Połowę z 1,4 mln dol. dostanie Charles K. Kao, urodzony w Szanghaju brytyjski naukowiec, dzięki któremu światłowody stały się krwiobiegiem współczesnej telekomunikacji. Drugą połową podzielą się Amerykanie - Willard S. Boyle i George E. Smith, którzy w słynnych Bell Laboratories wynaleźli matrycę CCD, która zastąpiła kliszę fotograficzną we współczesnych aparatach cyfrowych, kamerach
wideo, teleskopach i we wszelkich innych urządzeniach rejestrujących obraz i światło.
Pułapki dla światła Już dawno temu zauważono, że niektóre substancje potrafią uwięzić światło. W połowie XIX wieku bawiono publiczność eksperymentem ze światłem, które porusza się wewnątrz strumienia wody. Wbrew swej naturze, która zwykle każe promieniom biec po linii prostej, świetlny strumień podążał tam, gdzie leciała woda. Podświetlane fontanny były ozdobą Wystawy Światowej w Paryżu w 1889 r.
Oczywiście, zjawisko miało bardzo proste wytłumaczenie. Światło załamuje się na granicy dwóch ośrodków, a kiedy przechodzi z ośrodka gęstszego do rzadszego - np. z wody do powietrza - to może dojść do jego całkowitego odbicia, jak w lustrze. Promienie pozostaną więc uwięzione w gęstszym ośrodku, niczym w lustrzanej pułapce. Taki ośrodek może być dla fal świetlnych czymś w rodzaju przewodu albo raczej - jak mówią fizycy - falowodu.
Przezroczyste szkło, też gęstsze od powietrza, może być tak samo dobrym przewodnikiem dla światła jak woda. Na początku lat 20. zeszłego wieku pojawiły się pierwsze pomysły, by szklanymi rurkami doprowadzić światło - oraz, co ważniejsze, niesiony przez nie obraz - tam, gdzie chcemy, najbardziej nawet krętą drogą. Na przykład lekarze mogliby wprowadzić taką rurkę do przełyku i zajrzeć do żołądka. Wojsko oczywiście marzyło o tym, by robić z nich peryskopy i bezpiecznie oglądać przeciwnika zza węgła. O wykorzystaniu światłowodów myśleli też twórcy pierwszych odbiorników TV.
Ale światłowody stały się naprawdę potrzebne dopiero w latach 50. i 60. zeszłego wieku, z chwilą kiedy ruszała rewolucja w telekomunikacji - położono pierwszy kabel transatlantycki, na orbitę wystrzelono satelity, a
telewizja wychodziła z niemowlęctwa. Co więcej, w tym samym czasie wynaleziono też lasery, a więc źródło doskonałego światła.
Nie trzeba było być geniuszem, żeby w świetle dostrzec wspaniały nośnik nie tylko obrazu, ale także wszelkiej innej informacji. Tylko jak ją w kontrolowany sposób rozprowadzać po świecie?
Z ówczesnych włókien szklanych światło po prostu uciekało. Promienie były mocno tłumione, rozpraszały się już po kilku, kilkunastu metrach. A naukowcy bezskutecznie głowili się, jak usprawnić konstrukcję falowodów, by można było przesyłać światło na odległość kilometrów.
Charles K. Kao był wtedy młodym inżynierem w brytyjskich Standard Telecommunication Laboratories, szefem małej grupy, która na samym początku składała się tylko z niego i jednego młodziutkiego podwładnego - George'a A. Hockhama (wielki pominięty podczas tegorocznego rozdania Nobli). Oni też zajęli się problemem mocnego tłumienia światła w szklanym włóknie, ale - i to był strzał w dziesiątkę - zamiast zajmować się teorią samego falowodu, przyjrzeli się własnościom szkła. Odkryli, że wszystkiemu winne są zanieczyszczenia - głównie domieszki jonów żelaza - znajdujące się w szkle.
W pracy opublikowanej w 1966 r. Kao przewidywał, że włókno wykonane z czystego szkła kwarcowego nie będzie tłumiło światła. Kończył swą pracę proroczymi słowy: "Włókno szklane może być praktycznym falowodem i potencjalnie nowym medium telekomunikacyjnym, mającym większą pojemność niż obecne kable i radiołącza".
