Nobel z fizyki za ujarzmienie światła

Nagrodę Nobla 2009 z fizyki przyznano trzem naukowcom: Charlesowi K. Kao za osiągnięcia dotyczące transmisji światła we włóknach optycznych oraz Willardowi S. Boyle'owi i George'owi E. Smithowi za wynalezienie sensora CCD - ogłosił we wtorek Komitet Noblowski.

Kao (Chiny/Wielka Brytania) otrzyma połowę nagrody, która wynosi 10 mln koron szwedzkich (1,42 mln USD), a Boyle (Kanada/USA) i Smith (USA) podzielą się drugą połową.

Bez ich odkryć nie byłoby technologii cyfrowej, internetu, rozmów telefonicznych na taką skalę, jak teraz - ocenili polscy specjaliści w komentarzach dla PAP.

Charles Kuen Kao dokonał przełomowego odkrycia dotyczącego włókien optycznych w 1966 r. Światło pozwala przesyłać tysiące razy więcej informacji niż fale radiowe. Kao obliczył, że wykonane z najczystszego szkła światłowody mogłyby pozwolić na przesyłanie światła na odległość ponad 100 kilometrów (w latach 60. udawało się to dla odległości najwyżej 20 metrów).

Już w 1971 r. udało się uzyskać pierwsze włókna z ultraczystego szkła. Dziś sieci światłowodowe łączą cały świat, umożliwiając ciągły przepływ gigantycznych ilości informacji. Rozmowy telefoniczne, muzyka, teksty, obrazy, transmisje telewizyjne - wszystko to przesyłane jest cienkimi szklanymi nitkami z jednego końca świata na drugi, w ułamku sekundy.

Dużą cześć krążącej światłowodami informacji stanowią cyfrowe obrazy, uzyskiwane dzięki urządzeniu, za które tegorocznego Nobla przyznano Willardowi Sterlingowi Boyle'owi i George'owi Elwoodowi Smith'owi. W 1969 r. badacze ci wynaleźli cyfrowy sensor (matrycę) CCD.

Początkowo matryce CCD (Charge Coupled Device) były stosowane w astronomii do rejestrowania obrazów gwiazd, ale z czasem - po ulepszeniu - trafiły do kamer, skanerów, cyfrowych aparatów fotograficznych i telefonów komórkowych.

Technologia CCD, będącego swego rodzaju "elektronicznym okiem", opiera się na efekcie fotoelektrycznym, odkrytym przez Alberta Einsteina. Pod wpływem światła powstają elektryczne sygnały. Głównym problemem było zaprojektowanie czujnika, który pozwalałby gromadzić i odczytywać sygnały z wielkiej liczby punktów obrazu (pikseli) w bardzo krótkim czasie.

Obecnie stosowane przez astronomów matryce CCD mają nawet ponad 100 milionów pikseli, zespoły matryc - kilka miliardów, a niektóre z dostępnych na rynku amatorskich aparatów cyfrowych pozwalają zarejestrować ponad tysiąc klatek filmu na sekundę. Elektroniczne obrazy można przesyłać, kopiować i gromadzić nieporównywalnie łatwiej niż zdjęcia z tradycyjnych aparatów fotograficznych na film.

Noblem nagrodzone zostały "odkrycia bardzo ważne dla telekomunikacji, przesyłania sygnałów drogą optyczną, opracowywania obrazów" - powiedział PAP prof. Jerzy Langer, szef Pracowni Fizykochemii Materiałów i Nanotechnologii na Wydziale Chemii Uniwersytetu Adama Mickiewicza (UAM) w Poznaniu.

Jak dodał prof. Henryk Drozdowski z Zakładu Optyki na Wydziale Fizyki UAM, badania te "przyniosły praktyczny efekt, ułatwiając ludziom życie; opracowano dzięki nim nowoczesne metody transmisji rozmów telefonicznych i obrazu telewizyjnego".

