物理知识系列讲座（三）——物理学与高新技术④物理学与信息技术

物理知识系列讲座（三）——物理学与信息技术

4——物理学与信息技术

当今世界正经历一场新的科学技术革命，信息技术处于其核心和先导地位。信息技术正在改变原有的社会产业结构和经济结构，改变人们的劳动方式和生产方式，改变社会生产组织和管理体制，成为决定生产力发展速度和经济竞争力高低的关键。从有线通讯到无线通讯、微波通讯和卫星通讯，再到光纤通讯，单位时间的通讯量逐渐加大。国际互连网和信息高速公路的迅速发展，使其成为世界上最大的信息交流和资源利用系统。物理学与信息科学结合又形成了量子信息科学，包括量子计算机、光子计算机和量子通信。

一、信息与信息技术概念

信息指消息、情报、资料、数据、信号等包含的内容，是对客观事物状态的描述。对大量信息进行分析、处理、提炼将形成有用的知识和智能。信息是一种重要的资源和财富。信息的表现形式有声音、图像、文字、数据、视频等。计算机是一种新的信息工具，信息要进入计算机必须数字化，即用二进制形式表示成计算机中的所谓数据。也就是说，要把关于某人、某事、某对象或某环境转换成抽象的数据才能被计算机所“认识”，信息是可以进行数字化的对象。信息处理包括对信息的分解、组合、排序、转换、变换、编码、调制、存储、检索、运算等等。计算机是代替人脑对大量信息进行处理的重要工具，是人类大脑的延伸，因此又称为电脑。1946年第一代电子管计算机问世，此后人们又开发了晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成电路计算机，集成度和运算速度快速提高，体积和功耗不断减小，应用的领域由军事、科研拓展到社会生产和生活的方方面面，如今正朝着超大规模集成电路以及人工智能化方向发展。

要使信息能够远距离传输，必须把它转换成为光、电等物理量。带有信息的光、电随时间变化的形态称为信号。随时间连续变化的信号称为连续信号，也叫做模拟信号；随时间间断变化的信号称为离散信号，也叫做数字信号。通常以两个离散值“0”和“1”来表示二进制的数字信号。语音、图像及电视等是模拟信号，用模拟-数字转换（A/D转换）器，将模拟信号进行取样并将取样值转换成数字信号输出。当取样频率足够高时，转换后的数字信号就能够保存原来信号的特征，再经数字-模拟转换（D/A转换）器进行反变换又可恢复为原来的模拟信号。只有数字信号才能输入到计算机里或数字通讯线路进行传输。

信息技术（简称IT）是与信息的获取、加工、存储、传输及应用有关的技术，覆盖了微电子技术、计算机技术、数据处理技术、现代通信技术和人工智能技术，是一门综合科学技术。信息处理与传输的步骤是：将声音、图像、文字、数据、视频等各种信息转换成数字信号输入计算机；计算机对数据进行处理，通过载体进行传输；再由数字信号转换成声音、图像、文字、数据、视频等。信息不同于物质和能量，但它与物质和能量又有密切的联系。这是因为信息必须以物质（包括电磁场物质形态）为载体（如声音所包含的信息以声波为载体，电报所包含的信息以电流为载体等等），并且在其传输、转换等过程中必然伴随着相应的能量消耗、补充或转化过程。信息技术涉及到微电子学、半导体物理、光学和光电子学等。可见，信息技术与物理学是紧密相关的，物理学在其中起着关键的作用。

二、信息的获取 传感技术 遥感技术

信息的获取是信息利用的前提。单靠人类自身的感觉器官获取信息，不仅数量有限，而且不够准确和客观。为了克服人体器官的局限和自然条件的限制，人们发展了各种传感技术和遥感技术，大大拓展了获取信息的能力。通过传感器和遥感技术可以将自然界的各种物理量或信息转换成电信号，再经数据采集和A/D转换，变为数字信号就可以输入计算机进行处理。传感技术和遥感技术是信息获取的重要手段。

