Información para el público Nobel Física 2009 en español

1. Los amos de la luz
El Premio Nobel 2009 En la física honra a tres científicos, que han tenido papeles importantes en
formar la tecnología de la información moderna, con una mitad a Charles Kuen Kao y con Willard
Sterlling Boyle y George Elwood Smith que compartía la otra mitad. Los descubrimientos de Kao
han pavimentado la manera para la tecnología de fibra óptica, que se utiliza hoy para casi toda la
telefonía y de comunicación de datos. Boyle y Smith han inventado un sensor de la imagen digital -
CCD, o el dispositivo acoplado de carga eléctrica - que se ha convertido en hoy un ojo electrónico
en casi todas las áreas de la fotografía.
Cuando el Premio Nobel En la física se anuncia en Estocolmo, una parte grande del mundo recibe
el mensaje casi inmediatamente. Casi a la velocidad de la luz, el más alto de velocidades, el
mensaje se separa en todo el mundo. El texto, las imágenes, el discurso y el vídeo están mezclados
alrededor en fibras ópticas y a través de espacio, y recibidos inmediatamente en dispositivos
pequeños y convenientes. Es algo que mucha gente ha venido ya tomar para concedido. La fibra
óptica ha sido un requisito previo para este desarrollo extremadamente rápido en el campo de
comunicaciones, un desarrollo que Charles Kao predijo hace 40 años atrás.
Apenas algunos años más adelante, Willard Boyle y George Smith alteraron radicalmente las
condiciones para el campo de la fotografía, porque la película se necesita no más en las cámaras
donde las imágenes se pueden capturar electrónicamente con un sensor de la imagen. El ojo
electrónico, el CCD, se convirtió en la primera tecnología verdaderamente acertada para la

2. transferencia digital de imágenes. Abrió la puerta en una corriente diaria de imágenes, que está
llenando encima de los cables de fibra óptica. Solamente la fibra óptica es capaz de transferir tales
granes cantidades de datos que la tecnología de los sensores de la imagen electrónica rinda.
La llegada de la luz
Es vía luz del sol que vemos el mundo. Sin embargo, tardaría un tiempo largo antes de que los
seres humanos adquirieran las habilidades para controlar la luz y para dirigirla en una guía de
onda. De esta manera los mensajes cifrados se podían transmitir a mucha gente simultáneamente.
Este desarrollo requirió las invenciones numerosas, grande y pequeño, que forman las
fundaciones para la sociedad de la información moderna. La fibra óptica requirió tecnología de
cristal moderna para para ser desarrollada y para ser fabricada. Una fuente fiable de luz también
fue necesitada y esto fue proporcionada por tecnología de semiconductor. Finalmente, una red
ingeniosa necesitó ser ensamblada y extendida, consistiendo en los transistores, amplificadores,
interruptores, transmisores y receptores, así como otras unidades, todo el funcionamiento juntos.
La revolución de las telecomunicaciones fue hecha posible por el trabajo de millares de científicos
y de inventores de todos en todo el mundo.
El jugar con la luz
La exposición 1889 de mundo en París celebró el centenario de la Revolución Francesa. La torre
Eiffel era convertirse en uno de los monumentos más bien conocidos de esta exposición. Sin
embargo, un juego notable de luces probó un espectáculo menos memorable. Fue realizado con
las fuentes de agua llenadas de los haces de luz coloridos. Esta demostración fue hecha posible
con electricidad. Una fuente de inspiración también fue proporcionada por tentativas anteriores,
en el medio del siglo XIX, de crear los haces de luz dirigidos por el agua.
Esos ensayos habían demostrado que cuando una viga del agua se expone a la luz del sol, la luz
viaja a través de la viga y sigue su forma que curva. Por supuesto, los efectos de la luz en vidrio o
agua habían sido descubiertos mucho anterior que eso. Hace ya 4 500 años, el vidrio fue fabricado
en Mesopotamia y Egipto. Los amos del vidrio veneciano no habrían podido ser ignorantes del
juego hermoso de la luz que ocurrió en sus decoraciones que remolinaban. El vidrio de corte fue
utilizado en candelabras y lámparas del cristal, y el evasivo el misterio del arco iris desafió la
imaginación de muchos hombres y mujeres mucho antes las leyes de las óptica proporcionaron la
respuesta en el siglo XVII. Sin embargo, era solamente hace aproximadamente 100 años eso que
emergieron estas ideas y la gente intentó hacer uso de haces de luz capturados.
Captura de la luz