Cztery lata później udało się potwierdzić przewidywania Kao. Cieńsze od ludzkiego włosa włókna szklane rozpoczęły zwycięski marsz, wypierając ze świata miedziane przewody. W 1975 r. położono pierwsze szklane połączenie telekomunikacyjne w Wielkiej Brytanii. Dziś długość wszystkich światłowodów na kuli ziemskiej szacuje się na miliard kilometrów, można byłoby je rozwinąć z Ziemi do Marsa i z powrotem.
Są uważane za najdoskonalszy nośnik służący do przesyłania wszelkiej informacji - rozmów telefonicznych, danych komputerowych, transmisji TV. Bity informacji podróżują w nich w postaci impulsów (błysków) światła wysyłanych przez sterowany komputerem laser lub diodę laserową. Błyski mogą następować po sobie tak szybko, że teoretycznie pojedynczym szklanym włóknem można przesłać setki miliardów bitów na sekundę. Wielką zaletą światłowodów jest ich odporność na zakłócenia, które są bardzo kłopotliwe przy transmisji w postaci impulsu prądu w "zwykłych" kablach.
Światło zaklęte w krzemie Niemal w tym samym czasie, kiedy rozpoczynała się światłowodowa rewolucja, pojawiła się też cyfrowa fotografia, która do lamusa odesłała kliszę fotograficzną. W latach 60. odpowiednia technologia była już w zasięgu ręki wielu światowych laboratoriów, wystarczyło się po nią schylić. Ale jak to bywa, zdecydował przypadek.
Willard Boyle i George Smith pracowali w słynnych Bell Laboratories w New Jersey (
USA), które są kolebką wielu wynalazków. Wtedy ta instytucja była podzielona na dwa główne działy - zajmujący się urządzeniami półprzewodnikowymi oraz całą resztą. Boyle był szefem pierwszego, a Smith jego podwładnym. W 1969 r. groziło im, że stracą część budżetu. Dyrektor Bell Laboratories chciał przesunąć fundusze do drugiego działu na badanie "magnetycznej pamięci bąbelkowej", która wtedy była hitem i nadzieją na lepszą pamięć do komputerów. - Albo zrobicie coś lepszego, albo zabiorę wam część funduszy - zapowiedział Boyle'owi. Ten 17 października 1969 r. zamknął się w swoim biurze ze Smithem, by coś wspólnie uradzić. W godzinę wymyślili i narysowali na kartce papieru schemat urządzenia, które dziś zwie się matrycą CCD i służy do rejestracji obrazu. "Magnetyczna pamięć bąbelkowa" nie zrobiła kariery, a matryca CCD - oszałamiającą.
Matryca składa się z siatki elementów światłoczułych - kiedy trafi w nie światło, wybija ładunek elektryczny. Ładunki są gromadzone w specjalnym schowku, a potem zliczane przez układ scalony. W ten sposób obraz, jaki niesie światło, zamieniany jest wprost na bity i przesyłany do pamięci komputerowej. Można go wydrukować, przetworzyć, skopiować czy przesłać dalej.
Boyle i Smith po tygodniu skonstruowali prototyp. W 1970 r. zaprezentowali pierwszą - prymitywną jeszcze - kamerę cyfrową. Dwa lata potem jedna z firm zaczęła seryjną produkcję cyfrowych matryc. Najpierw pojawiły się one w teleskopach i przyrządach naukowych rejestrujących światło z kosmosu, a potem w aparatach medycznych, elektronice codziennego użytku. Dziś aparaty i kamery cyfrowe niepodzielnie królują na rynku. A klisze filmowe pozostały tylko dla koneserów, tak jak czarne płyty gramofonowe.
Matryca CCD jest wykonana z krzemu, podobnie jak inne elementy współczesnej elektroniki. Dlatego można było łatwo połączyć wszystko w jednym - rejestrację obrazu, przetworzenie go na postać zero-jedynkową zrozumiałą dla komputera. I zminiaturyzować, żeby cały aparat mieścił się np. w maleńkiej komórce. Co więcej, matryca jest znacznie bardziej czuła niż klisza, może rejestrować też wiele zakresów światła, nie tylko fale widzialne.
CCD to wielka wygoda - nie tylko dla zwykłych ludzi, ale też dla naukowców.
W latach 30. ubiegłego wieku Clyde Tombaugh odkrył planetę Pluton, mozolnie przeglądając setki zdjęć nieba wywołanych na tradycyjnej kliszy. Dziś odkrycia dokonałby automatycznie komputer - samodzielnie robiąc zdjęcia i analizując je za pomocą inteligentnego programu w swojej pamięci.
