改变人类生活的孤子

孤子又称孤立波、罗素波，最早源自于罗素在1842和1843年关于波动的精彩报告：“我相信我还是最好描述下首次亲身与之相识的情况来介绍这个现象。当时，我正在观看沿着狭窄水道由两匹马牵引向前的一只小船的运动。当小船骤然停止时，水道中为小船所推动的一大堆水却并不停止，水积聚在船头前面猛烈地激荡着，然后水浪突然呈现出个很大的、孤立的凸起，那是一个滚圆而光滑、周界分明的“水堆”。它以巨大的速度向前滚动，而将小船留在它后面。这一水堆沿着水道继续行进并且没有明显地改变其形状或降低其速度。我骑马紧跟，并追上了它，它仍保持其原来的大约30英尺长、1英尺至l英尺半的高度以大约每小时8或9英里的速度滚滚向前。……这是我第一次有机会见到这样一个独一无二的现象。”

　　

　　巨大的应用前景

　　

　　从罗素所描述的孤子现象中，我们明显能感觉到孤子是一种特殊波，也可以水波为例：风平浪静的时候，微弱的水波激不起波澜而是很快地消逝；但是受到巨大冲击而产生的水波却能轻松驶达几公里之外且威力不减(比如海洋上的巨浪)——此时才能被称为孤子现象。这意味着，孤子的产生需要较强的物理条件(冲击力必须足够大)。想象一下罗素所描绘的水浪，我们不难给孤子做出更准确的定义：它是一种局限在特定空间或者时间上的特殊波，在较长的传播过程中，能够保持形状、幅度和速度基本不变。

　　除了具有“波动性”之外，“粒子性”也是孤子的另外一个属性。孤子(soliton)的英文名称来源于sol itary加上后缀on。这表示孤子同电子(electron)一样具有“粒子”属性，严格地讲，孤子是一种抽象的粒子，它所代表的是该非线性物理系统的一种特殊状态。孤子揭示了许许多多物理复杂体系所共有的物理现象，所以孤子的研究格外受到物理学家的重视。

　　能够产生孤子的非线性物理系统有很多，最早被用作研究孤子现象的当属水波，目前研究集中在海啸上面。特别是最近几年地球活动越来越活跃，海啸频繁发生，通过长期监测海啸的物理特性来揭示海啸波导致的孤子是如何形成的，从而在一定程度上，能对远洋的船舶起到预警作用。甚至有科学家认为人体神经系统信号传导行为也是类似孤子的。如此丰富的孤子现象表明孤子并非孤立的物理事实，而是普遍存在于自然界中。其中最有影响且最具有实用价值的是光孤子。那我们就重点讨论光孤子，考虑到孤子的普世性，对光孤子的研究是完全可以用来指导其他孤子的研究甚至能促进人们对其他孤子的进一步了解。早在1973年，贝尔实验室的科研人员就将光孤子的概念引入到光纤传输中。在频移时，由于折射率的非线性变化与群色散效应相抵消达到平衡，光脉冲会形成一种基本孤子，在反常色散区稳定传输。由此，逐渐产生了新的电磁理论——光孤子理论，从而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一新领域。光孤子(soliton)就是这种能在长时间的光纤传播中保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。利用光孤子的特性可以实现超长距离、超大容量的光通信。1988年，贝尔实验室的莫兰诺尔就成功实现了4000千米远程光纤孤子信号传输——这预示着光通信时代的来临，此项巨大成就直接影响了近二十年来全人类的生活方式。2009年诺贝尔物理学奖授予高锟先生的重要原因就是表彰他在光学通信领域所取得的开创性成就。

　　

　　光孤子通信

　　

　　在当代光纤通信中，随着光纤制造技术的发展，光纤的损耗已经降低到接近理论极限值的程度，目前限制传输距离和传输容量的主要原因是“色散”。打个形象的比方，设想若干运动选手在一块无限长的海绵上面一起跑步。刚起跑的时候，队伍是齐的，所有人都是在同一个起跑线上的；跑不了一会儿，由于有人跑得快，有的人跑得慢，使得队伍被拉开了，也就变宽了，此现象可称为“色散”效应。但是，因为这群人是在海绵上面跑步的，海绵会被踩凹下去。跑在前面的人相当于走上坡路，虽然他们的跑步速度比较慢，但是由于上坡的影响而导致速度变慢；跑在后面的人相当于走下坡路，虽然他们的跑步速度比较慢，但是由于顺着下坡而导致速度变快。综合起来的效果是：跑的最快和最慢的人速度差变小，队伍还是能保持基本阵型一起前进，海绵所起的作用就相当于速度调节器，使速度快的减速，使速度慢的加速，此现象可称为“非线性”效应。“色散”和“非线性”两个效应相互抵消并且达到平衡，就能产生孤子。所谓光脉冲，其实是一系列不同频率的光波振荡组成的电磁波的集合(对应于若干跑步速度各异的选手)。光纤的色散使得不同频率的光波以不同的速度传播，这样，同时出发的光脉冲，由于频率不同，传输速度以及到达终点的时间也就不同，这便使得信号畸变失真。光纤的色散使光信号的脉冲展宽，而光纤的非线性特性会使光信号的脉冲产生压缩效应。

　　如果有办法使光脉冲变宽和变窄这两种效应正好互相抵消，那么光脉冲就能在光纤传输中保持不变，实现超长距离、超大容量的通信(对应于海绵使得队伍保持阵型共同前进)。光孤子通信完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，因而被认为是下一代最有发展前途的传输方式之一。利用光孤子进行通信，其传输容量极大，传输速率将可能高达每秒兆比特。如此高速意味着世界上最大的图书馆美国国会图书馆的全部藏书，只需要100秒就可以全部传送完毕。由此可见，光孤子通信的能力何等强大。

　　正因为光孤子通信技术的这些优点和潜在发展前景，国际国内这几年都在大力研究开发这一技术。迄今为止的研究已为实现超高速、超长距离光孤子通信系统奠定了理论和物质基础。当然目前光孤子通信仍然存在各种各样的技术难题，但我们相信，光孤子通信必定能够为人类创造更美好的生活!(文章代码：101611)

　　【责任编辑】李军