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前信息时代的信息
让我们首先从“信息”说起。
其实,人类从来都没有离开过信息。一个人表达一个意思给另一个人,这就是信息的传递。想当初人类还不会说话时,要表达某个“意思”,是通过表情和动作。可是这种“肢体语言”往往不够明确,容易引起误解。后来,人类发明了语言,信息大大地明晰了。但这种信息也有缺点,就是只能在人和人之间当面传递,而且转瞬即逝。于是聪明的人类发明了文字、纸张和印刷术,信息终于可以记录、保存和向远方传播了。我们的前人就靠这样的方式过了上千年的传统生活,一切看上去都还不错。
但社会并没有停下前进的脚步。有这样一种说法:人类首先发现如何用火,于是开始有了燃料和能量;然后人类又发明了轮子,于是开始有了工具和机械;接下来,人类学会用火来推动轮子,从此世界开始了工业化的时代。工业化,意味着让机器代替人类去完成更多、更艰巨、更复杂的工作。这时候,信息已经不仅仅局限在人和人之间传递,更需要在人和机器之间传递:如何使用机器“听得懂”的语言,告诉它要做什么。
一个全新的世界诞生了——电子技术的发明使得机器更容易“听懂”我们的话,为我们工作。尤其是电报、电话、广播电视、计算机等一大批“信息机器”的相继诞生,更使得人类的信息传得更快、更远。大家都知道,电子的运动速度是接近光速的。欢迎大家来到这个以光速交换信息的世界!
让光去“送信”
小小的电子,是怎么传递信息的呢?原来,人们是把声音、文字和图像“翻译”成一系列电压、电流的变化,通过金属线缆发送出去,接收的一方再把这种电信号重新“翻译”成声音、文字和图像。有了这种方便的手段,人类的信息处理量自然会越来越大。这时候,问题来了。
学过物理的同学们知道,电的良导体都是金、银、铜这样的贵金属,制造这类传输材料的成本非常高。而且由于金属介质中存在电阻,所以传输的距离和信号量都很受限制。所以,用电线铺就的通信网络只能被叫做“信息羊肠小道”,还远远不是“信息高速公路”。
科学家们把目光投向能量的最初形式——光。
“光通信”这个词,听起来蛮高科技的,其实一点也不神秘。我们不妨回忆一下小时候玩过的“手电筒打暗号”的游戏。两个人在相距较远的位置上,通过电筒灯光的亮和灭,可以引起对方的注意,如果相互说好一定的规则,就可以通过有规律的闪烁灯光来传递更复杂的信息。在战场上,信号灯就是这样在静默的情况下进行情报传递的。
当然完成这一过程的双方都是人,人通过手电完成信号的发送,又用眼睛这一良好的光感应器接收信息,同时人脑完成对信息的处理。用机器来模仿完成这一过程,也并不是一件很复杂的事。但是因为空气对光子的散射作用,在大气中传播的光信号衰耗一样很严重,而且会受到天气条件的极大干扰。科学家们想出了一个办法,像电线一样,把光封闭在一个密闭通道中进行传播,我们姑且称这样的通道为“光导线”。可是光是直线传播的,光子会像电子一样听话地沿着导体运行吗?难道所有的光导线都得做成笔直笔直的、不能弯曲?
带着这个疑问,我们来回顾早在19世纪人们就做过的一个著名实验。
1870年的一天,英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅,为人们做了一个简单的实验。他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,水从水桶的小孔里流了出来,形成一股弯曲的小水流,而光线竟然也被这股水流“俘获”,跟着弯曲了。
难道光不走直线了吗?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(如图)。如果我们用透明材料做一根导线,以合适的入射角把光“放”进去,让它在里面不断发生全反射,就像它在弯曲的水流中那样,不就可以让它带着我们要传递的信息去往目的地了吗?
改变世界的“光纤通信”已经呼之欲出了!
砂子改变世界
眼前还有最后一个,也是最大的一个难题:用什么材料来做这种“光导线”?
1964年,英籍华裔科学家高锟提出,可以将玻璃拉成头发丝般粗细的纤维,作为光信号的导线。但当时人们制造出来的玻璃光纤“很不厚道”,要收“买路钱”——光信号在里面每传输10米,信号能量就损耗掉90%。这是什么概念呢?假设把太阳投射到地球上的光全部汇集起来,将达到难以想象的亮度;但如果把这束亮光送入这根玻璃丝,仅仅160米之后,出来的光线亮度还比不上卫生间的一只灯泡!这能用于通信吗?因此很多人称高锟的设想是“匪夷所思”。
然而,高锟并没有气馁。通过进一步的研究,他发现,“收买路钱”的并不是玻璃,而是玻璃里面存在的铜、铁、锰等杂质,只要减少杂质,同时把光纤的形状和粗细制造得更均匀,就能大大减小光信号的损耗。
1970年,美国康宁公司按高锟的理论,拉出了第一根具有实用价值的光纤。新的时代开始了!这是一个什么样的时代呢?
