Nobel dla mistrzów światła

Bez obu nagrodzonych osiągnięć trudno byłoby wyobrazić sobie dzisiejszy świat. Komisja Noblowska całą trójkę nazwała "mistrzami światła".

"Tegoroczni laureaci przyczynili się do opracowania dwóch technologii, dzięki którym powstały dzisiejsze sieciowe społeczeństwa" – czytamy w oświadczeniu komisji.

Warunek dla Internetu

Charles K. Kao otrzymał Nobla "za przełomowe osiągnięcia w dziedzinie przesyłania światła we włóknach optycznych na duże odległości", Willard S. Boyle i George E. Smith zostali nagrodzeni za "wynalezienie półprzewodnikowego obwodu obrazującego – sensora CCD". W praktyce zbudowali pierwszą na świecie działającą matrycę CCD. Wszyscy laureaci mają obywatelstwo amerykańskie, Kao ma także brytyjskie, a Boyle kanadyjskie.

Światłowody pozwoliły na rozwój łączności, która umożliwia korzystanie z Internetu na całym świecie

Charles Kao otrzyma połowę nagrody, która wynosi 10 mln koron szwedzkich (1,42 mln dolarów), a Boyle i Smith podzielą się drugą połową.

Charles Kuen Kao (obecnie na emeryturze, mieszka w Hongkongu) dokonał swojego przełomowego odkrycia w roku 1966. Kao obliczył, że wykonane z najczystszego szkła światłowody cienkie jak włos mogłyby pozwolić na przesyłanie światła na odległość ponad 100 kilometrów (w latach 60. udawało się to na odległość najwyżej 20 metrów). Już w 1971 roku udało się uzyskać pierwsze włókna z niezwykle czystego szkła. "Te światłowody pozwoliły na rozwój łączności, która umożliwia korzystanie z Internetu na całym świecie" – napisała komisja w uzasadnieniu. Okazało się, że światło pozwala przesyłać tysiące razy więcej informacji niż fale radiowe.

Miliard kilometrów szklanych nici

Dziś sieci światłowodowe łączą cały świat, umożliwiając stały przepływ gigantycznych ilości informacji. Rozmowy telefoniczne, transmisje telewizyjne, fotografie, dźwięki – wszystko to jest przesyłane cieniutkimi szklanymi nitkami z jednego końca świata na drugi w ułamku sekundy.

"Jeśli rozwinęlibyśmy wszystkie włókna światłowodów, które znajdują się dziś na świecie, to otrzymalibyśmy nitkę długości ponad miliarda kilometrów. To wystarczyłoby na oplecenie Ziemi ponad 25 tys. razy. A długość światłowodów rośnie o tysiące kilometrów z każda godziną" – czytamy w komunikacie.

Dużą część krążącej światłowodami informacji stanowią cyfrowe obrazy uzyskiwane dzięki matrycy CCD. Skonstruowanie tego "elektronicznego oka" według komisji także zasługuje na Nobla. "To zrewolucjonizowało fotografię, światło może być rejestrowane nie tylko na kliszy, ale i w formie elektronicznej".

Elektroniczne oko powstało dzięki wysiłkom Willarda S. Boyle'a i George E. Smitha pracujących w Bell Laboratories w Murray Hill w USA. Obaj naukowcy (od ponad 20 lat na emeryturze) szukali nowego sposobu rejestracji obrazu, który miał znaleźć zastosowanie w projektowanym wówczas wideotelefonie.

Zasada działania sensora oparta była na tzw. efekcie fotoelektrycznym, opisanym przez Alberta Einsteina. Uczony teoretycznie przeanalizował zjawisko, jak pod wpływem światła powstają sygnały elektryczne. Otrzymał za tę analizę Nagrodę Nobla w 1921 roku.

Głównym problemem, z którym Boyle i Smith musieli się uporać, było zaprojektowanie czujnika, który pozwalałby gromadzić i odczytywać sygnały z wielkiej liczby punktów (pikseli) w bardzo krótkim czasie.

W 1969 roku się udało. Pierwsza matryca miała osiem pikseli ułożonych w jeden rząd. Większa, o rozmiarach 100 na 100 pikseli, powstała dopiero w roku 1973.

Niezbędne dla teleskopów

Pierwszym celem, jaki przyświecał konstruktorom, było wykorzystanie matrycy dla obserwacji kosmosu.

Kiedy ich jakość stała się zadowalająca, matryce CCD zostały z entuzjazmem przyjęte przez astronomów do rejestrowania obrazów gwiazd. Okazały się znacznie bardziej użyteczne niż stosowane powszechnie klisze fotograficzne. Reagują zarówno na podczerwień, jak i na promieniowanie rentgenowskie, mogą być tysiąc razy bardziej wrażliwe na światło niż błona fotograficzna. Zespoły matryc używanych w astronomii mają nawet kilka miliardów pikseli.

Bez matryc CCD nie byłoby teleskopów umieszczanych na orbicie. Pozwalają uzyskiwać obrazy najbardziej odległych zakątków wszechświata. Obecnie stosowane przez astronomów matryce CCD mają nawet ponad 100 milionów pikseli.

Matryce CCD znalazły zastosowanie także w wielu dziedzinach nauki, np. w medycynie. Pozwoliły naukowcom zajrzeć do wnętrza ludzkiego ciała, w głębiny oceaniczne. Z biegiem czasu ciągle ulepszane trafiły do kamer, skanerów, cyfrowych aparatów fotograficznych i telefonów komórkowych. Niektóre z dostępnych na rynku amatorskich aparatów cyfrowych pozwalają zarejestrować ponad 1000 klatek filmu na sekundę. Elektroniczne obrazy można przesyłać, kopiować i gromadzić nieporównywalnie łatwiej niż zdjęcia z tradycyjnych aparatów fotograficznych.

Czy można sobie wyobrazić telefon komórkowy bez aparatu cyfrowego? A jak wysyłalibyśmy zdjęcia znajomych do Facebooka? Bez wynalazków dzisiejszych noblistów – nie do pomyślenia.

Opinie

prof. Andrzej Domański

Sensory CCD stoją u podstaw fotografii cyfrowej, a światłowody są podstawą współczesnej telekomunikacji – podkreśla prof. Andrzej Domański z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej. – Dziś każda rozmowa telefoniczna odbywa się właśnie po światłowodach. Jeśli chodzi o technikę sensorów CCD, to znajduje ona zastosowanie w wielu dziedzinach naszego życia. Najlepszym dowodem jest fakt, iż każdy nosi przy sobie komórkę z aparatem fotograficznym opartym właśnie na sensorach CCD.

Prof. Łukasz Turski

Każdy może zobaczyć, jak podstawowa fizyka przetwarza się na urządzenia, które zmieniają nasze codzienne życie – mówi prof. Łukasz Turski z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN. – To pokazuje, że warto nawet niewielkie środki finansowe przeznaczać na badania podstawowe, byśmy potem mogli wszyscy korzystać z nowoczesnej techniki.

prof. Jerzy Siuzdak

Bez światłowodów, które skonstruował Kao, nie byłoby Internetu, współczesnej telekomunikacji – tłumaczy prof. Jerzy Siuzdak z Instytutu Telekomunikacji Wydziału Elektroniki PW. – Co prawda światłowody były znane już wcześniej, ale dopiero Kao zaproponował takie parametry światłowodu, które nadały mu zupełnie nowe możliwości.