或無線電波。

早在1950年代，傳統的無線電傳輸已無法滿足人們對通訊服務日益增加的要求。當時，有關如何減低信號在傳送過程中損耗的方法如雨後春筍般湧現，但仍在修讀博士學位的高錕，已經提出了同時利用幾何光學和波動學說來進一步理解「波導」問題的全新想法。在1960年代初，雖已經發明了激光，但光通訊完全未成氣候，高錕就已經提出質疑：「我們怎麼可以斷定激光沒有前途？如果光通訊僅僅停留在理論階段，那就太可惜了。」[5]

當時世界上只有兩個組織正在研究光通訊的傳輸組件，而其他許多組織都在研究固態和半導體激光。儘管激光在光學頻率上產生相干輻射，但使用這種輻射進行通訊似乎是非常困難，甚至是不可能的。在光通訊實現這目標之前，必須克服許多嚴峻的挑戰。

其中一個挑戰便是關於光在透明材料—玻璃中嚴重衰減。光散射造成過高信號損失，光線在穿過玻璃棒的很短距離後，可能是幾英尺就會完全消失，因此人們普遍認為玻璃纖維並不適合作為長距離信息傳輸的導體。

然而，高錕對此不以為然，他並不認為這是無法突破的困境，並開始積極研究光與玻璃的關係，發現光在玻璃中的衰減主要歸於三大原因：（1）材料結構本身固有損耗，限制了透明區的波長；（2）留在材料中雜質的外因損耗；以及（3）Rayleigh性散失使材料結構不統一而引起散射的影響。Not in eng version

經過許多研究團隊的努力及無數的嘗試與失敗，高錕發現，通過淨化玻璃，細光纖束將能夠以最小的信號損耗在長距離傳輸大量數據。不過，當時光纖通訊仍只是理論，技術上還未能跟上，無人相信世界上會存在無雜質的玻璃，能讓光波的傳輸不會因雜質而衰減。雖然面對懷疑和批評，高教授在及後數年仍堅持他的科學信念。為此，高錕經常工作得很晚才回家，他的妻子黃美芸有一次曾抱怨，但他說：「別生氣，我們正在做的是非常振奮人心的事情，終有一天它會震驚全世界。」

在高錕與喬治·霍克漢姆 (George Hockham) 於1966年發表的光纖通訊研究論文《光頻率介質纖維表面波導》[6]，他們提出 「玻璃纖維材質」和特定層面 「代表可能有一種極具潛力的應用光波導，可作為一種新型通訊媒介」，打破早期認為玻璃纖維只能用於短距離傳輸的想法。他們開創的理論仍然支撐著當今光纖通訊背後的原理。

首個光纖通訊系統終於在1981年面世，光纖取代了傳統銅線，為通訊科技帶來劃時代的突破。高教授並沒有為光纖技術申請專利，而是將技術開放，讓光纖通訊和互聯網得以普及，造福世界。高錕曾在媒體採訪中説道：「我是一個平凡的人，我在做光纖實驗時，覺得只是做一個科學家應該做的事，並不是什麼了不起的事。」

他在自傳[7]中提到：「人們問我，這個想法是否突然出現的，是我找到的！畢業後我一直從事微波傳輸方面的工作。這些理論以及其局限性早已深深地印在我的腦海裡。我知道我們需要更多的頻寬，並一直在思考如何做到這一點。」

除了與兩位製作出將光轉換為電子信息的電荷耦合器件的發明者—加拿大物理學家威拉德·博伊爾（Willard S Boyle）及美國科學家喬治·史密斯（George E Smith） —共同獲得2009諾貝爾物理學獎外，高教授還於1985 年獲得亞歷山大·格雷厄姆·貝爾獎章和馬可尼獎，於1989年獲得了法拉第獎。他於1989年被選為英國皇家工程院院士，1990年被選為美國國家工程院院士，1996年被選為中國科學院外籍院士，還於1997年被選為英國皇家學會院士，以及在世界各地大學取得榮譽學位。

香港學術界的巨人

這位華裔物理學家除了為現代通訊技術帶來革命性變革、為香港和世界做出的巨大貢獻外，他在香港亦是被人們銘記為一位敬業的教育家，於1987-1996年擔任香港中文大學校長，開設了多個新的本科及研究院課程，研究勃旺，建樹良多。

良好的工程需要深入掌握基礎物理學，以及評估工程成果對社會影響的能力。在出任中大校長之前，他作為工程研究和教育的倡導者，率先在中大建立了體現這些價值觀的電子學系（現稱電子工程學系）並擔任創系主席及講座教授。他在 1970-1974 年擔任中大電子學系系主任的四年期間，為課程奠定了基礎，後來被任命為首位電子學教授。在這段短短的時間，他已經對學校作出重大貢獻，大大推動了科研氛圍。而在他出任校長期間，亦創辦了工程學院和信息工程學系

