به افتخار نور و رنگ

محسن عظیمی راد

حتماً روزهایی را به یاد می‌آورید که با یک دوربین آنالوگ به مسافرت می‌رفتید. پیدا کردن و خریدن یک حلقه فیلم ۲۴ یا ۳۲ تایی یک طرف، جا انداختن آن داخل دوربین بدون نور دیدن طرف دیگر. امان از وقتی که در لحظه‌ای حساس و به یاد ماندنی که می‌خواستید آن را برای همیشه ثبت کنید، می‌دیدید که فیلم تمام شده و دیگر دوربین به درد نمی‌خورد.

حالا اگر فیلم اضافه هم همراهتان بود، می‌ماند دردسر عوض کردن فیلم بدون نور دیدن آن. بعد هم چند روز انتظار تا ظهور فیلم و دیدن آن تصاویر، آن هم تازه اگر عکس‌ها خراب نشده باشند.

این اواخر هم عکاسی‌ها رکوردها را برای ظهور عکس می‌شکستند؛ ۲۰ دقیقه، ۱۷ دقیقه، ۱۴ دقیقه.

اما بعد یک محصول فناوری نوین، آرام آرام وارد بازار شد و بازی را به هم زد: دوربین دیجیتال.

حالا دیگر هیچ‌کدام از درد‌سرهای بالا را نداشتید؛ هیچ‌کدام. اگر دوربینتان شارژ کافی داشته باشد (که دوربین‌های دیجیتال مصرفشان کمی بیشتر از دوربین‌های آنالوگ است) هر لحظه، هر کجا، هر چند تا عکس که می‌خواهید، می‌گیرید. از ال‌سی‌دی دوربین نگاه می‌کنید؛ اگر خوشتان نیامد یا خراب شده بود، آن را پاک می‌کنید و دوباره از اول.

این تازگی‌ها هم که دوربین‌های جدید، لرزش‌ها را می‌گیرند؛ قرمزی چشم را از بین می‌برند و لبخندها را هم ثبت می‌کنند. دیگر چه می‌خواهید؟

این‌ها البته تنها آثار دوربین دیجیتال نیست. دوربین‌های فیلم‌برداری و عکاسی دیجیتال برای همیشه سینما، تلویزیون و رسانه را متحول کردند. بدون شک یکی از پایه‌های انقلاب اطلاعات، دوربین دیجیتال بوده است. ژورنالیسم، امروز مدیون دوربین دیجیتال است. هنر دیجیتال با دوربین دیجیتال چیز زیادی برای عرضه نداشت.

پیش‌رفت‌های عظیم علمی در شناخت دنیای اطرافمان بدون ثبت تصاویر تلسکوپ‌هایی مثل هابل یا دوربین‌های روی مریخ‌گردها یا ماهواره‌ها قطعاً به دست نمی‌آمد. حتی همین جنبش سبز هم بدون دوربین‌های دیجیتال کوچکی که روی موبایل‌های مردم بود، صدایش به گوش دنیا نمی‌رسید. امروز همه ما یک دوربین دیجیتال کوچک روی موبایل‌هایمان داریم و دیگر نگران ثبت لحظه‌های ناب نیستیم.

حالا به تأثیر دوربین‌های دیجیتال در زندگی‌تان بهتر پی‌بردید؟

بویل و اسمیت هنگام نمایش نخستین نمونه‌های دوربین دیجیتال (سال ۱۹۷۴)

بله؛ کمیته نوبل هم از دوربین دیجیتال خوشش آمد! برای همین، نیمی از جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۰۹ به ویلارد بویل و جورج اسمیت اهدا شد؛ دو فیزیک‌دان تجربی آمریکایی، از آزمایشگاه بل (معروف به «بل‌لب») که با ابداع تراشه‌های نوری «سی‌سی‌دی» (CCD) توانستند مهم‌ترین گام را در ساخت دوربین دیجیتال بردارند.

