Nobelova cena: Optická vlákna, díky nímž je internet internetem, a technologie CCD i ve vašich foťácích

Letošní Nobelovu cenu za fyziku si rozdělí tři vědci, jejichž práce zásadním způsobem ovlivnila náš informační věk: jednak svět telekomunikací díky bleskovému a spolehlivému přenášení informací přes optická vlákna, jednak oblast digitálního snímání, jež nám ukazuje dříve neviděné.

Optická vlákna, zběsilé toky dat a celosvětová síť

Švédská Královská akademie ve Stockholmu udělila Nobelovou cenu za fyziku za rok 2009 Charlesi Kuenu Kaovi, který stál u zrodu přenosu dat přes optická vlákna.

Svým výzkumem z roku 1966 ukázal, že velké ztráty, ke kterým ve skleněných vláknech docházelo, nejsou způsobeny vlastním charakterem skla, ale naopak různými nečistotami. Tehdejší vlákna totiž uměla do cíle doručit pouhopouhé jedno procento světla, kterým byl začátek vlákna ozářen (zkoušky svého času probíhaly s vláknem dlouhým 20 metrů). Naproti tomu dnešní vlákna jsou s to s úspěchem přenést v průměru 95 procent světla na vzdálenosti kilometrů.

Právě průkopnické práce, za nimiž Charles Kuen Kao stál, ukázaly, že k dramatickému nárůstu účinnosti přenosu nastane, pokud se bude dbát na čistotu použitého materiálu. Jeho výzkum se později, jak můžeme dnes vidět, stal klíčovým pro vznik rozlehlých telekomunikačních sítí, které obepínají celý svět a umožňují rychlé přenosy obrovského množství informací v rámci datových sítí a celého internetu. Oficiální oznámení rozhodnutí o udělení Nobelovy ceny jasně říká, že "dnes více než miliarda kilometrů optických vláken po celém světě vytváří páteř moderních globálních telekomunikací." Kao také o několik let po svém objevu ukázal, že vhodný materiál s požadovanou čistotou se získá tavením oxidu křemičitého (SiO₂) a odvolával se rovněž na jeho snadnou přípravu a následnou výrobu vláken.

Charles Kao se narodil 4. listopadu 1933 v Šanghaji v Číně, v roce 1957 vystudoval elektrotechniku na londýnské Woolwich Polytechnic (nyní University of Greenwich), doktorát (PhD) z elektrotechniky obdržel na Imperial College London v roce 1965. Působil také ve společnosti Standard Telephones and Cables – dnes  Nortel Networks –,  jako vedoucí výzkumu v ITT Corporation a výkonný ředitel Transtech. V roce 1970 založil na Čínské univerzitě v Hongkongu elektrotechnickou fakultu a dodnes působí jako předseda a výkonný ředitel společnosti ITX Services. Bydlí střídavě v Hongkongu a Spojených státech. Je občanem Spojeného království i USA.

Digitální fotoaparáty, medicína, ale i Hubbleův teleskop

O druhou polovinu Nobelovy ceny za fyziku se podělili Willard Boyle a George Smith. Nobelův výbor ocenil jejich vynález technologie CCD, jež odstartovala vývoj řady snímacích zařízení, od digitálních fotoaparátů po vědecké přístroje snímající lidské tělo i vesmír. V době, kdy CCD vynalezli (1969), byli oba zaměstnanci slavných Bellových laboratoří v New Jersey – a jak se nechal Boyle slyšet, osobní uspokojení ze své práce pocítil tehdy, když vozítka na Marsu začala k Zemi vysílat detailní snímky našeho planetárního souseda.

Zkratka CCD v angličtině znamená "Charged-Coupled Device", česky "nábojově vázané zařízení", ale setkáváme se i s pojmy jako "nábojově vázané součástky" nebo obecně "nábojově vázané struktury". Každopádně CCD umožnilo vznik rozličných zařízení pro zaznamenávání obrazu, zařízení, která jsou vyžívána v mnoha oblastech lidské činnosti, ať už osobní, nebo vědeckotechnické.

Senzory CCD stojí na principu tzv. fotoelektrického jevu. Mimochodem jeho vysvětlení podal v roce 1905 Albert Einstein, za což dostal v roce 1921 Nobelovu cenu (nebyl tedy oceněn za speciální ani obecnou teorii relativity). Fotoelektrický jev není nikterak složitý, ovšem klíčovou skutečností bylo, že Einstein jej vysvětlil v řeči světelných kvant, balíčků elektromagnetické energie. Kvantovou povahu světla v té době prosazoval další slavný fyzik Max Planck – tehdy (vlastně už od dob Newtona a Huygense) se vedly spory o povahu světla: je-li spojité (vlny), nebo diskrétní (kvanta). Einstein tím, že vysvětlil fotoelektrický jev pomocí částic světla, dal impuls pro budoucí rozvoj kvantové mechaniky, byť v pozdějších letech v ní „nevěřil“ (neodmyslitelnou součástí kvantové mechaniky je kvantová neurčitost, jež má dalekosáhlé důsledky pro realitu – a Einstein nevěřil, že by "Bůh hrál s vesmírem v kostky", že by nechal svět napospas kvantovým pravděpodobnostem). (Jak se později ukázalo, světlo se chová jako částice, ale i jako vlny  – jde o tzv. vlnově-částicový dualismus, ale to je už nad rámec tohoto článku, tak se dnes nezdržujme.).

Ve zkratce řečeno, k fotoelektrickému jevu dochází, když foton (částice světla) dopadne na vhodnou látku (nejčastěji nějaký kov) a z ní "vykopne" elektron. CCD obsahuje miliony a miliony buněk citlivých na světlo –  buňky jsou uspořádaný do řádků a sloupců, tvoří matici,  a když na ni dopadne foton, dojde k emisi elektronu, kterým se nabije kondenzátor. Celkový náboj uložený v každé buňce  je přímo úměrný intenzitě světla – náboje se poté další technikou odvádějí na okraj matice (uvolněné elektrony z pixelů se posouvají k výstupnímu zesilovači), a jsou připraveny k přečtení a sestavení obrazu.

Rozmach CCD způsobil opravdovou revoluci: CCD nenahradilo jen klasický film ve fotoaparátech, ale umožnilo i digitální nahrávání, snímkování v medicíně (s vysokým rozlišením), technice, výzkumu obecně a několik CCD kamer obsahuje i Hubbleův kosmický dalekohled stejně jako i ostatní astronomické přístroje.

Willard Boyle se narodil 19. srpna 1924 v městě Amherst v  Novém Skotsku v Kanadě. Doktorát z fyziky získal na McGill University v roce 1950. Je občanem Kanady i Spojených států.

George Smith se narodil 10. května 1930 v New Yorku, doktorát z fyziky obdržel na University of Chicago v roce 1959.

9. 10. 2009

Autor: Oldřich Klimánek