Волокно и фотоаппарат Нобелевской премии по физике 2009 года удостоились работы по прикладной электронике

В 2009 году Нобелевскую премию по физике получили ученые, изменившие мир. Причем сделавшие это почти на бытовом уровне - их изобретения позволили расцвести высокоскоростному интернету, цифровой фотографии, а также превратили астрономию в одну из самых красивых наук, подарив ей возможность делать великолепные снимки.

Итак, в 2009 году нобелевский комитет разделил 975 тысяч евро между тремя учеными - Чарльзом Као, Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом. Као удостоился признания за свои работы по созданию оптоволоконных сетей передачи данных, а Бойл и Смит - за изобретение в бытность свою инженерами в Bells Labs полупроводникового устройства, способного регистрировать оптические изображения. Именно это устройство, именуемое ПЗС-матрицей (прибор с зарядовой связью), стало основой цифровых фотоаппаратов. Два этих открытия лишь косвенно связаны между собой, однако оба действительно заслуживают признания.

Свет в проводах

Концепция оптоволокна возникла не на пустом месте. Ее суть каждый может увидеть в собственной ванной. Если открыть кран с водой и включить свет, то можно увидеть, что в месте, где струя разбивается о раковину, образуется светлое пятно. Выяснилось, что часть света, попавшего в воду, из-за внутреннего отражения оказывается "заперта" и высвобождается только на конце струи.

О том, что свет можно передавать по проводам, ученые задумались еще в XIX веке. Например, в 1880 году Грэм Бэлл запатентовал совершенно фантастическое по тем временам устройство - оптический телефон. В нем луч света направлялся на зеркало, которое вибрировало от голоса. Порождающиеся световые колебания предполагалось передавать на ресивер пользователя по специальным оптическим каналам.

Для реализации этой и многих других фантастических идей ученые принялись искать подходящие световоды. В качестве таковых в начале XX века стали использоваться изогнутые стеклянные провода. С ними, однако, было много проблем. Во-первых, их прозрачность оставляла желать лучшего (электромагнитная волна внутри них достаточно быстро угасала). Во-вторых, если поверхность такого стеклянного волокна оказывалась поцарапана, то свет через повреждение "убегал" из провода.

Решение второй проблемы было найдено достаточно быстро - волокна стали плакировать, то есть покрывать слоем металла. А вот первая трудность достаточно долго оставалась не преодоленной - в ранних образцах волокон показатель угасания сигнала составлял 1000 децибел на километр. То есть ровно один процент от света на входе добирался до конца канала длиной всего 20 метров (этого, впрочем, оказалось достаточно для революции в медицине - появились первые эндоскопы).

Причины подобного поведения волокна оставались физикам неясны до тех пор, пока в 1966 году не вышла работа Чарльза Као. В ней всего на восьми страницах британец китайского происхождения излагал теорию, согласно которой виновниками ослабления были ионы металлов, присутствующие в стекле.

Революционной эту работу можно назвать по нескольким причинам. Во-первых, после того как были найдены причины ослабления, исследователи семимильными шагами двинулись в направлении его уменьшения. Во-вторых, самим Као и его коллегой Хокамом была разработана целая теория работы оптического волокна, которая включала в себя характеристики материала, чего не было в работах предшественников. И, наконец, в-третьих, Као удалось указать наиболее подходящий материал для производства оптоволокна - плавленый кварц. Своим предсказанием он опередил время - с этим материалом в то время совершенно не умели работать.

В результате в 1975 году Великобритания стала первой страной, установившей у себя коммерческую оптоволоконную сеть. А спустя еще несколько десятков лет мир фактически оказался в паутине таких сетей - линии передач, обеспечивающие, в частности, работу интернета, протянулись через океаны. Тут, кстати, сбылось еще одно предсказание Као. Он предлагал использовать не одно волокно, а пучки тонких одномодовых волокон (каждое из которых передает волну одного типа - моду). В настоящее время для прокладки линий связи на дальние расстояния используют именно такой тип волокон.

