di Maria Maggi
Tre gli scienziati vincitori del Nobel per la fisica quest'anno. Metà dell'ammontare del premio - 1,4 milioni di dollari - andrà al cinese Charles Kao "per i fondamentali risultati sulla trasmissione della luce su fibra per la comunicazione ottica", e l'altra metà sarà divisa tra Willard Boyle e George Smith "per l'invenzione del circuito a semiconduttore per i sensori Ccd" (charge-coupled device), una tecnologia oggi largamente utilizzata in tutte le apparecchiature di ripresa digitale, che permette di trasformare un impulso luminoso in un segnale elettrico.
Kao è nato nel 1933 e dopo essersi laureato nel 1965 in ingegneria elettronica in Gran Bretagna ha svolto attività di ricerca presso gli Standard Telecommunication Laboratories di Harlow, in Gran Bretagna, e contemporaneamente ha insegnato all'università cinese di Hong Kong.
Boyle, classe 1924, canadese, ha lavorato presso i Bell Laboratories del New Jersey, come anche Smith, nato nel 1930 a White Plains, negli Stati Uniti. La tecnologia Ccd sfrutta l'effetto fotoelettrico teorizzato da Albert Einstein, che per questo ricevette il Nobel nel 1921. Tutti e tre i premiati hanno condotto le loro ricerche in aziende private.
Le due diverse scoperte, in concomitanza, rendono possibile quella che è l'attuale rete di internet. Basti pensare all'infinità di immagini che vi si trovano. Oggi, per esempio, i fotoreporter non debbono più spedire i rollini, ma, dopo aver scattato le foto con macchine digitali, le spediscono all'istante. Tutto questo è possibile grazie alla fibra ottica da una parte e all'invenzione dei sensori Ccd dall'altra.
Quasi non ci rendiamo conto di quanto questi ritrovati siano diventati di uso comune nella vita moderna e di come contemporaneamente abbiano aperto la strada per le comunicazioni del futuro. Il dispositivo Ccd è il cuore delle videocamere e macchine fotografiche digitali, ma anche di fax e scanner. Si tratta di un circuito integrato formato da una griglia di elementi semiconduttori che accumulano una carica elettrica quando vengono colpiti da una radiazione elettromagnetica.
Ma come avviene la cattura dell'immagine? L'occhio umano vede un oggetto solo quando un raggio di luce proveniente dall'oggetto arriva sulla retina e di qui viene trasmesso al cervello. La stessa cosa succede per l'occhio elettronico di macchine video e fotografiche. Quando si preme il pulsante si invia un segnale elettronico che attiva il sensore Ccd.
La luce che passa attraverso l'obiettivo viene concentrata sulla sua superficie di fotodiodi, che appare come un campo di battaglia navale: ciascuna casella è un elemento semiconduttore che viene "colpito" dalla luce e "affondato" da quella particolare lunghezza d'onda (sfumatura di colore) sulla quale è tarato.
Questi raggi luminosi vengono quindi trasformati in impulsi elettrici e inviati al microprocessore dell'apparecchio, perché li interpreti e ricostruisca la matrice dei pixel che compongono l'immagine proiettata sulla superficie del Ccd stesso, e la registri in file digitali. L'immagine, poi, può essere vista nel display e conservata nella memoria interna della macchina e in seguito può essere trasferita su un computer per l'elaborazione o la stampa.
Il primo dispositivo fu ideato nel 1969 nei Bell Laboratories da Boyle e Smith, che l'anno successivo costruirono il prototipo. Qualche anno più tardi, nel 1975, arrivò la prima videocamera con Ccd con una qualità dell'immagine sufficiente per le riprese televisive.
Questi dispositivi vennero presto utilizzati anche per i telescopi e permisero grandi progressi in campi come la microchirurgia e l'esplorazione spaziale. Le sonde Viking che atterrarono su Marte utilizzarono una macchina fotografica a Ccd e inviarono a Terra le prime foto dal suolo del pianeta rosso, ma anche le fantastiche immagini di stelle e galassie catturate dal telescopio spaziale Hubble si basano su questo dispositivo.
Molti conoscono le fibre ottiche solo come elemento decorativo, per esempio in soprammobili lampada in cui molti filini di materiale trasparente disposti a fontana, come un grande mazzo di fiori cadenti, mostrano un puntino luminoso all'estremità libera, a colori vivaci e mutevoli. Forse non sanno, però, che l'utilizzo delle fibre ottiche ormai è indispensabile in moltissimi campi, soprattutto nelle telecomunicazioni. Tramite le fibre ottiche in meno di un secondo possono essere inviati in tutto il mondo immagini, musica, video e testi.
Le fibre ottiche sono state inventate poco più di cinquant'anni fa. In realtà l'idea è molto più antica. Il fatto che la luce viaggiasse dentro conduttori trasparenti era già noto nel 1841, quando un giovane professore di fisica, Daniel Colladon, durante una conferenza di idraulica all'università di Ginevra, mostrò come un getto d'acqua fosse in grado di convogliare la luce. Fu la prima volta che si osservava in modo scientifico il fenomeno della riflessione totale interna.
Il fenomeno della riflessione totale può essere facilmente osservato guardando in immersione attraverso la maschera la superficie dell'acqua quando questa è perfettamente liscia: al di là di una certa distanza dal nostro punto di osservazione tale superficie riflette perfettamente il fondo e ci impedisce di vedere qualunque cosa si trovi fuori dall'acqua.
Nelle fibre ottiche - sottilissimi fili di vetro o materiale plastico - avviene che un raggio di luce, entrato nella fibra da un capo, subisce riflessioni totali sulle pareti e resta intrappolato nel suo interno: in pratica il raggio di luce può seguire così un qualsiasi percorso curvilineo e giungere all'altro capo.
Nel 1953 il fisico indiano Narinder Kapany, che lavorava all'Imperial College di Londra, iniziò gli studi che lo portarono a scoprire il principio della trasmissione della luce nella fibra ottica. Charles Kao, che si era specializzato proprio all'Imperial College, fu in seguito uno dei pionieri della ricerca sulle fibre ottiche, e ottenne risultati di grandissimo rilievo per spiegare la trasmissione della luce al loro interno, ponendo le fondamenta per la comunicazione di dati ad altissima velocità.
Il lavoro di Kao sulle fibre ottiche del 1966 gettò le basi per la creazione, quattro anni dopo, della prima fibra "ultrapura", ponendo di fatto i presupposti per la società della comunicazione attuale.
Anzi, Kao fu il primo a calcolare come si potesse trasmettere un segnale luminoso attraverso una fibra ottica su lunghe distanze - centinaia di chilometri, rispetto alle poche decine di metri raggiungibili negli anni Sessanta - un problema che per anni aveva affaticato i fisici del settore.
Oggi mediante le fibre ottiche tutto il materiale prodotto elettronicamente può attraversare il mondo in una frazione di secondo, senza limiti di quantità o di distanza.
"Il premio Nobel per la Fisica di quest'anno viene assegnato per due scoperte scientifiche che hanno contribuito alla fondazione della moderna società connessa", si legge nel comunicato della Reale Accademia svedese per le Scienze. Queste due invenzioni hanno reso il mondo più piccolo e più accessibile, permettendo all'uomo di comunicare meglio e di più.