传感器是一种信号转换的装置或器件，它能将某种物理量按一定规律转换成有用的信号。在测量技术和仪器中，通常是把一些不便测量的物理量（非电量）转换成电量进行测量。传感器技术实际上是一种利用材料的能量转换效应（包括物理效应、化学效应、生物效应等）制成信号转换器件的技术。传感器种类繁多，目前尚无统一的分类方法。按照所依据的效应，可以分为物理型、化学性、生物型传感器；按照敏感元件材料，可以分为陶瓷传感器、光纤传感器等；按待转换的物理量，可以分为压力传感器、温度传感器、位移传感器、光敏传感器、声敏传感器等；按照传感器的工作原理，可分为压电式传感器、电磁式传感器、电阻式传感器、电容式传感器等；按照输出信号的不同，可以分为模拟传感器和数字式传感器两类。在信息技术中，传感器技术是把各种各种物理过程提供的信息转换成电信号，以便获取和处理信息的技术。伴随着信息传输技术的全面数字化、小型化、自动化和网络化，信息的获取也要实现数字化与自动化，即需要将各种信息转换为电信号。例如要收集温度信息，就需要根据温度的范围、探测对象，制成温度传感器。根据某些热敏材料随温度升高而电阻增大的性质，可以制成热敏电阻温度传感器，把温度信号变为电信号，再进行数字化、自动化处理等。光电传感器是利用材料的光电导效应、光生伏特效应、光电子发射效应等原理，将光信号转变为电信号的装置。电阻式传感器的基本原理是将被检测量或被转换信号转变成电阻值获得相关信息的装置。由于引起导体、半导体、绝缘体电阻变化的因素有压力、内应力、温度、湿度等，因此利用电阻式传感器可以获得力、位移、形变、加速度、温度、湿度等信息。有些晶体和陶瓷电介质在特定方向的外力作用下发生形变时，两端面会出现异号电荷，在电介质内部产生电场，这种现象叫压电效应。具有压电效应的晶体和陶瓷分别叫压电晶体和压电陶瓷。利用压电效应制成的传感器叫做压电传感器，压电传感器可以实现机械能与电能的转换，从而把机械振动信号（如声信号）、压力、形变等转变为电信号。

遥感技术是通过非直接接触在远距离对目标进行测量和识别的信息获取技术。遥感主要是通过安装在地面观测站及车辆、飞机、卫星、航天飞机等运载工具上的各种遥感器，收集和整理目标及其所处环境的辐射或反射的电磁波信息，得到数据和图像，再经计算机处理或人工图像判别，获取信息，以迅速识别目标及其环境的性质、状态和变化的各种信息特征。

遥感技术是现代信息技术的重要组成部分，应用广泛。如探测地表和海洋自然环境，评估自然资源，监测大气环境，从云图中获取气象信息，军事侦察，地形测绘等。

遥感是把远处目标和环境内所辐射的各种波段的电磁波和反射的电磁波信号加以收集和记录。遥感的两种方式是：接收自然辐射能的被动方式和接收人工辐射能的主动方式。被动方式研究的是地、物对太阳辐射的反射情况和地、物自发辐射情况；主动方式是利用激光或雷达波照射地、物，研究反射回来的辐射情况。早期的遥感手段是照相，后来发展了多光谱照相、多光谱扫描成像与红外技术。

三、信息存储技术

信息存储是通过介质把信息保存或记录下来的一种方式。现代信息记录技术主要是磁记录、光记录和半导体记录，其中最主要的是磁记录。

磁记录是把可以转换为电信号的信息，输入、记录和存储到磁性介质中，且能从中取出和重现该信息的过程。信息可以是声音、图像、数字等。将磁粉均匀地涂布于某种基体上或基体上制备磁性薄膜，便是磁记录载体。磁记录过程是：由声音或图像转换成的电信号使磁头产生与信号一致的磁场，磁头在载体表面相对移动，磁记录介质被磁化而有剩磁，载体上各处剩余磁化强度大小与信号变化规律是一致的，于是以剩余磁化的形式将信号记录下来。反过来，已记录信号的磁记录介质通过磁头，剩余磁化强度的强弱变化，使拾波线圈感应出同步变化的电流，该电流经电声或电像转换又将得到原来记录的声音或图像。

