一个成千上万的人群聚集在威尼斯的圣马克广场，由目睹电信革命的前景绘制。在2011年6月24日的温暖夏季，他们观看了一个视频，投射到中世纪的Doge宫殿的墙壁上，解释了一种新技术，承诺将无线电波携带的数据量乘以行程。
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 Ricevuto”读。“收到的信号。”
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。
策划威尼斯游行的科学家法布里吉奥·坦布里尼(Fabrizio Tamburini)和博·Thidé得意洋洋地写下了他们的成果。他们解释说，这次传输使用了两束无线电波束，其中一束被雕刻成螺旋形。即使两束光具有相同的波长，这种扭曲也意味着接收器可以区分它们——就像两束光是独立的数据通道一样。科学家们说，从原则上讲，可以添加更多的光束，每个光束在螺旋结构中有不同程度的扭曲，以提供更多的通道。坦布里尼很快就被意大利媒体称为“il诺沃马可尼”。
更多的数据通道正是电信业迫切需要的。随着图像、电影和在线游戏的负担日益加重，移动设备已成为带宽的贪婪消费者。电信公司思科预测，到2018年，全球流量将达到每台智能手机每月2.7 g，总计15.9艾字节(15.9 x 10)18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。”
格拉斯哥大学物理与天文学院的教授迈尔斯·帕吉特是螺旋光研究的先驱，他说:“我不明白它是如何变得如此激烈的。”
这一集的特点是哗众取宠、误解、尖刻和指责，这让人回想起专业科学出现之前的日子，那时，表演技巧是推进研究议程的一个组成部分。
但进一步研究，坦布里尼和螺旋光传输的故事也突出了专业化的潜在负担，提供了一个有启迪意义的一瞥，当领域碰撞时科学是如何工作的。Tamburini和他的批评者们在研究物理学和电气工程的边界时，几乎用不同的语言来描述这些现象。科学家们有时会各行其道，激昂的言辞可能会演变成谩骂。再加上通过解决电信行业最大的难题之一而获得巨额利润的前景，紧张局势进一步加剧。
与表面相反，科学和工程并不总是以有序、理性的逐步方式进行，但可以像马戏团一样有表演技巧，因此，也可以像法庭一样尖刻。
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。
如果你知道如何阅读，《星光》充满了信息。它的颜色可以揭示一颗恒星的温度、成分甚至距离;光的偏振可以表明磁场或巨大的星际尘埃云的存在。2003年，康奈尔大学天体物理学家马丁·哈维特提出了另一种从星光中挤出更多数据的方法。他预测脉冲星周围的物质，或者某些黑洞的快速旋转，可能会使光线充满所谓的轨道角动量(OAM)。
光束通常以直线行进，并且它们携带的能量遵循相同的轨迹。但是，能量也可以挖出横梁的行进方向周围的开瓶器路径，这给出了光轨道角动量。这使得梁中的电磁波储存，使得它们的峰值集体挖出螺旋形状。增加了更多的势头，它成为一个双螺旋，然后是一个三重螺旋 - 福斯加斯加的形状。理论上，您可以给光束的扭曲量没有限制。
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最近的发现，考虑到有关的属性，旋转角动量，已知多个世纪以来。当光圆极化时，产生自旋角动量，使得每个波的电场在行进时旋转。1936年，Richard Beth在普林斯顿大学测量，首次通过从光纤通过石英椎间盘悬挂的圆形偏振光来测量旋转角动量 - 他发现镜头随着光的转移而开始旋转。
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。
正如广义相对论所预测的那样，哈维特关于黑洞可以让光线充满轨道角动量的预测，为首次观测到黑洞可以自旋的证据提供了一条可能的途径。受到这个想法的启发，Tamburini与位于乌普萨拉的瑞典空间物理研究所的物理学家Thidé合作，寻找轨道角动量非零的星光。2010年，这对科学家用一个碗状的发射机扭曲成非常浅的螺旋状，证明人造无线电波可以携带这种模式。但是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，所以他们决定将其应用于地面通信。“明星就像一部手机，”坦布里尼说。“所以如果我们不能从纯物理学中获得资金，那就去应用吧。”