首先,制造光纤的原料是石英,就来源于我们身边随处可见的砂石,它以极为便宜的成本,代替了昂贵的铜等金属。与此同时,同样一条线路,光纤的信息传输容量却是金属线路的成千上万倍。目前通过单根光纤,1秒钟就可以传输几十T比特的信息量(1T=1000G=1000000M,一首MP3歌曲的大小约为5M左右),这在以电缆方式进行信号传输的时代是不可想象的。此外,光纤还具有重量轻、损耗低、保真度高、抗干扰能力强、工作性能可靠等诸多优点,真可谓“价格便宜量又足”!
美丽的新世界
我们终于由“信息羊肠小道”进入了由光铺就的“信息高速公路”,世界也因此发生了翻天覆地的变化。它不仅仅是一场“技术革命”,更带来了社会的显著变革:世界各地的人们聚在互联网上一起交流、学习、娱乐,真正实现了“天涯若比邻”;下一代人将会以不同的方式学习和成长;一件产品各个部分的生产,可以分散在世界多个地方,为人们尤其是发展中国家的人们提供巨大的机遇;信息的广泛传播,给普通人带来更多参与公共事务的机会,促进人和人之间的平等……可以说,没有光纤就没有这一切。2009年,“光纤之父”高锟荣获诺贝尔物理学奖,他当之无愧。
近年来,光纤逐渐以各种方式进入家庭,更加环保的全光网络正在筹划发展当中。光纤通信的革命还没有结束,它才刚刚开始。不久的将来,我们家中的电话线、宽带上网线、有线电视电缆等都会被一根光纤所替代。仅靠这一根丝般细弱的光纤,我们可以在几十秒内下载完一本高清的电影,同时还可以一边收看世界杯实况转播,一边用可视电话和远在比赛现场的朋友热烈讨论。如果还不过瘾,那么干脆同时进入“实况足球”电子竞技游戏,“带领”你喜欢的球队,跟朋友连线打一场比赛……
这绝对不是科幻,这是光带给我们的崭新的世界,一个美丽的新世界。
让我们首先从“信息”说起。
其实,人类从来都没有离开过信息。一个人表达一个意思给另一个人,这就是信息的传递。想当初人类还不会说话时,要表达某个“意思”,是通过表情和动作。可是这种“肢体语言”往往不够明确,容易引起误解。后来,人类发明了语言,信息大大地明晰了。但这种信息也有缺点,就是只能在人和人之间当面传递,而且转瞬即逝。于是聪明的人类发明了文字、纸张和印刷术,信息终于可以记录、保存和向远方传播了。我们的前人就靠这样的方式过了上千年的传统生活,一切看上去都还不错。
但社会并没有停下前进的脚步。有这样一种说法:人类首先发现如何用火,于是开始有了燃料和能量;然后人类又发明了轮子,于是开始有了工具和机械;接下来,人类学会用火来推动轮子,从此世界开始了工业化的时代。工业化,意味着让机器代替人类去完成更多、更艰巨、更复杂的工作。这时候,信息已经不仅仅局限在人和人之间传递,更需要在人和机器之间传递:如何使用机器“听得懂”的语言,告诉它要做什么。
一个全新的世界诞生了——电子技术的发明使得机器更容易“听懂”我们的话,为我们工作。尤其是电报、电话、广播电视、计算机等一大批“信息机器”的相继诞生,更使得人类的信息传得更快、更远。大家都知道,电子的运动速度是接近光速的。欢迎大家来到这个以光速交换信息的世界!
