Đang tải... (xem toàn văn)
Giải thưởng Nobel Vật lí năm 2009 vinh danh ba nhà khoa học, những người đã có vai trò quan trọng trong việc định hình ngành công nghệ thông tin hiện đại, với nửa giải trao cho Charle[r]
(1)Chi tiết
Giải Nobel Vật líííí năăăăm 2009
(2)
Giải Nobel Vật lí 2009 vinh danh
các nhà cách mạng công nghệ ánh sáng
Giải thưởng Nobel Vật lí năm trao cho hai thành tựu khoa học giúp định hình tảng xã hội mạng ngày nay, với ba nhà vật lí chia sẻ giải thưởng
Một phần hai giải trao cho Charles K Kao, “cho thành tựu mang tính đột phá truyền ánh sáng sợi quang ngành viễn thông quang học sợi”
Charles Kuen Kao nhận 1/2 giải
Charles Kuen Kao công dân mang quốc tịch Anh Mĩ Ông sinh năm 1933, Thượng Hải, Trung Quốc Lấy tiến sĩ kĩ thuật điện vào năm 1965 trường Imperial College London, Anh Giám đốc kĩ thuật Các phịng thí nghiệm chuẩn viễn thơng, Harlow, Anh Phó hiệu trưởng trường Đại học Hong Kong Nghỉ hưu năm 1996
Một phần hai giải lại chia cho Willard S Boyle George E Smith, “cho phát minh mạch bán dẫn ghi ảnh – cảm biến CCD”
Willard Sterling Boyle công dân Canada Mĩ Sinh năm 1924 Amherst, NS, Canada Tiến sĩ vật lí năm 1950 trường Đại học McGill Giám đốc quản trị Phân viện Khoa học Viễn thơng, Phịng thí nghiệm Bell, Murray Hill, NJ, Mĩ Nghỉ hưu năm 1979
(3)(4)Những bậc thầy công nghệ ánh sáng
Giải thưởng Nobel Vật lí năm 2009 vinh danh ba nhà khoa học, người có vai trị quan trọng việc định hình ngành cơng nghệ thông tin đại, với nửa giải trao cho Charles Kuen Kao, Willard Sterling Boyle George Elwood Smith chia sẻ nửa giải cịn lại Những khám phá Kao đặt tảng cho công nghệ sợi quang, công nghệ ngày sử dụng hầu hết hệ thống điện thoại truyền thơng liệu Boyle Smith phát minh cảm biến ảnh số - CCD, hay dụng cụ tích điện kép – thiết bị ngày trở thành mắt điện tử hầu hết lĩnh vực thuộc ngành nhiếp ảnh
Khi giải Nobel Vật lí cơng bố Stockholm, phần lớn giới nhận tin tức thời Gần tốc độ ánh sáng, tốc độ cao nhất, tin tức lan truyền khắp giới Chữ viết, hình ảnh, lời nói video di chuyển dọc ngang sợi quang xuyên qua không gian, thu nhận tức thời dụng cụ nhỏ tiện dụng Đó thứ mà nhiều người cho hiển nhiên Sợi quang yếu tố tiên cho phát triển nhanh lĩnh vực truyền thông, phát triển mà Charles Kao tiên đoán trước cách 40 năm
Hình Sợi quang thủy tinh cấu thành nên hệ thống tỏa khắp xã hội truyền thông Có đủ sợi quang để bao quanh Trái đất 25.000 vòng
(5)Phần Sự xuất ánh sáng
Nó đến thơng qua ánh sáng mặt trời mà nhìn ngắm giới Tuy nhiên, phải thời gian dài trước lồi người có kĩ cần thiết để điều khiển ánh sáng hướng vào dẫn sóng Theo kiểu này, tin nhắn mã hóa truyền tới nhiều người cách đồng thời