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。
在几次成功的试运行后，Tamburini和Thidé开始计划在威尼斯举行示威。坦布里尼说:“这就像拥有一辆颜色漂亮的赛车——只是为了做广告。”“我们试图吸引私人投资者的注意，结果成功了。”2012年，科学家们成立了一家名为twistoff srl的公司，与欧洲最古老的电信公司之一SIAE microeletronica合作开发这项技术。Tamburini表示，这笔交易价值500万欧元(约合700万美元)，支付金额取决于关键里程碑的达成情况。
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，负责制定频谱使用国际法规和标准的国际电信联盟(ITU)无线电通信局局长Francois Rancy访问了帕多瓦，以了解该系统的运行情况。这次实验使用了三个发射器——一个是顺时针螺旋，一个是传统的碗形，第三个是逆时针螺旋——来产生三种OAM模式，都是由17g赫兹的无线电波在150米的范围内传送的。这三次传输使用了正交振幅调制，表明OAM可以作为现有通信系统的附加组件兼容。“我对眼前的景象印象深刻。”Rancy总结道。“这表明，这种技术可以将频谱乘以三倍或更多。”
例如，国际电联的两个专门委员会将更仔细地研究OAM无线电建模，如果部署大量此类天线，将对网络造成什么影响。Rancy说:“这有可能给通信世界带来相当大的变化。”“但我们必须避免过于乐观，避免产生错误的预期。”
FAlse期望正是许多科学家认为威尼斯示范所提出的。“这一索赔听起来像是一个惊人的发现，”佩里斯·托运人说。然而，他确信这一“突破”一无所获，威尼斯是一个宣传特技，将为技术死胡同吸引公共资金。所以他和他的同事们用批评了Tamburini的纸张，加入了刚刚发表的其他初起火。
他们的主要反对意见之一是，尽管轨道角动量确实可以通过无线电波携带信息，但它不会成为一项有用的技术。其中一篇论文的作者、隆德大学(Lund University)的信息技术研究员欧维•埃德福斯(Ove Edfors)表示:“它并没有提供一种切实可行的方法来提高通信能力。”
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。
一颗星就像一个手机。
争议也是塔布内尼和泰勒通过单独的天线传输每个模式。Perruisseau-Carrier和其他人认为这仅仅是一种多输入多输出（MIMO）通信的形式，已经用于增加无线容量，因此不是新的。MIMO使用了几个天线设置，以便信号采用不同的路径 - 弹跳建筑物和树木，例如 - 它们在略微不同的时间达到目的地。这意味着它们可以使用相同的波长单独读取，好像每个信号沿着自己的“虚线”行驶。“威尼斯实验中的每个OAM模式都在MIMO中起着天线的作用。如果有人告诉你这不是MIMO，他们错了，“Perruisseau-Carrier说。
随后的讨论变得越来越愤怒。Perruisseau-Carrier说:“这些人不是电信工程师，不幸的是，他们没有花时间去充分了解这个领域已经做了什么。”Tamburini和他的同事们对这些抱怨进行了反驳。“他们可以叫它MIMO, MIMO- oam, Joe，佐罗，或者随便什么名字。我们不在乎，”坦布里尼在去年写给我的一封电子邮件中这样回答，邮件的主题是他的方法是否新颖。“重要的是，它正在发挥作用，我们从中赚钱。”
Perruisseau-Carrier表示，他得到了电信界的很多支持，他们都同意他的反对意见。Thidé对此进行了反驳，认为他们只有少数几个批评者，而且他们得到的正面反馈远远多于负面反馈。去年年底，Thidé在加拿大温哥华举行的无线世界研究论坛上展示了他们的工作，并表示他满足了代表们对这项技术的询问。“我离开温哥华时感觉很好，”他说。“我们终于传达了信息。”
托雷斯指出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。
“重要的是，它正在发挥作用，我们从中赚钱。”