在1987年，高錕回到中大出任校長。在任期内，他推行靈活的學分制，改革本科課程，將中大推向世界級研究型綜合大學的前列，提高了香港所有研究型大學的標準。高錕還同時成立了工程學院及信息工程系，成功地匯聚了一批在該領域有才華的研究人員。工程學院成立時，通訊技術是該學院的核心優勢領域之一，當時香港的高等教育界別經歷了大規模的擴張和質量的提升，然而，高錕以沈實的學者態度，著眼於大學的的長遠學術發展，並奠定堅實基礎。

在他的領導下，中大開設了不少本科課程，包括日本研究、法律、小學教育、體育運動科學、建築、護理、藥劑和信息工程系；他亦創設多個研究所，包括香港生物科技院、亞太工商研究所、香港亞太研究所、香港癌症研究所、人文學科研究所、香港教育研究所以及數學科學研究所。

高錕很早已經洞悉到生物科技及互聯網的龐大發展潛力，並就此兩個領域展開研究項目。作為生態工程的早期倡導者，他於1972年發表了一篇關於該主題的論文。他在學術界、業界和政府部門之間建立的強大合作關係，先為香港、再為內地和東南亞的研究機構締造了一個模範。高教授在1996年榮休後，一直擔任榮譽講座教授及各種榮譽職務。

中大現任校長段崇智教授表示[8]：「高教授是出類拔萃的學者，也是高等教育界高瞻遠矚的領袖，他作為中大第三任校長，積極推動中大整體發展，建立穩固基礎，為有才之士開拓發展空間，成就超卓。」

為阿茲海默症患者發聲

高錕教授在2004年確診患上阿茲海默症—一種毀滅性的疾病，使患者喪失記憶、定向力障礙和出現行為問題，他與夫人黃美芸在2010年成立高錕慈善基金，旨在在香港提升公眾對阿茲海默症的關注，鼓勵各方就該病展開合作，以及支持現今受到阿茲海默症影響的患者及照顧者。

高教授於2018年9月離世。在他去世時，高錕慈善基金主席黃美芸女士在新聞稿[9]提到﹕「作為高教授的遺願，本會將繼續堅定我們的工作，致力為腦退化症患者及其家屬提供服務，亦冀盼各位能團結一致，支持高教授的遺願，支持相關的工作。」

高錕在世界各地爲家，但他一直心繫並紮根香港，把一生中大部分時間留在這城市，最終安家於中大。他在中大留下了他的遺產，包括諾貝爾獎章和文憑，以及各種珍貴的獎章。高錕在中大接受訪問時說：「我的座右銘是『當我離去之後，世上仍存留一點的足印』」[10] 我們相信他對香港和世界的影響和貢獻在他去世後仍得以長存。

（特別鳴謝香港中文大學提供本文中的部分資料）

2022年3月

參考


  1. The Nobel Prize in Physics 2009. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2021. 3 Dec 2021, from https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2009/kao/biographical/
  2. Charles Kao. an oral history conducted in 2004 by Robert Colburn, IEEE History Center, Piscataway, NJ, U.S.A. https://ethw.org/Oral-History:Charles_Kao#Education_and_childhood_interest_in_science The IEEE History Center has a collection of more than 800 oral histories in electrical and computer technology which can be accessed via http://ethw.org/Oral-History:List_of_all_Oral_Histories”
  3. The Nobel Prize in Physics 2009. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2021. 3 Dec 2021, from https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2009/kao/biographical/
  4. 一點足印 光纖之父 高錕教授專訪. Engage. 5 Jan, 2022, from http://engage.erg.cuhk.edu.hk/issue4/int_1.htm
  5. Sand from centuries past: Send future voices Fast - Nobel prize. 6 Jan, 2022, from https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/kao_lecture.pdf
  6. 高錕 & Hockham, G. A. (1966). 《光頻率介質纖維表面波導》. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 113(7), 1151–1158 https://doi.org/10.1049/piee.1966.0189
  7. The Nobel Prize in Physics 2009. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2021. 3 Dec 2021, from https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2009/kao/biographical/
  8. 敬悼中大前校長及光纖之父高錕教授. 香港中文大學. 2021年12月3日, https://www.cpr.cuhk.edu.hk/en/press/mourning-professor-sir-charles-kao-former-vice-chancellor-of-cuhk-and-father-of-fibre-optics/ .
  9. 紀念高錕爵士(1933-2018). 高錕慈善基金. 2021年12月3日 https://www.charleskaofoundation.org/news/detail?id=DDHfBv46JG.
  10. 一點足印 光纖之父 高錕教授專訪. Engage. 5 Jan, 2022, from http://engage.erg.cuhk.edu.hk/issue4/int_1.htm
  11. Ing, T. S., Lau, C. D., & Young, K. (2019). Charles K. Kao, 高錕, Nobel Prize in Physics, 2009. In Nobel and Lasker Laureates of Chinese descent: In literature and science (pp. 131–146). World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.