3. Un rayo de la luz del sol que baja en el agua dobla cuando golpea la superficie, porque el índice de
refracción supuesto del agua es más alto que el índice de refracción del aire. Si la dirección del haz
luminoso se invierte, viajando del agua en el aire, es posible que no entrará en el aire en absoluto,
y en lugar de otro será reflejado nuevamente dentro del agua. Este fenómeno forma la base para
la tecnología óptica de la guía de onda donde la luz se captura dentro de una fibra con un índice de
refracción más alto que su ambiente circundante. Un rayo de la luz que se dirige en una fibra,
despide contra la pared de cristal y se mueve adelante puesto que el índice de refracción del vidrio
es más alto que el aire circundante (cuadro 2). La profesión médica ha utilizado brevemente y las
fibras ópticas simples desde los años 30. Con un paquete de barras de cristal finas, podían mirar a
escondidas dentro de los estómagos de pacientes o de dientes del punto culminante durante
operaciones. Sin embargo, cuando las fibras se tocaron se escaparon la luz, y también fácilmente
se usaron. La capa de la fibra pelada en un revestimiento de cristal con un índice de refracción más
bajo llevó a las considerables mejoras, que en los años 60 pavimentaron la manera para la
fabricación industrial de los instrumentos para aplicaciones gastroscopicas y las otras médicas.
Para la comunicación interurbana, sin embargo, estas fibras de vidrio eran inútiles. Además, pocos
estaban realmente interesados en luz óptica; éstos eran los días de electrónica y de tecnología de
la radio. En 1956, el primer cable transatlántico fue desplegado, y tenía una capacidad para 36
llamadas de teléfono simultáneas. Pronto los satélites comenzarían a cubrir las necesidades de
comunicación cada vez mayor - telefonía creciente dramáticamente y la emisión por televisión
requirió capacidades siempre más altas de la transferencia. A diferencia de la onda de radio, la luz
infrarroja o visible lleva diez millares más información, así que el potencial de ondas ligeras ópticas
no se podría desatender más de largo.
Luz transmisora
La invención del laser al principio de los años 60 era un paso decisivo adelante para la óptica de
fibras. El laser era una fuente de luz estable que emitió un haz de luz intensivo y altamente
enfocado, y se podría bombear en una fibra óptica fina. Los primeros lasers emitieron la luz
infrarroja y requirieron el enfriamiento. Alrededor 1970 lasers más prácticos fueron desarrollados
que podrían trabajar continuamente en la temperatura ambiente. Ésta era una brecha tecnológica
que facilitó la comunicación óptica. Toda la información se podía ahora cifrar en una luz que
destellaba extremadamente rápida, representando los digitales y los ceros. Sin embargo, cómo

