W październiku 2009 ogłoszono tegorocznych laureatów Nagrody Nobla. W grudniu nastąpi wręczenie nagród. Przyszły tydzień będzie bardzo pracowity dla noblistów. 7 i 8 XII laureaci wygłoszą swoje noblowskie wykłady. Nagrodzeni z fizyki, chemii i ekonomii będą przemawiać w Aula Magna Uniwersytetu Sztokholmskiego. Wykłady noblistów będą transmitowane na stronie nobelprize.org, a później również dostępne na tej samej stronie. 8 XII odbędzie się koncert noblowski - Sztokholmską Królewska Orkiestra Filharmoniczną dyryguje Yuri Temirkanov.
10 XII to główny dzień noblowski - w rocznicę śmierci fundatora nagrody w Sztokholmie w Sali Koncertowej król Karol XVI Gustaw wręczy medale i dyplomy. Ceremonie uświetni Sztokholmska Królewska Orkiestra Filharmoniczna. Następnie w Ratuszu odbędzie się bankiet. Również tego samego dnia w Oslo zostanie wręczona Pokojowa Nagroda Nobla, którą w tym roku przyznano prezydentowi Stanów Zjednoczonych Barackowi Obamie. Nagrodę wręcza przewodniczący Komitetu Nobla w obecności norweskiej rodziny królewskiej. Relację będzie na żywo transmitować telewizja szwedzka. Można ją zobaczyć również na stronie nobelprize.org - o godz. 13:00 z Oslo i o godz. 16:30 ze Sztokholmu. Później udostępnione zostaną internautom wywiady z laureatami. Będzie mozna przeczytać nawet menu z uroczystego bankietu. Tydzień noblowski zakończy 12 XII wizyta poszczególnych laureatów w Fundacji Noblowskiej. Nagroda Nobla wynosi 10 mln koron szwedzkich, czyli 1,5 mln dolarów.
Szwedzka Królewska Akademia Nauk zdecydowała uhonorować Nagrodą Nobla z fizyki w roku 2009 następujących naukowców:
1/2 nagrody otrzymał
Charles K. Kao
„za przełomowe osiągnięcia dotyczące przesyłanie światła w światłowodach w komunikacji optycznej".
Druga połowę nagrody otrzymali wspólnie dwaj naukowcy z Laboratorium Bella w USA:
Willard S. Boyle i George E. Smith
"za wynalezienie półprzewodnikowych obwodów obrazujących - czujników CCD"
Nagrodzone tegorocznym Noblem dwa naukowe osiągnięcia przyczyniły się do ukształtowania współczesnych technologii informatycznych. Dzięki nim mamy dziś szybki dostęp do internetu poprzez światłowody, aparaty cyfrowych, a naukowcy zawdzięczają im rozszerzenie pola badań. Światłowody pozwalają na transfer ogromnej ilości danych wytwarzanych w kamerach CCD.
W uproszczeniu zasada działania światłowodu opiera się na zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia - światło biegnąc prostoliniowo pod odpowiednim kątem, na granicy dwu ośrodków o różnych współczynniku załamania odbije się i zostanie w tym samym ośrodku.
Włókna szklane były używane w medycynie od lat 30. XX w. oświetlając organy w czasie operacji chirurgicznych. Jednak, gdy włókna stykały się ze sobą, łatwo ulegały zniszczeniu. Pokryto je więc szkłem o mniejszym współczynniku załamania, dzięki czemu w latach 60. używano światłowodów w instrumentach medycznych np. do gastroskopii.
Na większych odległościach włókna szklane były bezużyteczne - sygnał przesyłany przez światłowód był tłumiony po około 20 m. Dlatego niewiele osób interesowało się zakresem optycznym w przesyłaniu danych. Tryumfy święciła elektronika i techniki radiowe. W 1956 r. przez Atlantyk położono pierwszy kabel, a jego pojemność pozwalała na 36 jednoczesnych rozmów telefonicznych. Zaczęły działać pierwsze satelity, aby zapewnić wciąż rosnące zapotrzebowania telekomunikacyjne i przekazy telewizyjne.
Na początku lat 60. wymyślono laser, co znacząco przyspieszyło rozwój światłowodów. Laser to stabilne źródło światła skorelowanego, które można skierować do włókna szklanego. Pierwsze lasery pracowały w zakresie podczerwonym i wymagały chłodzenia. Ich rozwój w latach 70. obniżył wymagania i pozwoliły na pracę laserów w temperaturze pokojowej. Lasery produkowały więc niezwykle szybki nośnik informacji. Problemem nadal był ośrodek, w którym światło miało się propagowało się. Ze 100 % światła wpuszczonego do światłowodu, po 20 m zostawał 1%. Ale fale krótsze mogą przenieść znacznie więcej informacji, niż np. fale radiowe, więc warto było pracować nad problemem światłowodów.
