诺贝尔物理学奖得奖者—高锟教授


前言

去年十一月，本刊第十二期通讯刊出时，适值华裔诺贝尔物理学奖得主杨振宁教授百岁生辰，香港中文大学（中大）特别举办了大型专题展览。我们亦刊登了由中大物理系杨纲凯教授撰写，名为《百年物理 - 贺杨振宁教授 - 百歳生辰》的文章，除介绍杨振宁教授的卓越学术成就外，亦讲述了他与香港多年来所有建立的密切关系。

其实，香港虽然是弹丸之地，却是几位获诺贝尔物理学奖得奖者年青时居住及受教育的地方！

今期，就让我们介绍有「光纤之父」称谓的诺贝尔物理学奖得奖者—高锟教授在工程和物理学上的卓越成就和对香港高等教育的重大贡献。

光纤之父

高锟被誉为「光纤之父」、「光纤通讯之父」、「宽带教父」及为2009诺贝尔物理学奖得奖者，说他是现代最重要和最有影响力的工程家之一，绝对是无容置疑的。他在「光传输于纤维的光学通信领域突破性成就（for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication）」，更造就了互联网时代的的爆炸性发展。

早年生活及教育

根据诺贝尔基金会出版，有关高锟教授的自传[1]所指，高锟教授于1933年生于上海的富裕家庭。他的父亲高君湘于美国密歇根大学修读法律并曾于中国担任法官，而他的祖父高吹万是一名儒家学者，在1911 年中国革命期间，积极参与推翻清朝统治的运动。

高锟从小就是个科学迷，常以各式各样化学物品做实验，他的父母更视他为「顽皮孩子」。他曾在2004 年进行的口述历史[2]中提到，「我一直在玩化学品，早在我真正长大到可以真正玩这些东西之前就已经开始，所以我了解一些事情，比如如果你把氧化剂和易燃的东西混合起来，把两者混合，就会产生明亮的火花，而我就是这样做的。 我使用的东西实际上是如此致命。 我把红磷粉和氯酸钾混合在一起，氯酸钾是一种氧化剂，我们触摸它，它会发出『嘭！』的一声，然后爆炸。 一个小男孩玩这些东西真的很糟糕！实际上，我写过这方面的文章。 我做了泥球，并把水及这两种材料放进泥球的中心并让它变干，你扔的时候它就会爆炸。」他童年的恶作剧，或许是他对事物抱有极大好奇心和求知欲的表现。

根据《潮平岸濶：高锟自传》所述，他于1948年十余岁时在内战前线临近上海之前移居香港，随家人移居香港，并于1952年毕业于圣若瑟书院。他在学校的入学考试中几乎获得全A的成绩，使他获得了入读香港大学的资格。然而，香港大学在战后仍处于混乱状态，并非所有学院都在运作。当时，他远赴英国伦敦就读高中及后在伍尔维奇理工学院[3]（现英国格林威治大学）取得理电机工程学士学位，随后并在1965 年获伦敦大学学院颁授电机工程哲学博士学位。

高锟在访问中说到：「我喜欢电机工程，因为它的性质是非常有趣和吸引，你会在学习过程中得到许多满足感，激发个人的创意思维。六十年代不是有太多人进研究院的，我做研究也是为了满足自己的要求。我觉得工程是十分有趣味的领域，工程师和『读书人』不同，我们做研究是为了解决生活上的难题，制作各种科技产品。工程人员所钻研的技术是富有挑战性，很有意思的工作，因为工程和社会的发展是相辅相成的。当一名工程师最大的吸引力，在于他（她）是『创造者』，能综合过往的经验去创作一些对社会有实际用途的东西。工程师的创作空间是无穷的，因为这个世界还有许多事物值得我们去探讨和改善。如果你喜欢创造，喜欢钻研对社会有用的东西，工程学绝对能够满足你的期望。」[4]