按照信息记录的方式，磁记录可以分为连续的模拟记录和分立的数字记录两种。前者用于录音和录像等，后者用于计算机记录等。对数字磁记录，首先要将信号转换成二进制的“0”或“1”。记录后，磁记录介质只有正负两种剩余磁化强度或状态。目前使用的磁记录载体有磁带、磁盘、磁鼓、磁卡等。

在计算机中使用的磁记录载体是软磁盘和硬磁盘。它们记录的信息量单位是一个二进制数的位，8位二进制数称为一个字节，称为1B。一般把1024B记作1KB，1024KB记作1MB，1024MB记作1 GB。3.5英寸高密度双面软盘的存储量为1.44MB。现在计算机硬盘存储量为40～80GB。除固定硬盘外，计算机还有能随身携带的可移动硬盘，使用通用串行总线接口即USB接口与计算机连接。磁记录介质材料是铁磁性颗粒，颗粒越细，存储密度越大。但颗粒细到一定程度时，表现的不是铁磁性而是超顺磁性，超顺磁性不会保留剩余磁化强度。这样，太小颗粒的磁体不能作磁记录介质使用。现在磁记录所用的铁磁颗粒已接近极限。

光盘是继磁盘以后，数据存储领域最重要的信技术。光盘是一种涂有光敏介质（如磁光材料作记录介质等）的平面圆盘。通过光的调制，将数据按规定格式以亮点和暗点形式的二进制位存储在介质上。光盘利用一个聚焦激光束的极小光点上高度集中的能量，采用非接触式读写方式写入和读出信息，存储密度极高，容量大，保存时间长。

半导体存储器是最早用于计算机的内存储器。随着半导体技术的发展，半导体芯片价格下降，又开始用作计算机的外存储器和各种电器的信息存储器。微型计算机使用的一种外存储器称为闪烁存储器，简称闪存。通常使用的U盘就是闪存盘，是USB接口与存储卡集成在一起的。

四、信息传输技术

最早的信息传输采用的是电缆连接的有线通讯系统，如电报和电话，这是电信息的直接传输，也是“一”对“一”的传输。电报用直流电就可以传送，把要传送的信息写成文字，再把文字编成信息电码通过电线传输过去，收到信息电码后再把信息电码译成文字就得到了传送的信息。电话是把声音变成电压的振动传送出去， 再通过电声设备把电压振动复原为声音。传送电话需要的也是直流电，信号通过直流电压的变化传送出去。直流电是有线电话和有线电报的载体。有线通讯必须有专用电线，远距离通讯成本高，直流电能成本也高，且一条线只能只能做一个通讯线路。因此，出现无线通讯技术以后，无线电话和无线电报便很快发展起来。

无线通讯是以无线电波为载波的通讯。无线电波就是从长波、中波、短波到微波的各种波段的电磁波。各种波段的电磁波用于无线通讯的传播规律有别。频率较低的电磁波可平行于导体表面传播，地球表面是导体，电磁波可贴着地球表面传播，这种传播方式叫做地波传播。长波和中波主要靠地波传播。由于它们的波长较长，传播时可绕过障碍物（衍射）。当电磁波斜着射向大气电离层时，一部分被吸收，另一部分被反射回到地面，这样的传播方式叫做天波传播。短波的传播主要靠天波传播。微波可以穿透电离层，它不能靠天波传播，由于频率很高也不能靠地波传播。微波传播只能靠空间传播即通过空间直线传播。无线通讯以电磁波为载体，称为载波。无线通信的基本原理是先将要传输的声音、文字、图像等信息转变成电信号，将其调制到高频等幅振荡电流上放大，再把信号放在这些电磁波载体上通过天线发射出去；无线电波传播途中若遇到接收天线，其高频变化的电磁场会使天线中产生同频率的感应电流，通过选择频、解调放大，便可提取被传递的信息。信号调制方法有：（1）调幅—使载波的振幅随信号而改变；（2）调频—使载波的频率随信号而改变；（3）调相—使载波的相位随信号而改变。利用空间电磁波传输信息， 发展了广播和电视及各种无线通讯，这种传输是把电信息附在电磁波载波上，是“一”对“多”的传输。

