A.成千上万的人聚集在威尼斯的圣马可广场，被目睹一场电信革命的前景所吸引。在2011年6月24日温暖的夏夜，他们观看了一段投影到中世纪多格宫墙上的视频，解释了一项新技术，该技术有望使无线电波携带的数据量一下子成倍增加。
在泻湖对岸大约442米的地方，圣乔治岛的灯塔上安装了一对不同寻常的天线。一按开关，天线就会发出一个信号，伴随着来福枪的射击——1895年，古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi)用同样的信号确认了第一次无线电传输。片刻之后，这条信息到达了目的地，并在宫殿的哥特式立面上闪现出来。”Segnale Rienvuto.”它读取。“信号接收。”
观众们已经被一场灯光表演和一位越来越歇斯底里的评论员鼓动起来，爆发出热烈的掌声。
威尼斯示范的科学家们策划的科学家们赢得了威尼斯演示，胜利地提出了他们的成果，这是Fabrizio Tamburini和BoThidé。他们解释过的传输，使用了两个无线电束，其中一个被雕刻成螺旋形状。即使光束具有相同的波长，扭曲也意味着接收器可以区分它们 - 好像光束是单独的数据信道。原则上，科学家们说，可以添加更多梁，每个梁都有不同程度的螺旋，以提供更多的通道。Tamburini很快被意大利媒体称为“il诺沃马可尼”。
更多的数据通道正是电信业迫切需要的。随着图片，电影和网游的负担越来越重，移动设备已经成为带宽贪婪的消费者。电信公司思科预测，到2018年，全球流量将达到2.7千兆字节每人每月智能手机，共计15.9艾字节（15.9×1018字节)，所有携带有限的无线电频谱和紧张的无线网络。
威尼斯的实验提供了一个解决方案，它有可能一举增加单个频率的数据容量。但是，他们的论文并没有得到全球的赞扬，而是遭到了其他研究人员的怀疑，甚至是愤怒。他们认为，他们的技术并不新鲜，对提高通信能力没有任何作用。瑞士洛桑联邦理工学院的电气工程师Julien Perruisseau-Carrier说:“这将不允许我们提高无线通信的频谱效率。”德克萨斯农工大学的物理学家拉兹洛·基什说:“可以肯定的是，我们有了一个新的‘冷聚变’课题，它将存活数年或数十年。”
“我不明白它是如何变得如此尖刻，”格拉斯哥大学的物理学和天文学学院的教授Miles Padgett说，他是研究螺旋光的先驱。
这一事件中的哗众取宠、误解、尖刻和指责让人想起了科学专业化之前的日子，当时表演技巧是推进研究议程的一个组成部分。
但是在仔细检查时，塔布内尼和螺旋光传输的故事也强调了专业化的潜在负担，提供了揭示科学在田地碰撞时如何工作的瞥见。在描述这些现象时，在物理和电气工程，塔布内尼和批评者的批评中工作几乎用不同的语言讲话。与科学家有时互相交谈，热情的言论可以沸腾。抛出巨额利润的前景，从解决电信中最大的难题之一，甚至更高的紧张局势。
与表面现象相反，科学和工程并不总是以有序、理性、循序渐进的方式进行，而是可以像马戏团一样展示自己，因此也可以像法庭一样激烈。
T坦布里尼是意大利帕多瓦大学的天体物理学家。坦布里尼在本科学习物理的同时，还兼职做阿尔法·罗密欧的试车员——这是一个诱人的职业选择。但后来他遇到了丹尼斯·夏马(Dennis Sciama)，现代宇宙学的教父级人物，他说服坦布里尼放弃汽车，去研究恒星。
星光是挤满了信息，如果你知道如何读它。它的颜色可以揭示恒星的温度，它的成分，甚至它的距离;的光的偏振可以用信号磁场或广阔星际尘云的存在。2003年，康奈尔大学的天体物理学家马丁·哈威提出另一种方式从星光榨取更多的数据。他预测说，脉冲星周围的事情，或某些黑洞快速旋转，可以灌输的光利用所谓的轨道角动量（OAM）。
光束通常以直线传播，它们携带的能量遵循相同的轨迹。但是，能量也有可能沿着光束的传播方向画出一条螺旋形路径，从而产生光的轨道角动量。这会使光束中的电磁波错开，因此它们的峰值共同勾勒出螺旋的形状。再加上更多的动量，它就会变成一个双螺旋，然后是一个三螺旋，形状像fusilli意大利面。从理论上讲，可以给梁施加的扭曲量没有限制。
