پزشکان گیل

ماهنامه‌ جامعه‌ پزشکی استان گیلان

نوبل فیزیک ۲۰۰۹/ بزرگان نور/ بهناز قنبر مقدم

بدست • ۱۶ دی ۱۳۸۸ • دسته: ویژه‌ نوبل 2009
چارلز ک. کائو، متولد 1933، چین (شهروند آمریکا و انگلیس)
چارلز ک. کائو، متولد ۱۹۳۳، چین (شهروند آمریکا و انگلیس)

جایزه‌ی نوبل فیزیک سال ۲۰۰۹ به دانشمندانی اهدا شد که نقش مهمی در پیشرفت فن‌آوری اطلاعات ایفا کردند. نیمی از این جایزه به Charles Kuen Kao تعلق گرفت و نیم دیگر آن به تساوی بین Willard Sterling Boyle و George Elwood Smith تقسیم شد. Kao سهم مهمی در توسعه‌ی فن‌آوری فیبرهای نوری داشته که امروزه تقریباً در همه‌ی زمینه‌های ارتباطات مورد استفاده قرار می‌گیرد. Boyle و Smith نیز حسگر دیجیتال تصویر با نام اختصاری  CCD ابداع کردند؛ یک چشم الکترونیکی که در اکثر تصویربرداری‌های دیجیتال کاربرد دارد.

بازی با نور
زمانی که برندگان جایزه‌ی نوبل در استکهلم اعلام شدند این خبر با سرعت نور، یعنی بیشترین سرعت ممکن، به بخش‌های گسترده‌ای از جهان مخابره شد. این امر امروزه شاید بسیار عادی به‌نظر برسد اما فیبرهای نوری نخستین پایه‌های چنین پیشرفت عظیمی را در عرصه‌ی ارتباطات فراهم کرده‌اند؛ ابداعی که بیش از ۴۰ سال پیش توسط Kao انجام شد.
راز سحرانگیز نور به‌ دام افتاده در آب و شیشه از دیرباز ذهن مردان و زنان زیادی را به خود مشغول کرده بود. آدمی از ۴۵۰۰ سال پیش که شیشه در مصر و بین‌النهرین ساخته شد تا کنون همواره از تلالو آن در تزیینات و طراحی داخلی استفاده کرده است. با این همه تنها ۱۰۰ سال است که بشر به فکر افتاده

ویلارد اس. بویل، متولد 1924، کانادا (شهروند آمریکا و کانادا)
ویلارد اس. بویل، متولد ۱۹۲۴، کانادا (شهروند آمریکا و کانادا)

از این نور به دام افتاده استفاده کند. چنان‌چه باریکه‌ای از نور که در محیط آبی در حرکت است، به مرز مشترک آب و هوا برسد، این احتمال وجود دارد که نور در مرز منحرف (شکسته) شود، دوباره به درون آب بازگردد. علت این امر تفاوت محیط‌های آب و هوا در یک ویژگی موسوم به «ضریب شکست» است که تعیین کننده‌ی میزان شکست نور حین عبور از یک محیط به محیط دیگر است. این پدیده بنیان کار فیبرهای نوری است. به‌همین دلیل است که امواج نور درون فیبرهای نوری به دام افتاده ناگزیر درمسیر آن پیش می‌رود.
اطلاع از این اصل از سال‌های ۱۹۳۰ پزشکان را قادر ساخت با به‌کارگیری فیبرهای نوری کوتاه و ساده اندام‌های داخلی بیماران مانند دستگاه گوارش را حین اعمال جراحی مشاهده کنند. با این‌همه، مشکلاتی چون تضعیف نور، استهلاک فیبرها و… باعث می‌شد که استفاده از آن‌ها برای ارتباطات در فواصل دور غیرممکن باشد. ابداع لیزر به‌عنوان یک منبع نوری پایدار، قوی و بسیار باریک در فاصله‌ی سال‌های ۱۹۶۰ تا ۱۹۷۰ گام مهمی در جهت استفاده از فیبرهای نوری بود. اما مشکل تضعیف نور همچنان باقی بود، به‌طوری که بعد از ۲۰ متر تنها یک درصد از نور ورودی اولیه باقی می‌ماند.