Sự phát triển địi hỏi có hàng loạt phát minh, lớn nhỏ, hình thành nên tảng cho xã hội thơng tin đại Sợi quang địi hỏi phải có công nghệ thủy tinh phát triển chế tạo Một nguồn phát ánh sáng xác thực cần thiết yêu cầu đáp ứng cơng nghệ bán dẫn Cuối cùng, cần có hệ thống bố trí khéo léo lắp ghép mở rộng, gồm có transistor, khuếch đại, chuyển mạch, máy phát máy thu, đơn vị khác, làm việc đồng với Cuộc cách mạng viễn thông trở thành thực nhờ cơng sức hàng nghìn nhà khoa học nhà phát minh từ khắp nơi giới
Đùa với ánh sáng
Năm 1889, Hội chợ quốc tế Paris tổ chức lễ kỉ niệm 100 năm cách mạng Pháp Tháp Eiffel trở thành đài kỉ niệm tiếng triển lãm Tuy nhiên, có trị chơi với ánh sáng chứng tỏ viễn cảnh người nhớ tới Nó thực với vịi phun nước chứa đầy chùm ánh sáng có màu Màn trình diễn thực điện Một nguồn cảm hứng nữa, mang lại nỗ lực trước đó, vào kỉ thứ 19, tạo chùm ánh sáng dẫn hướng nước Những thử nghiệm chứng tỏ tia nước phơi trước ánh sáng mặt trời, ánh sáng truyền qua tia nước theo hình dạng uốn cong
Tất nhiên, hiệu ứng ánh sáng thủy tinh nước phát sớm nhiều lịch sử Cách 4500 năm, thủy tinh chế tạo Mesopotamia Ai Cập Những bậc thầy thủy tinh xứ Venice khơng thể bỏ qua trị chơi tuyệt diệu ánh sáng xuất đồ trang sức xốy tít họ Kính khắc hoa dùng đèn nến đèn treo nhiều ngọn, điều bí ẩn khó giải thích cầu vồng thách thức trí tưởng tượng nhiều người từ lâu trước định luật quang học mang lại câu trả lời vào kỉ thứ 17 Tuy nhiên, tới cách chừng 100 năm ý tưởng có mặt người ta bắt đầu thử khai thác chùm ánh sáng bị bắt lại
Bắt lấy ánh sáng
Một tia sáng mặt trời rơi vào nước uốn cong chạm trúng mặt nước, gọi chiết suất nước cao chiết suất khơng khí Nếu hướng chùm sáng bị đảo ngược lại, truyền từ nước khơng khí, có khả chùm sáng khơng vào khơng khí, thay vào bị phản xạ trở vào nước Hiện tượng hình thành nên sở cho cơng nghệ dẫn sóng quang ánh sáng bị bắt lại bên sợi quang có chiết suất cao mơi trường xung quanh Một tia sáng chiếu vào sợi quang, phản xạ thành thủy tinh di chuyển phía trước chiết suất thủy tinh cao khơng khí xung quanh (xem hình 2)
(6)Hình Kích cỡ sợi quang chừng 125 micromet Lõi sợi thường có đường kính khoảng 10 micromet, nhỏ sợi tóc người Ánh sáng hồng ngoại với bước sóng 1,55 micromet mang lại thất thấp ngày dùng truyền thông quang học
Tuy nhiên, truyền thông đường dài, sợi quang vơ dụng Ngồi ra, có vài ba loại sợi thích hợp với ánh sáng quang học; thời đại điện tử học công nghệ vô tuyến Năm 1956, đường cáp xuyên đại dương triển khai, có sức chứa 36 điện thoại đồng thời Rồi vệ tinh sớm đáp ứng yêu cầu truyền thông ngày tăng – hệ thống điện thoại phát triển cách ngoạn mục vơ tuyến truyền hình đòi hỏi dung lượng truyền tải ngày cao So với sóng vơ tuyến, ánh sáng hồng ngoại ánh sáng khả kiến mang thông tin nhiều gấp hàng chục nghìn lần, tiềm sóng ánh sáng quang học xem nhẹ
Truyền ánh sáng