想法并非一时意念

毕业后，高锟在国际电话电报公司（ITT）设于英国的欧洲中央研究机构——标准电信实验有限公司（Standard Telephones and Cables Ltd）工作。在1960年代，他与其同事做出划时代的研究，引致他们发现可以用石英基玻璃纤维作为一种快速有效的通讯媒介，并概述了这种传输的媒介的潜在能力远远优于铜线或无线电波。

早在1950年代，传统的无线电传输已无法满足人们对通讯服务日益增加的要求。当时，有关如何减低信号在传送过程中损耗的方法如雨后春笋般涌现，但仍在修读博士学位的高锟，已经提出了同时利用几何光学和波动学说来进一步理解「波导」问题的全新想法。在1960年代初，虽已经发明了激光，但光通讯完全未成气候，高锟就已经提出质疑：「我们怎么可以断定激光没有前途？如果光通讯仅仅停留在理论阶段，那就太可惜了。」[5]

当时世界上只有两个组织正在研究光通讯的传输组件，而其他许多组织都在研究固态和半导体激光。尽管激光在光学频率上产生相干辐射，但使用这种辐射进行通讯似乎是非常困难，甚至是不可能的。在光通讯实现这目标之前，必须克服许多严峻的挑战。

其中一个挑战便是关于光在透明材料—玻璃中严重衰减。光散射造成过高信号损失，光线在穿过玻璃棒的很短距离后，可能是几英尺就会完全消失，因此人们普遍认为玻璃纤维并不适合作为长距离信息传输的导体。

然而，高锟对此不以为然，他并不认为这是无法突破的困境，并开始积极研究光与玻璃的关系，发现光在玻璃中的衰减主要归于三大原因：（1）材料结构本身固有损耗，限制了透明区的波长；（2）留在材料中杂质的外因损耗；以及（3）Rayleigh性散失使材料结构不统一而引起散射的影响。Not in eng version

经过许多研究团队的努力及无数的尝试与失败，高锟发现，通过净化玻璃，细光纤束将能够以最小的信号损耗在长距离传输大量数据。不过，当时光纤通讯仍只是理论，技术上还未能跟上，无人相信世界上会存在无杂质的玻璃，能让光波的传输不会因杂质而衰减。虽然面对怀疑和批评，高教授在及后数年仍坚持他的科学信念。为此，高锟经常工作得很晚才回家，他的妻子黄美芸有一次曾抱怨，但他说：「别生气，我们正在做的是非常振奋人心的事情，终有一天它会震惊全世界。」

在高锟与乔治·霍克汉姆 (George Hockham) 于1966年发表的光纤通讯研究论文《光频率介质纤维表面波导》[6]，他们提出 「玻璃纤维材质」和特定层面 「代表可能有一种极具潜力的应用光波导，可作为一种新型通讯媒介」，打破早期认为玻璃纤维只能用于短距离传输的想法。他们开创的理论仍然支撑著当今光纤通讯背后的原理。

首个光纤通讯系统终于在1981年面世，光纤取代了传统铜线，为通讯科技带来划时代的突破。高教授并没有为光纤技术申请专利，而是将技术开放，让光纤通讯和互联网得以普及，造福世界。高锟曾在媒体采访中说道：「我是一个平凡的人，我在做光纤实验时，觉得只是做一个科学家应该做的事，并不是什么了不起的事。」

他在自传[7]中提到：「人们问我，这个想法是否突然出现的，是我找到的！毕业后我一直从事微波传输方面的工作。这些理论以及其局限性早已深深地印在我的脑海里。我知道我们需要更多的频宽，并一直在思考如何做到这一点。」

除了与两位制作出将光转换为电子信息的电荷耦合器件的发明者—加拿大物理学家威拉德·博伊尔（Willard S Boyle）及美国科学家乔治·史密斯（George E Smith） —共同获得2009诺贝尔物理学奖外，高教授还于1985 年获得亚历山大·格雷厄姆·贝尔奖章和马可尼奖，于1989年获得了法拉第奖。他于1989年被选为英国皇家工程院院士，1990年被选为美国国家工程院院士，1996年被选为中国科学院外籍院士，还于1997年被选为英国皇家学会院士，以及在世界各地大学取得荣誉学位。