نمای کلی از فیبرهای نوری و عملکرد آن
نمای کلی از فیبرهای نوری و عملکرد آن
جورج ای. اسمیت، متولد 1930، آمریکا
جورج ای. اسمیت، متولد ۱۹۳۰، آمریکا

کاهش نور از دست رفته چالشی جدی برای افرادی همچون Kao ایجاد می‌کرد. او در شانگهای به‌دنیا آمده و در سال ۱۹۶۵ پس از دفاع از رساله‌ی دکترای خود در مهندسی الکترونیک در لندن، در آزمایشگاه‌های یک شرکت مخابراتی استخدام شده بود. هدف او و همکارانش در ابتدا این بود که بتوانند دست‌کم تنها یک درصد از نوری را که وارد فیبر کرده بودند بعد از یک کیلومتر بازیافت کنند. Kao در سال ۱۹۶۶ نتایج خود را ارایه کرد. او معتقد بود نقصی در ساختمان فیبرهای نوری وجود ندارد، بلکه این تنها شیشه است که باید خالص‌تر شود. او می‌خواست شیشه‌ای به‌دست آورد که عبورپذیری آن بیش از چیزی باشد که تا آن زمان به‌دست آمده بود. برای این منظور او پیشنهاد کرد ترکیباتی از سیلیس و کوارتز در دمای ۲۰۰۰ درجه ذوب شوند. کنترل چنین دمایی بسیار سخت است ولی فیبرهایی که به این روش به‌دست می‌آیند خواص جالبی دارند. آن‌ها سبک، مقاوم و انعطاف‌پذیر هستند؛ ویژگی‌هایی که برای کابل‌هایی که قرار است از زیر دریاها و گوشه گوشه‌ی دنیا عبور کند ضروری است. در سال ۱۹۸۸ نخستین کابل نوری از زیر اقیانوس اطلس بین آمریکا و اروپا کشیده شد. با ابداع تقویت‌کننده‌های نوری، امروزه ۹۵ درصد نور را می‌توان بعد از یک کیلومتر بازیافت کرد؛ عددی که باید آن را با رویای Kao که بازیافت تنها یک درصد نور در هر کیلومتر بود مقایسه کرد. قابلیت شبکه‌ی فیبرهای نوری با سرعت شگفت‌انگیزی در حال گسترش است. انتقال هزاران گیگابایت اطلاعات دیگر رویا نیست و فن‌آوری همچنان در حال پیشرفت است.

کائو در حال انجام نخستین آزمایش‌های خود بر فیبرهای نوری در آزمایشگاه‌ استاندارد تله‌کامیونیکیشن انگلیس، دهه‌ی 1960
کائو در حال انجام نخستین آزمایش‌های خود بر فیبرهای نوری در آزمایشگاه‌ استاندارد تله‌کامیونیکیشن انگلیس، دهه‌ی ۱۹۶۰

چشم الکترونیکی

یکی از حسگرهای CCD اولیه
یکی از حسگرهای CCD اولیه

Boyle در کانادا متولد شد. در سال ۱۹۵۳ کارش را در آزمایشگاه Bell در اطراف نیویورک شروع کرد. در سال ۱۹۶۰ به جمع ۴۰۰٫۰۰۰ دانشمندی پیوست که می‌کوشیدند نخستین گام‌ها بر کره‌ی ماه را به واقعیت تبدیل کنند. در سپتامبر ۱۹۶۹ هنگامی که Boyle و Smith طرح اولیه‌ی یک حسگر تصویری را روی تابلوی محل کار خود ترسیم کردند، اصلاً به تصاویر فوتوگرافیک نمی‌اندیشیدند. آن‌ها تشویق شدند وارد رقابتی شوند که هدف آن دستیابی به یک حافظه‌ی الکترونیکی بهتر بود. وقتی که طراحی اولیه‌ی CCD به پایان رسید، تنها یک هفته طول کشید تا نمونه‌ی اولیه‌ی آن ساخته شود. به این ترتیب آن‌ها توانستند به بخش غیرقابل انکاری از دانش تصویربرداری مدرن دست یابند. حسگرهای تصویری دیجیتال از میلیون‌ها سلول حساس به نور تشکیل شده‌اند که قادرند فوتون‌های نور را طی پدیده‌ی فوتوالکتریک به الکترون تبدیل کنند. هر چه مقدار نور بیشتر باشد، تعداد الکترون‌ها هم بیشتر است. به این ترتیب تصاویر اپتیکی در CCDها به سیگنال‌های الکتریکی و نهایتاً به کدهای صفر و یک تبدیل می‌شوند.
در ابتدا کسی تصور نمی‌کرد CCDها در نجوم هم خدمت کنند، اما تلسکوپ فضایی هابل دقیقاً به‌دلیل استفاده از همین تکنولوژی است که می‌تواند تصاویر زیادی را برای ما مخابره کند. با تجاری شدن دوربین‌های دیجیتال به‌نظر می‌رسد عصر فیلم‌های فوتوگرافی به‌سر آمده باشد. حساسیت دوربین‌های دیجیتال هزاران بار بیش از دوربین‌های فوتوگرافیک است. CCDها به گستره‌ی وسیعی از طیف نور، از فوتون‌های ایکس تا طول موج مادون قرمز، حساس هستند. از هر ۱۰۰ فوتون نور که وارد CCD می‌شود ۹۰ تای آن دیده می‌شود. این مقدار برای فیلم‌های فوتوگرافیک و چشم انسان تنها یک فوتون است. امروزه هر جایی که از تصویر، ویدیو و تلویزیون استفاده شود، CCDها درگیر هستند. آن‌ها در همه‌ی تصویربرداری‌ها از اعماق اقیانوس‌ها تا دورترین نقاط فضا، حتی در پزشکی و در تصویربرداری از اندام‌های داخلی انسان کاربرد دارند و به این ترتیب است که بشر مرزهای علم و فن‌آوری را درمی‌نوردد.