Charles Kao w latach 60. rozpoczął pracę w Standard Telecommunication Laboratories, gdzie zajmował się właśnie włóknami szklanymi. Za cel postawił sobie, aby przynajmniej 1% światła pozostał w światłowodzie po przebyciu 1km. Wnioski ze swojej pracy sformułował w styczniu 1966 r. - głównym problemem były zanieczyszczenia szkła. Jednak uzyskanie idealnie czystego szkła było niezwykle trudnym zadaniem. Szkło produkuje się z kwarcu, do którego dodawana jest np. soda lub wapno, by uprościć proces. Kao stwierdził, że do produkcji czystego szkła można użyć szkła kwarcowego. Topi się ono w bardzo wysokiej temperaturze 2 tys. ºC, ale można z niego wyciągnąć niezwykle cienkie włókno. W 1971 r. w USA wyprodukowano pierwszy taki światłowód o długości 1 km.
Szkło w postaci tak cienkiej nitki zmienia swoje właściwości. Staje się giętkie, lekkie i wytrzymałe. Światłowody są niewrażliwe na wyładowania atmosferyczne jak kable miedziane, ani na złą pogodę, która wpływa na jakość komunikacji radiowej. W 1988 r. na dnie Atlantyku przeciągnięto pierwszy światłowód między Europa a Ameryką o długości 6 tys. km. Po przebyciu 1 km pozostaje około 95% światła z wiązki pierwotne; to znacznie więcej niz chcial uzyskać Kao. Jednak dlatego na dłuższych dystansach sygnał jest wzmacniany, ale dzieje się to nie poprzez wzmacniacze elektryczne a optyczne, bez potrzeby konwersji (stratnej) na sygnał elektryczny. Na dużych dystansach nośnikiem jest światło podczerwone o długości 1,55 mikrometra, ponieważ wówczas straty są najmniejsze, a prędkość przesyłania danych przekracza setki gigabajtów na sekundę. Rozwój technologii trwa.
Zasada działania matrycy CCD. Źródło: Montana State University
We wrześniu 1969 r. Willard Boyle i George Smith wymyślili cyfrowe czujniki obrazujące - CCD - charge-coupled device, które stały się elektronicznym okiem większości urządzeń obrazujących. Fotografia zmieniła się, a elektroniczne czujniki zastąpiły klasyczny film. Pierwotnym zamierzeniem twórców, było stworzenie lepszej elektronicznej pamięci; stworzyli zaś w pełni udaną technologię pozwalającą na cyfrowy przesył obrazu. Co ciekawe laureaci Nagrody Nobla z 1978 r. - Arno Penzias oraz Robert Wilson, nagrodzeni za odkrycie mikrofalowego promieniowania tła w 1965r., również pracowali w Laboratorium Bella.
Krzemowa płytka CCD o wielkości znaczka pocztowego mieści miliony światłoczułych komórek. CCD wykorzystuje efekt fotoelektryczny. Wyjaśnienie i matematyczny opis tego efektu podał Albert Einstein i został za to nagrodzony Nagrodą Nobla w 1921 r. Światło pada na płytkę i wybija z niej elektrony, które zbierane są do fotokomórek. Im większe natężenie światła, tym więcej zebranych elektronów. Następnie do układu fotokomórek podłączane jest napięcie i elektrony z każdej fotokomórki rząd po rzędzie spływają do czytnika, a optyczny obraz przekształcany jest w sygnał elektryczny, który z kolei transformowany jest w zrozumiały dla komputera układ zer i jedynek.
Każdej fotokomórce odpowiada jeden punkt powstającego obrazu - piksel. Płytka CCD o wymiarach 1280 x 1024 pikseli daje obraz złożony z 1,3 mln piksli. Tym sposobem uzyskujemy obraz czarno-biały. Aby dostać obraz kolorowy nad fotokomórkami umieszcza się filtry czułe na dany zakres fal. W 1970 Smith i Boyle po raz pierwszy zademonstrowali działanie CCD w kamerze video. W 1975 r. zbudowali cyfrową kamerę video o dostatecznie wysokiej rozdzielczości wystarczającej do transmisji telewizyjnej. W 1981 r. pierwsze kamery CCD pojawiły się na rynku. Dziś używamy ich wszyscy - w profesjonalnych aparatach fotograficznych jak i w telefonach komórkowych. W medycynie stosowane są tak w diagnostyce jak i w czasie operacji chirurgicznych.
Astronomia zawdzięcza kamerze CCD wspaniałe zdjęcia Kosmosu. W 1974 r. wykonano pierwsze astronomiczne zdjęcie za pomocą kamery cyfrowej - fotografowanym obiektem był Księżyc. Gdy w XIX w. prężnie rozwijała się fotografia również Księżyc - jako najjaśniejszy obiekt nocnego nieba - stał się bohaterem pierwszego astronomicznego zdjęcia. Obecnie bardzo czułe, astronomiczne kamery CCD rejestrują niebo w całym zakresie widma - od podczerwieni po fale X. W 1979 r. na teleskopie Kitt Peak w Arizonie umieszczono kamerę cyfrową o rozdzielczości 320 x 512 piksli. Wyniesiony na orbitę w marcu 2009 r. satelita Kepler wyposażony jest w kamerę CCD zawierającej 95 miliony piksli. Rozwój technologii trwa.
Źródło: Karolina Zawada
Na ilustracji: Martyca CCD umieszczona w płaszczyźnie ogniskowej teleskopu Keplera. Źródło: NASA
(Tekst ukazał się pierwotnie w serwisie Orion, którego zasoby zostały włączone do portalu Urania)