Phát minh laser vào đầu năm 1960 bước phát triển có tính chất định ngành quang học sợi Laser nguồn phát sáng ổn định, phát chùm ánh sáng cường độ mạnh tập trung cao, bơm ánh sáng vào sợi quang mỏng Những laser phát ánh sáng hồng ngoại cần phải làm lạnh Khoảng năm 1970, laser thiết thực phát triển hoạt động liên tục nhiệt độ phịng Đây đột phá cơng nghệ mang lại tiện nghi cho ngành truyền thông quang học
Giờ tồn thơng tin mã hóa thành lóe sáng cực nhanh, biểu diễn số số Tuy nhiên, người ta làm tín hiệu truyền khoảng cách dài – sau có 20 mét, có cịn lại 1% lượng ánh sáng vào sợi quang
Việc giảm thất thoát ánh sáng trở thành thách thức người có tầm nhìn xa Charles Kuen Kao Sinh năm 1933 Thượng Hải, ơng gia đình di cư sang Hong Kong vào năm 1948 Được đào tạo thành kĩ sư điện, ông bảo vệ luận án tiến sĩ vào năm 1965 London Lúc đó, ơng vào làm Các phịng thí nghiệm Chuẩn Viễn thơng, nơi ơng tỉ mỉ nghiên cứu sợi thủy tinh với người đồng nghiệp trẻ ông, George A Hockham Mục tiêu họ có 1% ánh sáng vào sợi thủy tinh lại sau truyền km
(7)Thủy tinh sản xuất từ thạch anh, khoáng chất có hàm lượng phong phú Trái đất Trong trình sản xuất, người ta cho thêm chất phụ gia khác soda lime vào để đơn giản hóa tiến trình Tuy nhiên, để sản xuất thủy tinh tinh khiết giới, Kao cho sử dụng thạch anh nóng chảy, silic nóng chảy Nó nóng chảy gần 2000oC, nhiệt độ khó làm chủ từ người ta kéo sợi cực mảnh
Bốn năm sau, năm 1971, nhà khoa học Corning Glass Works Mĩ, nhà sản xuất thủy tinh với 100 năm kinh nghiệm, chế tạo sợi quang dài km q trình hóa học
Chứa đầy ánh sáng
Các sợi cực mảnh chế tạo từ thủy tinh trơng thật yếu ớt Tuy nhiên, thủy tinh kéo xác thành sợi dài, tính chất thay đổi hẳn Nó trở nên bền, nhẹ dẻo, điều kiện tiên sợi quang bị chôn ngầm nước uốn cong chỗ rẽ Không giống dây cáp đồng, sợi thủy tinh không nhạy với tia sét, không giống truyền thông vô tuyến, sợi thủy tinh không bị ảnh hưởng thời tiết xấu
Phải khoảng thời gian hợp lí để sợi quang chinh phục khắp địa cầu Năm 1988, tuyến cáp quang lắp đặt dọc theo thềm đáy Đại Tây Dương Mĩ châu Âu Nó dài 6000 km Ngày nay, hệ thống điện thoại truyền thông liệu chạy mạng sợi quang thủy tinh có tổng chiều dài lên tới tỉ km Nếu lượng sợi quang quấn quanh Trái đất, đủ để quấn quanh địa cầu 25.000 vòng – lượng sợi quang tiếp tục tăng thêm hàng (xem hình 1)
Ngay sợi thủy tinh tinh khiết nhất, tín hiệu bị suy yếu đơi chút đường truyền, cần gia cố truyền cực li dài Cơng việc này, trước địi hỏi sử dụng kĩ thuật điện tử, ngày thực khuếch đại quang Điều đặt dấu chấm hết cho thất khơng cần thiết xảy ánh sáng biến đổi sang tín hiệu điện biến đổi từ tín hiệu điện sang
Ngày nay, 95% lượng ánh sáng lại sau truyền trọn vẹn km, số bạn nên so sánh với tham vọng Kao ngày trước có 1% cịn lại sau truyền khoảng cách Ngồi ra, khơng phải có loại sợi quang Việc lựa chọn sử dụng loại sợi vấn đề chi phí, nhu cầu truyền thông yêu cầu kĩ thuật