甚至单个光子也有轨道角动量。作为量子实体，不可能同时定义它们的位置和动量，但如果你能冻结一个“扭曲光子”飞行的电影，它的动量似乎会偏离其运动方向。一帧一帧地推进光子的旅程，代表其动量的箭头似乎是绕着飞行线旋转的——几乎就像光本身是绕着轴旋转一样。“能量像龙卷风一样移动，”胡安·托雷斯说，他是巴塞罗那光子科学研究所的物理学家和电信专家，研究扭曲光。
携带轨道角动量的光束是一个引人注目的最新发现，考虑到一个相关的性质，即自旋角动量，已经知道了一个多世纪。当光被圆极化时，自旋角动量产生，所以每个波的电场在传播时都会旋转。1936年，普林斯顿大学的理查德·贝思（Richard Beth）通过将圆偏振光穿过悬挂在光纤上的石英盘首次测量了自旋角动量。他发现，当光线传递动量时，透镜开始旋转。
然而，直到1992年，科学家们才意识到，在实验室里可以很容易地制造出扭曲激光束。三年后，一组澳大利亚科学家利用扭曲的光使漂浮的微观粒子围绕光束的轴线运行。
科学与工程并不总是以一种有序的、理性的、循序渐进的方式进行，但却可以像马戏团一样拥有高超的表演技巧。
让光线扭曲的一种方法是让它穿过液晶中的叉形图案。当光波穿过图样时，它们会以正确的方式相互干涉，从而产生光的轨道角动量;改变衍射图案会产生不同数量的扭曲。光线穿过一个面呈螺旋形的透明板，也会以类似的方式扭曲光线。
Harwit的预测认为，黑洞可以用轨道角动量灌输光线，提供了一个潜在的路线，以至于黑洞可以旋转的第一观测证据，正如一般相对论的理论预测。受到这个想法的启发，Tamburini与乌斯普萨拉瑞典空间物理研究所的物理学家配对，以寻找非零轨道角动量的星光。2010年，该货币对证明，人造的无线电波可以使用碗状的发射器扭转到非常浅的螺旋中。但他们无法获得资金来测试他们在天文无线电信号上的技术 - 因此他们决定将其应用于地面通信。“一颗星就像一个手机，”塔布内尼说。“所以，如果我们不能用纯物理学获得资金，让我们去申请。”
目标是个富人。如果每个轨道角动量模式都可以作为一个单独的数据通道，就有可能在同一无线电频率上增加几十个，甚至数百个额外的通道。解决了现代电信所面临的容量问题，回报将是巨大的。
在一些成功的试运行之后，Tamburini和Thidé开始计划威尼斯示范。塔姆布里尼说：“这就像有一辆色彩鲜艳的赛车，它是用来做广告的。”。2012年，科学家们与欧洲最古老的电信公司之一SIAE Microeletronica合作成立了一家名为Twist off srl的公司，开发这项技术。塔姆布里尼说，这笔交易价值500万欧元（约合700万美元），支出取决于能否达到关键的里程碑。
SIAE微波实验室主任皮耶罗·科西尼(Piero Coassini)说:“作为电信工程师，我们第一次看到这种情况时感到很惊讶。”他现在领导着一个与twistoff srl合作的小团队。SIAE专门从事点对点通信系统，特别是移动电话发射塔之间的通信系统。科西尼说，OAM无线电对公司来说是一个蓝天项目。尽管如此，他还是乐观地认为，经过三年的开发工作，短距离通信链路可能会开始将oam——或许是无线流媒体高清视频整合到显示屏上。“OAM是电磁通信的一个新领域，”他说。
2013年9月，国际电信联盟（ITU）的无线电通信局主任Francois Rancy在频谱使用中发展了国际法规和标准，访问了Padua，以便在行动中查看系统。这次实验使用了三个发射机 - 一个顺时针螺旋，一个传统的碗，以及第三个逆时针螺旋 - 以产生三种oam模式，所有由17个Gigahertz无线电波带150米。三个传输使用正交幅度调制，显示OAM可以与附加到现有通信系统兼容。“我看到了什么对我的印象深刻。”rancy结束了。“它表明，这种技术可以将光谱乘以三个或更多。”
例如，国际电联的两个专家委员会将更仔细地研究OAM无线电模型——若部署大量此类天线，网络将发生什么情况。兰奇说：“这有可能给通信世界带来巨大的变化。”。“但我们必须避免过于乐观，并提出错误的预期。”
F许多科学家认为，威尼斯的示威活动确实提高了人们的期望。“这一说法听起来像是一个惊人的发现，”佩鲁西索·卡利说。然而，他确信，这一“突破”绝非如此，威尼斯只是一个宣传噱头，将公共资金引向技术的死胡同。因此，他和他的同事对Tamburini的论文发表了一篇评论，加入了刚刚发表的另外两篇反驳文章。