香港学术界的巨人

香港学术界的巨人这位华裔物理学家除了为现代通讯技术带来革命性变革、为香港和世界做出的巨大贡献外，他在香港亦是被人们铭记为一位敬业的教育家，于1987-1996年担任香港中文大学校长，开设了多个新的本科及研究院课程，研究勃旺，建树良多。

良好的工程需要深入掌握基础物理学，以及评估工程成果对社会影响的能力。在出任中大校长之前，他作为工程研究和教育的倡导者，率先在中大建立了体现这些价值观的电子学系（现称电子工程学系）并担任创系主席及讲座教授。他在 1970-1974 年担任中大电子学系系主任的四年期间，为课程奠定了基础，后来被任命为首位电子学教授。在这段短短的时间，他已经对学校作出重大贡献，大大推动了科研氛围。而在他出任校长期间，亦创办了工程学院和信息工程学系

在1987年，高锟回到中大出任校长。在任期内，他推行灵活的学分制，改革本科课程，将中大推向世界级研究型综合大学的前列，提高了香港所有研究型大学的标准。高锟还同时成立了工程学院及信息工程系，成功地汇聚了一批在该领域有才华的研究人员。工程学院成立时，通讯技术是该学院的核心优势领域之一，当时香港的高等教育界别经历了大规模的扩张和质量的提升，然而，高锟以沈实的学者态度，著眼于大学的的长远学术发展，并奠定坚实基础。

在他的领导下，中大开设了不少本科课程，包括日本研究、法律、小学教育、体育运动科学、建筑、护理、药剂和信息工程系；他亦创设多个研究所，包括香港生物科技院、亚太工商研究所、香港亚太研究所、香港癌症研究所、人文学科研究所、香港教育研究所以及数学科学研究所。

高锟很早已经洞悉到生物科技及互联网的庞大发展潜力，并就此两个领域展开研究项目。作为生态工程的早期倡导者，他于1972年发表了一篇关于该主题的论文。他在学术界、业界和政府部门之间建立的强大合作关系，先为香港、再为内地和东南亚的研究机构缔造了一个模范。高教授在1996年荣休后，一直担任荣誉讲座教授及各种荣誉职务。

中大现任校长段崇智教授表示[8]：「高教授是出类拔萃的学者，也是高等教育界高瞻远瞩的领袖，他作为中大第三任校长，积极推动中大整体发展，建立稳固基础，为有才之士开拓发展空间，成就超卓。」

为阿兹海默症患者发声

高锟教授在2004年确诊患上阿兹海默症—一种毁灭性的疾病，使患者丧失记忆、定向力障碍和出现行为问题，他与夫人黄美芸在2010年成立高锟慈善基金，旨在在香港提升公众对阿兹海默症的关注，鼓励各方就该病展开合作，以及支持现今受到阿兹海默症影响的患者及照顾者。

高教授于2018年9月离世。在他去世时，高锟慈善基金主席黄美芸女士在新闻稿[9]提到﹕「作为高教授的遗愿，本会将继续坚定我们的工作，致力为脑退化症患者及其家属提供服务，亦冀盼各位能团结一致，支持高教授的遗愿，支持相关的工作。」

高锟在世界各地为家，但他一直心系并扎根香港，把一生中大部分时间留在这城市，最终安家于中大。他在中大留下了他的遗产，包括诺贝尔奖章和文凭，以及各种珍贵的奖章。高锟在中大接受访问时说：「我的座右铭是『当我离去之后，世上仍存留一点的足印』」[10] 我们相信他对香港和世界的影响和贡献在他去世后仍得以长存。

（特别鸣谢香港中文大学提供本文中的部分资料）

2022年3月

参考


  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. 高锟 & Hockham, G. A. (1966). 《光频率介质纤维表面波导》. 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. 敬悼中大前校长及光纤之父高锟教授. 香港中文大学. 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. 纪念高锟爵士(1933-2018). 高锟慈善基金. 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.