Nobelpreis für Physik Die drei Lichtzauberer

Nachrichten haben heutzutage nur noch eine extrem kurze Halbwertszeit. Kaum sind sie irgendwo gestreut worden, weiß der Rest der Welt schon Bescheid. Fast mit Lichtgeschwindigkeit können mittlerweile riesige Datenmengen als Texte, Bilder und Videos übertragen werden. Noch nie waren Informationen so schnell und in solch einer Fülle jederzeit verfügbar.

Doch wäre diese Errungenschaft nicht ohne jene Wissenschaftler möglich gewesen, die erst die technischen Grundlagen dafür geschaffen haben. Mit dem diesjährigen Nobelpreis für Physik werden nun drei Forscher geehrt, deren Beiträge den Weg in das moderne Zeitalter der optischen Kommunikation geebnet haben. Der erste Preisträger, Charles K. Kao, trägt großen Anteil an der Entwicklung der modernen Glasfasertechnik, auf der die gesamte Telekommunikation beruht. Die beiden Physiker Willard S. Boyle und George E. Smith haben den lichtempfindlichen CCD-Chip erfunden, der heutzutage in jeder digitalen Kamera und fast jedem Handy steckt.

Weitere Artikel

• Nobelpreis Medizin: Das Unsterblichkeitsenzym 
• Die Physik-Nobelpreisträger seit 1999 
• Physik-Nobelpreise 2008 nach Amerika und Japan 
• FAZ.NET-Spezial: Die Nobelpreise 2008 
• Nobelpreise: Historie 

Die „ideale“ Glasfaser

Die heutige vernetzte Informationsgesellschaft wäre ohne die Glasfasertechnik nicht denkbar. Mit Kupferkabeln, wie sie früher verwendet wurden, konnten nur wenige Telefongespräche gleichzeitig abgewickelt werden. Ein modernes Glasfaserkabel ist in der Lage, rund 1,6 Milliarden Signale gleichzeitig zu befördern. Dass Bündel von dünnen Glasfasern gigantische Mengen digitalisierter Informationen über weite Strecken hinweg übertragen können, hielt Charles Kao, an den eine Hälfte des mit umgerechnet 980 000 Euro dotierten Physik-Nobelpreises geht, schon vor vierzig Jahren für möglich.

Die bis dahin zur Verfügung stehenden Glasleiter waren dazu allerdings nicht zu gebrauchen, da man mit ihnen Lichtsignale nur 20 Meter weit transportieren konnte. Die Übertragung von Lichtwellen war mit enormen Verlusten verbunden. Der in Shanhai geborene Kao - gerade zum Doktor der Elektrotechnik gekührt - erkannte 1965 bei den Standard Telecommunication Laboratories in London, dass die Hauptursache für die Verluste Verunreinigungen im Glas waren. Diese bewirken die Absorption und die Streuung der Lichtsiganle. Ein Jahr darauf kam der Durchbruch, als er die entscheidenden Eigenschaften einer „idealen“ Glasfaser skizzierte. Ein zylindrischer Kern aus dotiertem Quarzglas ist von einem Mantel aus normalem Quarzglas mit einer geringeren Brechzahl und einer Schutzhülle umgeben. An der Grenzschicht zwischen Kern und Mantel wird eine sich ausbreitende Lichtwelle ständig hin und her reflektiert, ohne dabei die Glasfaser zu verlassen - die Voraussetzung, dass sich Lichtpulse ohne Verluste mehrere hundert Kilometer weit übermittelt lassen.

Lichtleiter auf Siegeszug

Nachdem die Idee geboren war, galt es Quarzglas in bisher nicht dagewesener Reinheit herzustellen. Das war selbst für den bekannten amerikanischen Glasherstellers Corning Glass Works kein leichtes Unterfangen. Im Jahr 1971 präsentierte er eine einen Kilometer lange Glasfaser, die die Vorgaben von Kao erfüllte. Von da an nahm der Siegeszug der optischen Glasfaser seinen Lauf. Im Jahr 1988 wurden das erste Lichtleiterkabel zwischen Europa und den Vereinigten Staaten auf dem Grund des Atlantiks verlegt. Die Glasfaser war 6000 Kilometer lang. Mit dem derzeit bestehenden weltweiten Glasfasernetz, das mehr als eine Milliarde Kilometer lang wäre und täglich wächst, könnte man die Erde etwa fünfundzwanzigtausend Mal umwickeln. Darin wird der gesamte Telefon und Datenverkehr auf unserem Planeten transportiert.

Das Zeitalter der digitalen Bilder

Fast gleichzeitig mit der Entwicklung der Glasfaser hatten Willard Boyle und George Smith, die sich die andere Hälfte des Preisgeldes teilen, an den renommierten Bell Laboratories in Murray Hill das Charge-Coupled-Device (kurz CCD) ersonnen - einen empfindlichen Sensor, der starke elektrische Signale liefert, wenn er mit Licht bestrahlt wird. Dieser Sensor, den die beiden Forscher auf einer Tafel skizzierten, nutzte den sogenannten photoelektrischen Effekt, für dessen theoretische Erklärung Albert Einstein 1921 den Nobelpreis erhalten hatte. In dem CCD-Chip sammeln sich die bei Lichteinwirkung freigesetzten Elektronen in winzigen zu einer Matrix angeordneten Zellen, die zeilenweise rasch ausgelesen und als Bildelemente (Pixel) dargestellt werden. Boyle und Smith präsentierten 1975 eine CCD-Videokamera. Sechs Jahre später kam die erste CCD-Bildkamera v auf den Markt, die zwar mit den herkömmlichen Fotoapparaten nicht konkurrieren konnte, aber eine folgenreiche Entwicklung einleitete. So ebeneten die CCD-Sensoren den Weg der Digitaltechnik in die Fotografie.

CCD-Sensoren sind heutzutage in Mikroskopen, Röntgengeräten und Faxgeräten eingebaut sowie in Fernsehkameras und Fotohandys. In der Medizin liefern CCD-Kameras Bilder aus dem Körperinneren - oft in Verbindung mit einem Glasfaserkabel als Endoskop. Die wundervollen Bilder des Hubble-Teleskops aus den tiefen des Weltalls wären ohne CCD-Kameras, von denen das Teleskop mehrere an Bord hat, nicht möglich. Der Nobelpreis für Physik wird wie jedes Jahr offiziell am 10. Dezember in Stockholm überreicht.