雷达是一种无线电探测和定位技术。雷达发射的是脉冲微波。当脉冲遇到障碍物如飞机时，就会被反射回来而被接收。雷达可以测量回波方向、波的发射和返回的延迟时间、障碍物的方位、回波频率相对于发射波频率的改变以及障碍物所在方位角移动速率等，由此可以判断障碍物所在方位、距离以及速度的大小方向。

微波是波长很短的电磁波，已接近红外波段，波长在厘米量级上下。由于其频率很高，可以容纳大量的通讯通道。借助卫星通讯，可以实现全球微波通讯。卫星通信是航天技术和电子技术相结合而产生的一种重要通信方式。通讯卫星是一种作为远程通讯中继站的人造地球卫星。地面通讯信号通过微波发射出去，通讯卫星接收信号并放大再转发回到地球上。采用微波是因为微波可以穿透大气电离层，到达电离层以外的通讯卫星，也可以在转发时穿透电离层到达地面。根据通信卫星相对地球的运动状态，将其划分为运动通信卫星和静止通信卫星。运动通信卫星是中（高度约1万公里）、低（高度几百至数千公里）地球轨道卫星，将多颗这样的卫星组成通信系统，便可实现全球数字化个人通信。静止通信卫星就是地球同步卫星，它的运转周期与地球相同，定点于赤道上空约3.6万公里高处，可覆盖全球三分之一多一点的地区。现在使用最多的是同步通讯卫星。只要有三颗这样的通讯卫星固定在赤道上空，每两颗与地心的连线成120^o角，就能实现任何两地的卫星通讯。卫星通讯具有传输距离远、覆盖区域大、灵活、可靠、不受地理环境条件限制等独特优点。

目前，移动通信是一种普遍的无线通讯手段，其使用的波段一般是微波波段。移动通信按使用要求和工作场合不同可以分为（１）集群移动通信，也称大区制移动通信，其特点是只有一个天线高度为几十米至百余米的基站，覆盖半径为30-50KM。用户数约为几十到几百，它们可以与基站通信，也可通过基站与其他移动台及市话用户通信，基站与市站有线网连接。（２）蜂房移动通信，也称小区制移动通信，其特点是把整个大范围的服务区划分成许多小区，每个小区设置一个基站，负责本小区各个移动台的联络与控制，各个基站通过移动交换中心相互联系，并与市话局连接。每个小区的用户在1000以上，全部覆盖区最终的容量可达100万用户。（３）卫星移动通信。对于车载移动通信可采用赤道固定卫星。对手持终端，采用中低轨道的多颗卫星系统较为有利。（４）无绳电话。它是在室内外慢速移动的手持终端的通信，采用的是小功率、通信距离近的无绳电话机，经过通信点与市话用户进行单向或双向通信。 移动通信技术的发展已经历了三个阶段。第一代是模拟移动通信系统。第二代是数字移动通信系统，目前正广泛使用。第三代移动通信系统正在开发，其基本特征是将无线通信与国际互联网等多媒体通信相结合，能够处理图像、音乐、视频等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。