بویل (چپ) و اسمیت (راست) در آزمایشگاه‌های بل، 1974
بویل (چپ) و اسمیت (راست) در آزمایشگاه‌های بل، ۱۹۷۴

Ref: http://www.nobelprize.org

بهناز قنبر مقدم
دانشجوی دکترای فیزیک هسته‌ای
دانشگاه گیلان

۶ اکتبر ۲۰۰۹
آکادمی سلطنتی علوم سوئد تصمیم گرفته است جایزه‌ی نوبل فیزیک را در سال ۲۰۰۹ اهدا کند نیمی به:
چارلز ک. کائو (Charles K. Kao)
آزمایشگاه‌های استاندارد تله‌کامیونیکیشن، هارلو، انگلیس؛ دانشگاه چینی هنگ‌کنگ، هنگ‌کنگ، چین
به پاس اقدامات پیشروانه در ارتباط با انتقال نور از فیبرها برای ارتباطات نوری
و نیم دیگر به:
ویلارد اس. بویل (Willard S. Boyle)
آزمایشگاه‌های بل، مورای هیل، نیوجرسی، آمریکا
و جورج ای. اسمیت (George E. Smith)
آزمایشگاه‌های بل، مورای هیل، نیوجرسی، آمریکا
به‌ پاس اختراع یک مدار نیمه‌رسانای تصویربرداری (حسگر CCD).

جایزه‌ی نوبل فیزیک به سه دانشمند آمریکایی رسید
به گزارش آسوشیتدپرس تحقیقات آقای کائو در سال ۱۹۶۶ منجر به اختراع کابل نوری شد که از طریق آن صدا، تصویر و اطلاعات با سرعت بسیار بالایی در سراسر جهان مبادله می‌شود.
ریچارد اپورت که همکار چارلز کائو در دهه‌ی ۶۰ میلادی در انگلستان بود، می‌گوید کابل نوری برای ارتباطات همان کاری را کرد که چرخ برای صنعت حمل و نقل.
جورج اسمیت و ویلارد بویل نیز به‌خاطر اختراع CCD یا ردیاب نور که در وسایل و ابزار مختلف از دوربین دیجیتال تا وسایل پیشرفته‌ی جراحی مورد استفاده قرار می‌گیرد، جایزه‌ی نوبل فیزیک را با چارلز کائو شریک شدند.
آکادمی نوبل سوئد می‌گوید کشف سال ۱۹۶۹ این دو نفر که در آزمایشگاه بل در نیوجرسی آمریکا کار می‌کردند، به انقلابی در دنیای عکسبرداری منجر شد.
جوزف نوردگرن، رییس کمیته‌ی فیزیک اکادمی فیزیک گفت کار این سه نفر زندگی ما را تغییر داد.
منبع: سایت رادیو فردا

برچسب‌ها: ٬ ٬ ٬ ٬

یک دیدگاه »

  1. سلام مقاله خوبی بود
    با تشکر از لطف شما

دیدگاه خود را بیان کنید.