جورج الوود اسمیت در ۱۹۳۰ در نیویورک به دنیا آمد. لیسانسش را از دانشگاه پنسیلوانیا و دکترایش را از دانشگاه شیکاگو گرفت. از ۱۹۵۹ هم وارد بل‌لب شد. او در سال ۱۹۷۴ با کمک ویلارد استرلینگ بویل، تراشه سی‌سی‌دی را ابداع کرد که پیش از نوبل، چهار جایزه معتبر دیگر را برایشان به ارمغان آورده بود.

بویل متولد ۱۹۲۴ در نوااسکاتیا در کاناداست. او در جنگ جهانی دوم، سرباز نیروی دریایی سلطنتی بود. پس از جنگ، تمام مدارج علمی تا دکترایش را از دانشگاه مک‌گیل گرفت. تحقیقات او در زمینه لیزر‌های یاقوت و مدارهای مجتمع بود.

در آزمایشگاه بل پیش از کار روی سی‌سی‌دی‌ها، مدتی برای برنامه فضایی آپولو کار می‌کرد. او الان در دوران بازنشستگی، نقش مهمی در سیاست‌گزاری‌های علمی در ایالت نوااسکاتیا بر عهده دارد.

سی‌سی‌دی مخفف عبارت «Charge Coupled Device» به معنی قطعه جفت‌کننده‌بار است و همان قسمتی است که جایگزین فیلم عکاسی در دوربین‌های آنالوگ قدیمی شده است.

این قطعه، یک تراشه (چیپ) حسگر است که شامل آرایه‌ای از اتصالات یا خازن‌های حساس است. بعضی‌ها به شوخی سی‌سی‌دی را قطعه ضبط رنگ (Color Capture Device) هم می‌گویند.

سطح یک سی‌سی‌دی با مجموعه‌ای از سلول‌های نانومتری به رنگ‌های قرمز و آبی و سبز پوشیده شده است. در سی‌سی‌دی‌ها بعد از عبور نور از فیلتر، به یک لایه اکسید در سطح تراشه که روی یک لایه نیمه‌رسانای n قرار گرفته، برخورد می‌کند.

مواد n نیمه‌رساناهایی هستند که الکترون اضافه دارند. در مقابل این مواد، نیمه‌رساناهای نوع p قرار دارد که الکترون کم دارند (اصطلاحاً گفته می‌شود که حفره اضافه دارد.)

از کنار هم قرار گرفتن یک لایه n و p یک دیود درست می‌شود و قرار گرفتن یک لایه p بین دو لایه n یا برعکس هم می‌شود ترانزیستور. تأثیر دیود و ترانزیستور در انقلاب فناوری اطلاعات هم اصلاً جای بحث ندارد.

در سی‌سی‌دی‌ها، در زیر لایه n، لایه p قرار دارد. به این آرایه «MOS‌» می‌گویند. بین آن‌ها یک قطعه ریز فلزی قرار دارد که با برخورد نور، الکترون آزاد می‌شود. به این پدیده می‌‌گویند «اثر فوتوالکتریک» و همان پدیده‌ای است که آلبرت اینشتین به خاطر توضیح آن در سال ۱۹۰۵، برنده نوبل فیزیک ۱۹۲۱ شد.

الکترون‌های آزادشده، جریانی را تولید می‌کنند. این جریان‌ها از همه سلول‌های سطح تراشه جمع می‌شود و مشخص می‌شود که کجای تصویر سبز، کجا آبی و کجای آن قرمز است. از کنار هم قرار گرفتن این‌هاست که تصویر تشکیل می‌شود.

هر چه تعداد این سلول‌ها بیشتر و اندازه آن‌ها کوچک‌تر باشد، کیفیت عکس بالاتر است. مثلاً در یک دوربین دیجیتال ۱۰ مگاپیکسلی، در هر اینچ مربع ۱۰ میلیون عدد از این سلول‌ها قرار دارد که در اثر برخورد نور، تحریک می‌شوند.