让光去“送信”
小小的电子,是怎么传递信息的呢?原来,人们是把声音、文字和图像“翻译”成一系列电压、电流的变化,通过金属线缆发送出去,接收的一方再把这种电信号重新“翻译”成声音、文字和图像。有了这种方便的手段,人类的信息处理量自然会越来越大。这时候,问题来了。
学过物理的同学们知道,电的良导体都是金、银、铜这样的贵金属,制造这类传输材料的成本非常高。而且由于金属介质中存在电阻,所以传输的距离和信号量都很受限制。所以,用电线铺就的通信网络只能被叫做“信息羊肠小道”,还远远不是“信息高速公路”。
科学家们把目光投向能量的最初形式——光。
“光通信”这个词,听起来蛮高科技的,其实一点也不神秘。我们不妨回忆一下小时候玩过的“手电筒打暗号”的游戏。两个人在相距较远的位置上,通过电筒灯光的亮和灭,可以引起对方的注意,如果相互说好一定的规则,就可以通过有规律的闪烁灯光来传递更复杂的信息。在战场上,信号灯就是这样在静默的情况下进行情报传递的。
当然完成这一过程的双方都是人,人通过手电完成信号的发送,又用眼睛这一良好的光感应器接收信息,同时人脑完成对信息的处理。用机器来模仿完成这一过程,也并不是一件很复杂的事。但是因为空气对光子的散射作用,在大气中传播的光信号衰耗一样很严重,而且会受到天气条件的极大干扰。科学家们想出了一个办法,像电线一样,把光封闭在一个密闭通道中进行传播,我们姑且称这样的通道为“光导线”。可是光是直线传播的,光子会像电子一样听话地沿着导体运行吗?难道所有的光导线都得做成笔直笔直的、不能弯曲?
带着这个疑问,我们来回顾早在19世纪人们就做过的一个著名实验。
1870年的一天,英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅,为人们做了一个简单的实验。他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,水从水桶的小孔里流了出来,形成一股弯曲的小水流,而光线竟然也被这股水流“俘获”,跟着弯曲了。
难道光不走直线了吗?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(如图)。如果我们用透明材料做一根导线,以合适的入射角把光“放”进去,让它在里面不断发生全反射,就像它在弯曲的水流中那样,不就可以让它带着我们要传递的信息去往目的地了吗?
改变世界的“光纤通信”已经呼之欲出了!
砂子改变世界
眼前还有最后一个,也是最大的一个难题:用什么材料来做这种“光导线”?
1964年,英籍华裔科学家高锟提出,可以将玻璃拉成头发丝般粗细的纤维,作为光信号的导线。但当时人们制造出来的玻璃光纤“很不厚道”,要收“买路钱”——光信号在里面每传输10米,信号能量就损耗掉90%。这是什么概念呢?假设把太阳投射到地球上的光全部汇集起来,将达到难以想象的亮度;但如果把这束亮光送入这根玻璃丝,仅仅160米之后,出来的光线亮度还比不上卫生间的一只灯泡!这能用于通信吗?因此很多人称高锟的设想是“匪夷所思”。
然而,高锟并没有气馁。通过进一步的研究,他发现,“收买路钱”的并不是玻璃,而是玻璃里面存在的铜、铁、锰等杂质,只要减少杂质,同时把光纤的形状和粗细制造得更均匀,就能大大减小光信号的损耗。
1970年,美国康宁公司按高锟的理论,拉出了第一根具有实用价值的光纤。新的时代开始了!这是一个什么样的时代呢?
首先,制造光纤的原料是石英,就来源于我们身边随处可见的砂石,它以极为便宜的成本,代替了昂贵的铜等金属。与此同时,同样一条线路,光纤的信息传输容量却是金属线路的成千上万倍。目前通过单根光纤,1秒钟就可以传输几十T比特的信息量(1T=1000G=1000000M,一首MP3歌曲的大小约为5M左右),这在以电缆方式进行信号传输的时代是不可想象的。此外,光纤还具有重量轻、损耗低、保真度高、抗干扰能力强、工作性能可靠等诸多优点,真可谓“价格便宜量又足”!
美丽的新世界
我们终于由“信息羊肠小道”进入了由光铺就的“信息高速公路”,世界也因此发生了翻天覆地的变化。它不仅仅是一场“技术革命”,更带来了社会的显著变革:世界各地的人们聚在互联网上一起交流、学习、娱乐,真正实现了“天涯若比邻”;下一代人将会以不同的方式学习和成长;一件产品各个部分的生产,可以分散在世界多个地方,为人们尤其是发展中国家的人们提供巨大的机遇;信息的广泛传播,给普通人带来更多参与公共事务的机会,促进人和人之间的平等……可以说,没有光纤就没有这一切。2009年,“光纤之父”高锟荣获诺贝尔物理学奖,他当之无愧。
近年来,光纤逐渐以各种方式进入家庭,更加环保的全光网络正在筹划发展当中。光纤通信的革命还没有结束,它才刚刚开始。不久的将来,我们家中的电话线、宽带上网线、有线电视电缆等都会被一根光纤所替代。仅靠这一根丝般细弱的光纤,我们可以在几十秒内下载完一本高清的电影,同时还可以一边收看世界杯实况转播,一边用可视电话和远在比赛现场的朋友热烈讨论。如果还不过瘾,那么干脆同时进入“实况足球”电子竞技游戏,“带领”你喜欢的球队,跟朋友连线打一场比赛……
这绝对不是科幻,这是光带给我们的崭新的世界,一个美丽的新世界。