他们的一个主要反对意见是，尽管轨道角动量确实可以携带无线电波中的信息，但它不会成为一项有用的技术。隆德大学信息技术研究员奥夫·埃德福斯（Ove Edfors）撰写了其中一篇论文，他说：“这并没有提供一种切实可行的方法来提高沟通能力。”。
光束或无线电波通常在中心最亮。但在轨道角动量的光束中，情况正好相反——它们的中心有一个黑点，周围环绕着一个包含光束大部分能量的环。由于光束在传播过程中会扩散，所以黑洞在长距离中会被放大到极大的比例。如果天线相距只有几米，而且排列非常精确，接收器就可以捕捉到可读的信号。但在数英里之外，信号的能量会在一个巨大的环上消散，而这个环只能被一个巨大得不切实际的接收器接收到。更糟糕的是，在梁上增加更多的扭曲也会使孔变大，更难可靠地接收。无限数量的额外频道就这么多了。
明星就像一部手机。
还有争议的是Tamburini和Thidé通过单独的天线传输每种模式。Perruisseau Carrier和其他人认为，这只是多输入多输出（MIMO）通信的一种形式，已经用于增加无线容量，因此不是新的。MIMO使用多个天线设置，使信号通过不同的路径从建筑物和树木上反弹，例如，使它们在稍微不同的时间到达目的地。这意味着它们可以使用相同的波长，但可以单独读取，就像每个信号都沿着自己的“虚拟线”传输一样。“威尼斯实验中的每个OAM模式在MIMO中都扮演着天线的角色。如果有人告诉你这不是MIMO，他们就错了，”Perruisseau Carrier说。
随后的讨论中已经变得越来越愤怒。“这些人不是电信工程师，可惜他们并没有花时间去充分了解还有什么已经在该领域已经完成，” Perruisseau载波说。坦布里尼和他的同事们对这些投诉的反驳。“他们可以把它称为MIMO，MIMO-OAM，乔，佐罗，或任何其他人想。我们不在乎，”反驳坦布里尼在一封电子邮件给我去年对他的做法是否是新的话题。“最重要的是，它是工作，我们赚钱了它。”
Perruisseau-Carrier表示，他对电信社区的支持有很大的支持，他们都同意他的反对意见。据说，争论他们只有少数批评者，而且他们比消极反馈更积极。去年年底，Thidé在加拿大温哥华的无线世界研究论坛上介绍了他们的工作，并表示他满足了代表们对该技术的疑问。“我带着良好的感觉，从温哥华走了出去，”他说。“最后，我们通过了解消息。”
托雷斯指出了一些1.批评人士都有一个共同的假设:扭曲光束是在一个被称为“远场”的区域被探测到的。当天线发出的波呈扇形散开时，就形成了一个弯曲的波阵面。但最终，风扇变得如此之大，以至于它的前端基本上是平的，在任何接收器看来都像是一个无限平面。在这个范围内，接收器将无法分辨波中的任何扭曲结构。
“最重要的是，它是工作，我们赚钱了它。”
但远场手段，而不是被远更托雷斯说。“事实上，一个接收天线可以是几百米甚至几公里，从发射天线而去，仍然是在电磁近场，”他说。只要接收器是足够大的，应该还是能够辨别的无线电波束的结构，他说。有些最深反对使用OAM免费波无线电通信，包括得克萨斯州A＆M的基什它违反了热力学第二定律的索赔，似乎都犯这个错误，托雷斯说道。
至于中间的洞问题，SIAE的Coassini说，这不是一个根本性的障碍，这只是另一个需要解决的工程问题，也许可以通过阻止光束扩散这么多。保持光束紧密也可以确保所需接收器不会太大。托雷斯说，即使技术修复无法克服“甜甜圈洞”问题，该技术仍然可以用于提高几百米的通行能力，也许可以处理游轮停靠港口时突然出现的呼叫潮，或者足球队在拥挤的体育场得分时的呼叫潮。
Tamburini补充说，他们已经在开发甜甜圈问题的解决方案的路上了，并预计在一年内进行实际演示。“这是一个非常聪明的想法，”他热情地说。然而，现在他正在与SIAE合作，他不能透露这一突破(尽管一旦获得专利，他可能会发表)。商业机密意味着，坦布里尼的承诺不太可能对批评者产生太大影响，让辩论悬而未决。
T安布里尼在威尼斯的表演显然是在利用马可尼的遗产。但他与这位无线通信先驱的相似之处比他预想的要深得多。