به این ترتیب عکس ذخیره می‌شود. البته این‌روزها در دوربین‌های ساده‌تر از تکنولوژی جدید‌تری از آن‌چه که بویل و اسمیت ابداع‌کرده بودند، استفاده می‌شود که CMOS نام دارد. اما در دوربین‌های قوی‌تر به‌خصوص فیلم‌برداری‌های قوی سینمایی، هنوز هم سی‌سی‌دی‌ها برتری قابل توجهی به CMOS دارند.

کائو مشغول کار در آزمایشگاهش در دهه ۱۹۷۰

اما نیمه دیگر جایزه نوبل امسال، به یکی دیگر از مهم‌ترین زیرساخت‌های انقلاب فناوری اطلاعات تعلق گرفت: فیبر نوری.

چالز کایو، مهندس انگلیسی چینی‌تبار که «پدر مخابرات فیبر نوری» خوانده می‌شد، برنده این جایزه شد.

کائو سال ۱۹۳۳ در محله جین‌شان در جنوب شانگهای به‌دنیا آمد. پس از فارغ‌التحصیلی از کالج سنت‌جوزف در هنگ‌کنگ، به انگلستان آمد. لیسانس و دکترای مهندسی برق‌اش را از «امپریال کالج» گرفت و به‌عنوان مهندس برق، وارد بخش تحقیقات شرکت مخابراتی STC شد.

در ابتدای دهه ۱۹۶۰ بعد از اختراع لیزر، ایده ارسال اطلاعات به وسیله فیبر نوری مطرح شده بود.

این ایده بسیار ساده و اصول آن در حد اپتیک دبیرستانی است. ضریب‌ شکست شیشه، بیشتر از هوا است. برای همین اگر رشته‌ای از شیشه داشته باشیم و یک اشعه نور را طوری از مقطع عرضی به داخل آن بتابانیم که درصورت برخورد به بدنه رشته، معکوس سینوس زاویه ورودی، بیشتر از مقدار ضریب‌ شکست شیشه باشد، اشعه تابیده‌شده، بازتابش (کلی) می‌شود و به مسیرش از داخل رشته، ادامه می‌دهد.

به این ترتیب می‌توان با سرعت نور، اطلاعات را انتقال داد. این مقدار، چندین هزار برابر بیشتر از سرعت انتقال اطلاعات از درون سیم مسی است.

اما وقت قرار بود که این ایده عملیاتی شود، یک مشکل بزرگ سر راه بود. این‌که شدت نور در ظول مسیر بسیار افت پیدا می‌کرد و عملاً در مسافت‌های کوتاه می‌شد از فیبر نوری استفاده کرد. به این ترتیب انتقال اطلاعات از این راه، مزیت نسبی‌اش را از دست می‌داد.

از ۱۹۶۶ کائو تحقیقاتش را در زمینه بهبود فیبرهای نوری آغاز کرد. او توانست افت شدت نور در فیبرهای نوری سیلیکونی را از ۱۰۰۰ دسی‌بل در کیلومتر به ۲۰ دسی‌بل در کیلومتر برساند. به این ترتیب فیبرهای نوری، قدرت و کارآیی چندین برابر سیم‌های مسی برای انتقال اطلاعات پیدا کردند.

امروزه فیبرهای نوری می‌توانند چندین هزار مکالمه تلفنی را هم‌زمان با ‌هم انتقال بدهند. کف سرعت انتقال اطلاعات در فیبرهای نوری تجاری، دو گیگابیت در ثانیه است. برای همین این ابزار به یکی از مهم‌ترین زیرساخت‌های زندگی امروزی تبدیل شده است.

جایزه نوبل فیزیک امسال به چهار قسمت مساوی تقسیم خواهد شد. کائو دو قسمت و بویل و اسمیت هر کدام یک قسمت از جایزه را نصیب خود خواهند کرد. مراسم اهدای این جایزه، روز دهم دسامبر امسال در استکهلم و با حضور بسیاری از چهره‌های مشهور جهانی برگزار خواهد شد.