Революция фотоаппарата

Другие два лауреата Нобелевской премии по физике за 2009 год занимались иными вещами.

В 60-х годах прошлого века Уиллард Бойл и Джордж Смит работали в Bell Labs. В это время главным проектом этого исследовательского подразделения корпорации AT&T было запоминающее устройства Bubble memory. Принцип работы этого прибора заключался в следующем: для запоминания информации использовались магнитные домены на тонкой пленке магнитного материала. Забегая вперед, скажем, что проект не удался: устройство было создано, однако стремительно падающие цены на жесткие диски (причиной этого стало открытие, удостоенное Нобелевской премии в 2007 году) сделали производство подобных устройств нерентабельным.

Как бы то ни было, в 60-х годах проект шел полным ходом, и в октябре 1969 года тогдашний вице-президент Bell Labs Джэк Мортон решил бросить на проект все финансовые ресурсы. Для этого предполагалось сократить финансирование подразделения, которое занималось полупроводниковыми схемами. Чтобы не допустить этого, глава подразделения Уиллард Бойл решил срочно придумать конкурента Bubble Memory. Для этого он и руководитель одного из отделов, Джордж Смит, одним осенним днем (17 октября, если быть точным) засели в офисе Бойла и занялись интенсивным мозговым штурмом. Спустя примерно час на свет родилась идея ПЗС-матрицы (Charge-Coupled Device - CCD).

В новом устройстве осуществлялось контролируемое перемещение сигнала по массиву ячеек в полупроводнике. Его легко использовать в качестве памяти - ячейки можно было заполнять и освобождать. Вскоре, впрочем, выяснилась интересная вещь: из-за фотоэффекта ячейки сами могли набирать электрический заряд, который тоже можно было считывать. В результате уже к 1970 году в Bell Labs появилась первая система, включавшая линейный массив ячеек (то есть, говоря современным языком, матрицы шириной в один пиксель), которая была способна считывать оптические сигналы.

Ну а что было дальше - уже история. Многие компании стали вкладывать деньги в разработку ПЗС-матриц. В результате уже к началу 90-х подобные системы стали де-факто стандартом для видеокамер. А чуть позже эти матрицы изменили представление о фотографии - пленочные фотоаппараты вместе с пленкой канули в Лету, а на их место пришли цифровые.

Это была настоящая революция, которая затронула многие сферы жизни человека. Мы, однако, чуть подробнее остановимся на одной - астрономии. Когда в 1969 году Нил Армстронг и Эдвин Олдрин высадились на Луне, они сделали большое количество снимков земного спутника. Помимо прочих трудностей (у камеры, например, не было окуляра, поэтому снимать приходилось, примерно направляя камеру на объект будущей фотографии), астронавты столкнулись со следующей: чтобы получить фотографии, пленки нужно было проявить.

Астронавты могли это сделать, однако что делать автоматическим телескопам? Например, если бы пленочная фотография была в ходу до сих пор, снимки того же "Хаббла" должны были бы собираться в огромные мотки пленки, которые потом приходилось бы доставлять на Землю для проявки. Использование фотокамер на основе ПЗС-матриц позволило разом решить все эти проблемы. Теперь "Хаббл", "Кассини", "Мессенджер" и многие другие аппараты делают сотни и тысячи снимков планет, галактик, темной материи и гравитационных линз. Все эти сокровища записываются в бортовую память зондов, после чего благополучно передаются на Землю по радио, чтобы ими мог любоваться любой желающий.

Заключение

За что же дают Нобелевские премии? На этот вопрос хорошо ответил председатель Нобелевского комитета по физике Джозеф Нордгрен, выступавший после объявления победителей. Он сказал, что заветного признания удостаиваются не те, кто по сумме заслуг внес солидный вклад в развитие науки, а те, кто совершил настоящий прорыв в своей области. Это в полной мере относится к лауреатам премии 2009 года. Ведь что может быть более революционным, чем статья длиной в восемь страниц, позволившая связать весь мир в единую сеть, или час мозгового штурма, подаривший человечеству возможность любоваться крупными фотографиями звезд?