Các sợi quang có tác động qua lại phức tạp kích cỡ, tính chất vật liệu bước sóng ánh sáng Các laser bán dẫn quang đi-ơt kích cỡ hạt cát làm tràn ngập mạng thông tin cáp quang với ánh sáng mang theo hầu hết điện thoại truyền thông liệu khắp giới Ánh sáng hồng ngoại với bước sóng 1,55 micromet ngày dùng mạng truyền thơng đường dài với ánh sáng này, thất thoát thấp
(8)Phần Con mắt điện tử
Thỉnh thoảng, phát minh đến dường hoàn toàn bất ngờ Bộ cảm biến ảnh, CCD, hay dụng cụ tích điện kép, phát minh Khơng có CCD, phát triển camera kĩ thuật số có hành trình chậm nhiều Khơng có CCD, khơng thấy hình ảnh vũ trụ chụp Kính thiên văn vũ trụ Hubble, hay ảnh sa mạc rực đỏ hành tinh Hỏa láng giềng
Đây mà nhà phát minh CCD, Willard Boyle George Smith, tưởng tượng họ bắt đầu cơng trình nghiên cứu Vào ngày tháng năm 1969, họ phác thảo sở cảm biến bảng đen phịng làm việc Boyle Lúc đó, đầu họ khơng có ảnh chụp Mục tiêu họ chế tạo nhớ điện tử tốt Rồi chẳng nhớ tới dụng cụ nhớ Tuy nhiên, họ thật tới phận thiếu công nghệ ghi ảnh đại CCD câu chuyện thành công kỉ nguyên điện tử
Hình ảnh trở thành số
(9)Khi thiết đặt điện áp vào ma trận CCD, nội dung giếng đọc dần; hàng một, electron trượt khỏi ma trận lên loại băng tải (xem hình 3) Cho nên, lấy thí dụ, ma trận 10 x 10 ảnh điểm biến đổi thành chuỗi dài 100 điểm Theo kiểu này, CCD biến đổi hình ảnh quang học thành tín hiệu điện, sau phiên dịch thành số Mỗi ô sau tái dựng lại ảnh điểm, pixel Khi nhân bề rộng CCD, biểu diễn theo pixel, với chiều cao nó, ta thu dung lượng cảm biến Như vậy, CCD có 1280 x 1024 pixel mang lại dung lượng 1,3 megapixel (1,3 triệu pixel)
CCD trả lại hình ảnh dạng đen trắng, người ta phải sử dụng lọc để thu màu sắc ánh sáng Một loại lọc chứa màu đỏ, lục lam, đặt ô cảm biến ảnh Để có độ nhạy mắt người số lục phải nhiều gấp đơi số pixel lam đỏ Để có hình ảnh chất lượng hơn, sử dụng nhiều lọc
Sự thật Boyle Smith có ý tưởng cho CCD họp ngắn căng thẳng họ cách 40 năm áp lực từ phía ơng chủ họ Ơng chủ họ Bell Labs, nằm ngoại ô New York, khuyến khích họ đương đầu với thử thách bước vào cạnh tranh việc phát triển nhớ ảo tốt - phát minh khác Bell Labs Khi mẫu thiết kế cho CCD hồn tất, có tuần kĩ thuật viên lắp ráp xong nguyên mẫu Rồi nhớ vào quên lãng, CCD trở thành tâm điểm nhiều kĩ thuật ghi ảnh số
(10)George Smith, người Mĩ, làm thuê Bell Labs từ năm 1959, có 30 phát minh thời gian ông làm việc công ti Khi ông nghỉ hưu năm 1986, cuối ơng dành trọn vẹn đời cho niềm đam mê suốt đời ông – rong ruổi du thuyền biển lớn, mang ông khắp giới nhiều lần
Năm 1969, Willard Boyle có nhiều khám phá quan trọng, chẳng hạn khám phá liên quan đến phát triển laser ánh sáng đỏ liên tục giới Boyle chào đời nơi xa xôi thuộc vùng Nova Scotia Canada mẹ ông dạy dỗ nhà năm ơng 15 tuổi Ơng bắt đầu làm việc Bell Labs vào năm 1953, thập niên 1960 ông tham gia 400.000 nhà khoa học Mĩ có nỗ lực nhằm đưa người lên mặt trăng vào hôm 20 tháng năm 1969