微波频率高，能容纳较多的通讯频道。然而，可见光的频率比微波的频率还要高一百倍以上，故用可见光作载波，可容纳的通讯频道比微波又要多得多。另外，无线通讯能传输的空间距离也受到一定的限制。光纤通讯则应运而生，光纤通讯是采用光纤以光波为载波的信息传输。什么是光纤？ 光纤最初用于医用内窥镜（如胃镜等），也应用于测量仪表，现广泛应用于光通信（光缆）。光纤是高透明电介质材料（如石英玻璃、塑料）制成的非常细小（直径125～200μm）的低损耗纤维，具有束缚和传输光的功能。光纤传输依据的是介质的全反射原理。根据光的反射和折射定律，光入射在两介质的分界面上时，一方面要反射，另一方面要发生折射。当光从光疏介质（折射率小）射到光密介质（折射率大）（n₁＜n₂）时，按折射定律sinθ₁/sinθ₂=n₂/n₁，则入射角θ₁＞折射角θ₂（图9-4-1 a）。当光从光密介质（折射率小）射到光疏介质（折射率大）（n₁＞n₂）时，则θ₁＜θ₂（图9-4-1 b），使入射角θ₁增大，θ₂随之增大。θ₂≥π/2时，折射光消失，入射光则发生全反射，此时θ₁称为入射临界角。如图9-4-2 ，当光线以临界角入射到光纤内壁上时，就发生全反射，此时光线在光纤内壁上传播路径呈锯齿状，避免了折射损耗，光的强度基本上没有减弱，这就是光纤传输原理。载有信息的光，通过光纤传输的距离可以很远，而且可以同时传输多道信息。

图9-4-1 光的折射

图9-4-2 光纤通信原理

由于激光具有单色性好、相干性好、方向性好的特点，现代光纤通讯都采用激光作为载波。 光纤通讯虽然是“有线通讯”，但和过去的电话那样的单道通讯不同，同一条光缆可以同时传送许多通讯频道的信号，从而使远程通讯的成本大大降低。光纤通讯是现代网络通讯的基础。实际上，光在光纤中传播有损耗。这种损耗来源于材料本身的吸收和散射，以及杂质吸收和波导结构不完整引起的散射。因此在传统的光纤通讯中，每隔几十公里就需要设置中继放大器。随着国际互联网的迅速发展，人们对通讯技术的要求越来越高，对更大容量的信息传输技术的要求更迫切，于是光孤子通讯技术应运而生。光孤子在由非线性介质制成的光纤中传输时，能保持形状和速度不变，不需要像传统光纤通讯那样设置那么多的中继放大器，因而成本更低，速度更快。两个光孤子脉冲在非线性光纤中碰撞，碰后不会改变形状，因此脉冲与脉冲之间的间隔可以更窄，从而大大提高传输信息量。目前已在实验上实现了两万公里以上无中继站的光孤子通讯，脉冲间隔小于飞秒（10^-15s）,单位时间内信息传输量是传统光纤的10万倍以上。所以，光孤子通讯最有希望成为21世纪的主要通讯技术。

现代远距离信息传输，主要是无线的微波通讯和有线的光纤通讯。通过微波通讯实现的有无线电视、移动电话、卫星通讯。由于微波只能直线传播，远程传输需要中继站。卫星通讯可以实现全球无线通讯。通过光纤通讯、卫星通讯实现的有全球电子邮件通讯和全球网络通讯。

在现代通讯技术中，数字通讯技术起了重要作用。数字通讯的关键是把一切信息都数字化，转换成二进制数代码的数字脉冲信号进行传送。数字信号在传送过程中相当稳定，不易失真，可靠。现在越来越多地采用数字通讯技术。

五、量子信息科学

基于量子力学基本原理的信息科学称为量子信息科学，主要包括量子计算机、光子计算机和量子通信。

量子计算机是一种通过量子力学规律以实现数学和逻辑运算，处理和储存信息能力的系统。量子计算机的运算、信息处理、存储能力十分强大。例如，有一个包含全球电话号码的资料库，要从中寻找一个特定号码，现在速度最快的超级电脑，大约要花一个月的时间才能完成任务，而一台量子电脑只需27分钟。

光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机。它由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理，以光子代替电子，光运算代替电运算。光的并行、高速，天然地决定了光子计算机的并行处理能力很强，具有超高运算速度。

量子通信是利用量子力学原理对量子态进行操控的一种通信形式，可以有效解决信息安全问题。具有保密性强（无法破译）、大容量、远距离传输等特点，是21世纪量子物理和信息科学的研究热点。

有关量子信息科学内容，另行专门介绍。