Ich wagę podkreślał też prof. Jerzy Siuzdak z Instytutu Telekomunikacji Politechniki Warszawskiej. "Bez światłowodów, które skonstruował Kao, nie byłoby internetu, współczesnej telekomunikacji, telewizji na żądanie i całej technologii cyfrowej" - powiedział.

Prof. Łukasz Turski z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN zaznaczył: "bez światłowodów (...) również medycyna wyglądałaby inaczej - nie można byłoby przeprowadzać wielu badań, które są dokonywane przy pomocy wziernikowania, czyli zaglądania do naszego organizmu za pomocą urządzeń medycznych".

Szybkość transmisji i pojemność informacyjna to wielkie zalety technologii światłowodowej - mówił PAP prof. Andrzej Domański z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej. "Przesyłanie sygnałów odbywa się bez żadnego wzmacniania po drodze, a do tego z jaką szybkością! Także pojemność takiej transmisji jest olbrzymia. Na szybkim łączu światłowodowym filmy oglądamy w zasadzie w czasie rzeczywistym, bez konieczności gromadzenia ich na dysku komputera. Kiedyś ściągniecie takiego filmu trwało wiele godzin lub nawet dni" - zwrócił uwagę profesor.

Charles K. Kao urodził się w 1933 r. w Szanghaju. W wieku 24 lat ukończył brytyjską Politechnikę Woolwich (obecnie Uniwersytet Greenwich). Następnie pracował jako inżynier w firmie Standard Telephones and Cables Ltd., brytyjskiej filii amerykańskiej korporacji ITT. W 1965 r. doktoryzował się z zakresu elektryki w Imperial College w Londynie i już w następnym roku, razem z Georgem Hockhamem, przeprowadził pionierskie prace, dzięki którym włókna optyczne stały się medium telekomunikacji. W latach 1987-96 był zastępcą rektora na Chińskim Uniwersytecie w Hongkongu. W 1990 r. został członkiem amerykańskiej Narodowej Akademii Inżynierii (National Academy of Engineering). Obecnie jest dyrektorem firmy Transtech Services Ltd. w Hongkongu.

Willard S. Boyle urodził się w 1924 r. w kanadyjskim miasteczku Amherst w Nowej Szkocji. W wieku 19 lat wstąpił do Kanadyjskiej Marynarki Wojennej, by walczyć na froncie II wojny światowej. Po wojnie wrócił do Montrealu i podjął studia na Uniwersytecie McGill. W 1950 r. uzyskał doktorat z fizyki. Trzy lata później rozpoczął pracę w prestiżowym oddziale badawczym Bell Telephone Laboratories w New Jersey w Stanach Zjednoczonych. W 1962 r., wraz z Donem Nelsonem, opracował pierwszy laser rubinowy o pracy ciągłej, a następnie - z Davidem Thomasem - laser półprzewodnikowy. W tym samym roku rozpoczął współpracę z NASA przy programie Apollo. Pomagał nawet wybierać miejsca lądowania statków kosmicznych na Księżycu. W 1964 r. poświęcił się pracy nad układami scalonymi. Poszukując nowego sposobu rejestracji obrazu na potrzeby wideotelefonu, opracował w 1969 r. matrycę CCD. W Bell Telephone Laboratories pracował do 1979 r. Wówczas przeszedł na emeryturę.

George E. Smith urodził się w 1930 r. w White Plains w stanie Nowy Jork w USA. Tytuł inżyniera fizyki uzyskał na Uniwersytecie Pensylwanii w 1955 r., a stopień doktora w 1959 r. na Uniwersytecie w Chicago. Od tamtego czasu do emerytury, na którą przeszedł w 1986 r., pracował w Bell Laboratories. Sensor CCD wynalazł w 1969 r. razem z Boylem. Obecnie jest członkiem m.in. Amerykańskiego Towarzystwa Fizyków i Narodowej Akademii Inżynierii. Życiową pasją Smitha jest żeglarstwo - niedawno naukowiec ukończył podróż dookoła świata na statku "Apogee".