Một camera ảnh cho người
Ưu điểm cảm biến ảnh điện tử nhanh chóng trở nên rõ rệt Năm 1970, khoảng năm sau phát minh trên, Smith Boyle trình diễn CCD camera video họ lần Năm 1972, công ti Fairchild Mĩ xây dựng cảm biến ảnh với 100 x 100 pixel, thiết bị vào sản xuất năm sau Năm 1975, Boyle Smith tự xây dựng camera video kĩ thuật số có độ phân giải đủ cao dùng với vô tuyến truyền hình
Nhưng đến năm 1981 camera có CCD gắn có mặt thị trường Một q trình số hóa mang định hướng thương mại bắt đầu xuất ngành nhiếp ảnh năm sau đó, vào năm 1986, cảm biến ảnh 1,4 megapixel (1,4 triệu pixel) lộ diện, thêm năm nữa, năm 1995, camera ảnh số hoàn toàn giới xuất Các nhà sản xuất camera khắp giới nhanh chóng đuổi kịp nhịp phát triển, thị trường sớm tràn ngập sản phẩm ngày thu nhỏ rẻ tiền
Với camera trang bị cảm biến thay cho phim, thời đại lịch sử ngành nhiếp ảnh kết thúc Nó bắt đầu vào năm 1839 Louis Daguerre trình bày phát minh ông phim nhiếp ảnh trước Viện Hàn lâm Khoa học Pháp
Khi có mặt kĩ thuật nhiếp ảnh hàng ngày, camera số hóa thành cơng mặt thương mại Sau đó, CCD bị thách thức công nghệ khác nữa, công nghệ CMOS, hay Chất Bán dẫn Ơxit Kim loại Bổ sung; cơng nghệ phát minh đồng thời với CCD Cả hai khai thác hiệu ứng quang điện, electron tập trung CCD hành quân theo hàng ngũ để đọc ra, tế bào quang điện CMOS đọc chỗ
CMOS tiêu thụ lượng nên pin chịu lâu hơn, thời gian dài rẻ tiền Tuy nhiên, người ta cịn phải tính đến mức độ nhiễu cao mát chất lượng ảnh, CMOS không đủ nhạy cho nhiều ứng dụng tiên tiến Hiện nay, CMOS thường dùng cho máy ảnh gắn điện thoại, cho loại nhiếp ảnh khác Tuy nhiên, hai công nghệ liên tục phát triển nhiều ứng dụng chúng thay cho
(11)Các pixel nhạy sáng
Thoạt đầu, chẳng đốn CCD trở nên khơng thể thiếu lĩnh vực thiên văn học Tuy nhiên, nhờ cơng nghệ số mà camera góc rộng kính thiên văn vũ trụ Hubble gửi Trái đất hình ảnh gây ngạc nhiên (hình 5) Bộ cảm biến camera ban đầu có 0,64 megapixel Tuy nhiên, có cảm biến phối hợp, nên chúng mang lại tổng cộng 2,56 megapixel Đây tiến lớn thập niên 1980 người ta thiết kế kính Hubble Ngày nay, vệ tinh Kepler trang bị cảm biến thể khảm 95 megapixel, người ta hi vọng phát hành tinh giống Trái đất quay xung quanh khác ngồi Mặt trời
Hình CCD mở mắt khoa học nhìn vào nơi trước không thấy Một nhiều ảnh chụp Kính thiên văn vũ trụ Hubble (Ảnh: NASA, ESA STScI)
Ngay từ đầu, nhà thiên văn nhận ưu điểm cảm biến ảnh số Nó bao qt tồn phổ ánh sáng, từ tia X đến hồng ngoại Nó nhạy phim chụp đến nghìn lần Trong số 100 hạt ánh sáng tới, CCD bắt 90 hạt, phim chụp hay mắt người bắt hạt Trong vài giây, ánh sáng phát từ vật thể xa xôi thu thập – trình trước phải đến vài Hiệu ứng tỉ lệ với cường độ ánh sáng – ánh sáng mạnh, số lượng electron nhiều