马可尼开始了他在意大利的无线电波的工作，于1896年前往英国他的系统呈现给来自海军，陆军和邮局潜在买家面前。但是，经过公众展示在汤因比在伦敦厅，真正巩固了他的名誉。报纸是由他示范的演技震住了，称他的设备“贝卢斯科尼马可尼的魔盒”。公示无疑有助于他的技术商业化。
但这也产生了很多不好的感觉。利兹大学的历史学家Elizabeth Bruton和Marconi的专家Elizabeth Bruton说：“人们对Marconi的宣传有怀疑。”马可尼接受过一些物理方面的训练，但他在电信领域是一个非常局外人。布鲁顿说：“他们觉得这里是一个跳起来的意大利人，没有正确的背景，没有参与社区活动。”。
同样，Perruisseau载波显然，如果坦布里尼的灯光秀在威尼斯，没有吸引这么多的宣传，他很可能会忽略了研究。“这不是我第一次读到一篇文章，我认为是不正确的，”他说。但坦布里尼的要求的特殊性质和不加批判的新闻报道随后促使他站出来说话。
阿伯里斯特威斯大学的科学历史学家Iwan Morus说，像马可尼和坦布里尼这样的公众示威曾经是科学不可缺少的一部分。但是到了20世纪30年代，当科学变得更加专业化时，“通过表演来宣传新发现的想法开始变得更加可疑，”Morus说。“越来越多的人认为这是不体面的，有损科学的尊严。”
莫卢斯补充道：“我们现在的科学文化不把这类事情视为科学生活的一部分，这是一种耻辱。”。“我认为我们在19世纪失去了一些东西，科学与公众之间有着更直接的联系。”
19世纪通信技术的发展也伴随着物理学家和电气工程师之间的激烈辩论，例如，关于电报线是如何工作的，一方从理论出发，另一方从实践出发。Morus认为，随着这些领域变得更加专业化，边界文化冲突的可能性也在增加。他说:“我认为这确实会导致更多的争议。”
如果塔姆布里尼在威尼斯的灯光秀没有引起如此多的关注，他可能会忽略这项研究。
Tamburini认为，由于只有狭窄的领域的语言训练，因此达到沟通故事。“这是超级专业化的问题，”他说。托雷斯同意从物理和工程背景中的人们倾向于在扭曲的无线电波上互相交谈。“这可以造成混乱，”他说。“在物理学中，他们对基本面更感兴趣，”他补充道。“对于电气工程师来说，他们只是对他们得到的渠道感兴趣。”
与马可尼的局外人身份相呼应，坦布里尼也想知道，是否有些批评家对这个想法来自射电天文学而不是他们自己的领域感到恼火。Thidé对此表示赞同:“我忍不住感到这是一种酸葡萄的感觉——‘该死，我们为什么没想到呢?’”
这说明，虽然围绕无线电OAM的争论被敌对色彩所渲染，但在更高频率，即光谱的红外部分，它一直是积极的。南加州大学(University of Southern California)的电气工程师艾伦•威尔纳(Alan Willner)正在通过扭曲激光束来合并数据流，增加通过自由空间或光纤传输的数据量。他说:“但我不清楚两者之间有多少根本的区别。”
然而，在威尔纳进行研究的方式上有很大的不同。作为一名通信专家，Willner说，他从与研究扭曲光的物理学家（包括Padgett）的密切合作中获益匪浅。他说：“我们从不同的角度来看待它，每个人都从中受益。你让物理学家思考工程系统，而工程师必须思考基础物理学。”。“界线模糊了。”
以及跨学科分到达，威尔纳也有一个无可挑剔的科学血统：他是光学学会，在光学和光子学的领先的专业协会副会长。而且，尽管工作已经公布，与所有必要的告诫，在领先的科学期刊，没有出现过公共炫目的灯光表演。
甚至坦布里尼的一些批评者也说，威尔纳的技术在这种情况下可能有潜力。Edfors说:“如果我们的频率真的很高——光而不是无线电——轨道角动量通信的概念就更有意义，在某些特殊情况下可能是可行的解决方案。”
B在意大利，关于扭曲无线电波的研究和开发工作正在独立于辩论进行。它已经帮助Tamburini实现了童年的抱负。“我终于拥有了我从小就梦想的经典法拉利，”塔姆布里尼在12月给我的信中写道。几周后，一张照片跟踪了这位科学家，他穿着黄色衬衫和棕色休闲鞋，看上去很放松，他的手独自放在一辆闪闪发光的红色跑车上。“我有两次心脏病发作，我必须冷静，”他说。“但我还是开赛车。”
Mark Peplow是英国剑桥的一名科学记者