但是远场的意思不仅仅是遥远，托雷斯说。他说:“事实上，接收天线可以在几百米甚至几十公里远的地方，但仍然处于近电磁场中。”他说，只要接收器足够大，它仍然能够识别无线电波束的结构。托雷斯说，一些对使用OAM进行自由波无线通信的最强烈的反对意见似乎犯了这个错误，包括德克萨斯A&M大学的基什声称它违反了热力学第二定律。
至于中间有个洞的问题，SIAE的科西尼说，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得太厉害来解决。保持束紧也可以确保所需的接收器不会太大。托雷斯说，即使技术解决不了“甜甜圈洞”问题，这项技术仍然可以用来将运力提高几百米，也许可以处理游轮停靠港口时突然打来的电话，或者足球队在拥挤的体育场进球时。
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。
马可尼在意大利开始了他的无线电波研究工作，然后在1896年前往英国，向来自海军、陆军和邮局的潜在买家介绍他的系统。但在伦敦汤因比音乐厅(Toynbee Hall)的一场公开演出才真正巩固了他的声誉。报纸被他的表演技巧吓到了，称他的设备是“马可尼先生的魔术盒”。这种宣传无疑帮助他将这项技术商业化。
但这也引发了很多不满。利兹大学(University of Leeds)的科学历史学家、马可尼研究专家伊丽莎白·布鲁顿(Elizabeth Bruton)说:“人们怀疑马可尼是在寻求宣传。”“这确实惹恼了很多科学家。”马可尼接受过一些物理方面的训练，但他在电信领域完全是个局外人。布鲁顿说:“他们觉得这里是一个崛起的意大利人，没有合适的背景，没有参与社区。”
同样，Perruisseau-Carrier很清楚，如果Tamburini在威尼斯的灯光秀没有吸引这么多的宣传，他可能会忽视这项研究。“这不是我第一次读到我认为是错误的文章，”他说。但坦布里尼的声明的非凡性质和随后不加批判的媒体报道促使他直言不讳。
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。”
Morus补充道:“遗憾的是，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。”“我认为我们失去了一些东西——在19世纪，科学和公众之间有更直接的联系。”
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。”
如果不是坦布里尼在威尼斯的灯光秀吸引了那么多的关注，他可能会忽视这项研究。
Tamburini认为，人们只接受自己狭窄领域的语言训练，从而导致了沟通障碍。“这是一个超级专业化的问题，”他说。托雷斯同意，物理学和工程学背景的人倾向于通过扭曲的无线电波相互交谈。“这会造成混乱，”他说。“在物理方面，他们对基础更感兴趣，”他补充道。“对于电气工程师来说，他们只对获得的渠道感兴趣。”
呼应Marconi的局外人状态，Tamburini也奇迹如果一些批评者恼火，那么这个想法来自无线电天文，而不是自己的领域。Thidé同意：“我忍不住觉得这些都是酸葡萄感情 - 为什么我们想到这一点。”
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，在威尔纳如何接近他的研究时存在巨大差异。作为通信专家，威尔纳表示，他有利于与研究扭曲光的物理学家密切合作，包括吉普金。“我们从不同的角度来看，每个人都会受益。他可以考虑工程系统，工程师必须考虑基础物理学，“他说。”“线条的模糊。”
除了跨越学科鸿沟，威尔纳还拥有无可挑剔的科学血统:他是光学学会(Optical Society)的副主席，该学会是光学和光子学领域的领先专业协会。尽管这项研究已经在领先的科学期刊上发表了，并附带了所有必要的说明，但并没有令人眼花缭乱的公开展示。
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争论而取得进展。它已经帮助坦布里尼实现了儿时的抱负。去年12月，坦布里尼在给我的信中写道:“我终于拥有了从小梦想的经典法拉利。”几周后，一张照片紧随其后——这位科学家穿着黄色衬衫和棕色乐福鞋，看上去很放松，他的手自主地放在一辆闪闪发光的红色跑车上。“我已经两次心脏病发作了——我必须冷静，”他说。“但我仍然开赛车。”
Mark Peplow是英国剑桥的一名科学记者