Năm 1974, cảm biến ảnh người ta sử dụng để chụp ảnh mặt trăng – ảnh thiên văn chụp camera kĩ thuật số Với tốc độ nhanh tia chớp, nhà thiên văn thích nghi với công nghệ này; năm 1979, camera kĩ thuật số có độ phân giải 320 x 512 pixel gắn kính thiên văn Kitt Peak, Arizona, Mĩ
(12)(13)Những điều bạn chưa biết giải Nobel Vật lí
Ngày 27 tháng 11 năm 1895, Alfred Nobel kí di chúc cuối ông, dành phần lớn tài sản ông cho loạt giải thưởng, hệ thống giải thưởng Nobel Như trình bày di chúc Nobel, phần số tiền dành cho “người có khám phá phát minh quan trọng lĩnh vực vật lí” Chúng ta tìm hiểu đơi điều giải thưởng Nobel vật lí, tính từ 1901 đến 2008 (chưa tính đến giải thưởng năm 2009)
Số giải thưởng Nobel Vật lí
Kể từ năm 1901, tổng cộng có 102 giải thưởng Nobel Vật lí trao Có sáu năm khơng có giải thưởng Nobel Vật lí: 1916, 1931, 1934, 1940, 1941, 1942
Tại khơng có giải thưởng trao năm đó? Theo quy chế Quỹ Nobel thì: “Nếu khơng có cơng trình xem xét có tầm quan trọng nhắc tới đoạn thứ trên, số tiền giải thưởng dành lại cho năm sau Nếu năm sau khơng thể trao giải nữa, số tiền xung vào nguồn quỹ có hạn Quỹ Nobel” Trong Thế chiến thứ hai, khơng có giải thưởng trao Số giải Nobel Vật lí trao riêng trao chung
47 giải Vật lí trao cho người 28 giải Vật lí chia sẻ cho hai người 27 giải Vật lí trao chung cho ba người
Tại thế? Trong quy chế Quỹ Nobel có nói: “Một giải thưởng chia hai cơng trình nghiên cứu, cơng trình xem xét để thưởng giải Nếu công trình trao giải thực hai ba người, giải thưởng trao chung cho họ Giải thưởng khơng trao cho trường hợp có nhiều ba người”
Số người nhận giải Nobel Vật lí
Giải thưởng Nobel Vật lí trao cho 184 nhà khoa học xuất sắc Vì John Bardeen nhận giải thưởng hai lần, nên có 183 cá nhân trao giải Nobel Vật lí, kể từ năm 1901
Nhà khoa học trẻ tuổi đoạt giải
(14)Lawrence Bragg Raymond Davis Jr Nhà khoa học lớn tuổi đoạt giải
Nhà khoa học lớn tuổi giành giải thưởng Nobel Vật lí tính Raymond Davis Jr Ông 88 tuổi nhận giải thưởng vào năm 2002
Những người phụ nữ đoạt giải Vật lí
Có tổng cộng 183 cá nhân trao giải thưởng Nobel Vật lí, có hai người phụ nữ
1903 – Marie Curie (bà cịn nhận giải thưởng Nobel Hóa học năm 1911) 1963 – Maria Goepert-Mayer
Những nhà khoa học đoạt giải Nobel nhiều lần
John Bardeen người nhận giải thưởng Nobel Vật lí hai lần Marie Curie trao giải Nobel hai lần, lần giải Vật lí lần giải Hóa học
John Bardeen Marie Curie
Giải Nobel trao sau chết
(15)Những gia đình đoạt giải Vật lí Vợ chồng:
Marie Curie Pierre Curie trao giải Nobel Vật lí năm 1903 Marie Curie trao giải Nobel lần thứ hai vào năm 1911, lần nhận giải Nobel Hóa học
Cha con:
(Đều nhận giải Nobel Vật lí)
William Bragg Lawrence Bragg, 1915 Niels Bohr, 1922 Aage N Bohr, 1975
Manne Siegbahn, 1924 Kai M Siegbahn, 1981 J J Thomson, 1906 George Paget Thomson, 1937