4. tales señales se podrían transmitir sobre distancias más largas todavía no eran sabidas - después
de apenas 20 metros, sólo seguía habiendo el 1 por ciento de la luz que había entrado en la fibra
de vidrio. La reducción de esta pérdida de luz se convirtió en un desafío para un visionario como
Charles Kuen Kao. Llevado en 1933 en Shangai, él se había trasladado a Hong Kong junto con su
familia en 1948. Educado como ingeniero electrónico, él defendió su tesis del Ph.D. - en 1965 en
Londres. Para ese punto lo emplearon ya en los laboratorios estándar de la telecomunicación, en
donde él estudió meticuloso las fibras de vidrio junto con su colega joven George A. Hockham. Su
meta era el ese por lo menos 1 por ciento de la luz que entró una fibra de vidrio permanecería
después de que hubiera viajado 1 kilómetro. En enero de 1966, Kao presentó sus conclusiones. No
era imperfecciones en el hilo de rosca de la fibra que era el mayor problema, en lugar era el vidrio
que tuvo que ser purificado. Él admitió que esto sería factible pero muy difícil. La meta era fabricar
el vidrio de una transparencia que nunca había sido lograda antes. El entusiasmo de Kao inspiró a
otros investigadores que compartieran su visión del potencial futuro de la óptica de fibras. El
vidrio es manufacturado del cuarzo, el mineral más abundante en la tierra. Durante su producción,
diversos añadidos tales como soda y cal se utilizan para simplificar el proceso. Sin embargo, para
producir el vidrio más puro del mundo, Kao precisó ese cuarzo fundido, silicona fundida, podía ser
utilizado. Derrite en casi 2 000 el °C, un calor difícil controlar pero de cuál dibujaría hacia fuera los
hilos de rosca ultrafinos de la fibra. Después de cuatro años, 1971, científicos en los trabajos del
vidrio de Corning en los E.E.U.U., un fabricante de cristal con durante 100 años experimenta,
producido una fibra óptica de 1 kilómetro de largo usando procesos químicos.
Llenado de la luz
Las fibras ultrafinas hechas fuera del vidrio pueden parecer muy frágiles. Sin embargo, cuando el
vidrio está correctamente dibujado hacia fuera en un hilo de rosca largo, sus características
cambian. Llega a ser fuerte, ligero y flexible, cuál es un requisito previo si se va la fibra a ser
enterrada, dibujado debajo del agua o doblado alrededor de esquinas. Desemejante de los cables
de cobre, la fibra de vidrio no es sensible al relámpago, y desemejante de la comunicación por
radio, no es afectada por el mal tiempo. Tomó una parte justa de la hora de arrollar la tierra en
fibra. En 1988, el primer cable óptico fue presentado a lo largo de la parte inferior del Océano
Atlántico entre los Estados Unidos y la Europa. Tenía 6 000 kilómetros de largo. Hoy, teléfono y
flujos de comunicación de datos en una red de óptico fibra de vidrio, la longitud cuyo totales sobre
1 mil millones kilómetros. Si esa cantidad de fibra óptica fuera envuelta alrededor del globo que
atravesaría el mundo más de 25 000 veces - y la cantidad de fibra está aumentando cada hora (la
figura 1).
Inclusive en una fibra de vidrio de la pureza elevada, la señal se reduce levemente a lo largo de la
manera y tiene que ser reforzada cuando se transmite sobre distancias más largas. Esta tarea, que
la electrónica previamente requerida, es realizada hoy por los amplificadores ópticos. Esto ha
traído un extremo a las pérdidas innecesarias que ocurren cuando la luz se transforma a y desde
señales electrónicas. El 95 por ciento de la luz sigue siendo hoy después que es transmitido un
kilómetro completo, un número que se deba comparar a la ambición de Kao del hacer el 1 por

5. ciento dejar después que la misma distancia. Además, no es posible hablar de solamente una sola
clase de fibra. Eligiendo que la fibra utilizar sea conforme a muchas diversas consideraciones
técnicas, comunicación necesidades y costes. Las fibras consisten en una interacción sofisticada
entre el tamaño, las características materiales, y las longitudes de onda de la luz. Los lasers del
semiconductor y los diodos ligeros el tamaño de un grano de la arena llenan redes de fibras
ópticas de la luz que lleva casi todo el teléfono y de comunicación de datos en todo el mundo. La
luz infrarroja con una longitud de onda de 1.55 micrómetros, se utiliza hoy en día para toda la
comunicación interurbana donde están las más bajas las pérdidas. La capacidad de redes de cable
ópticas todavía está creciendo a una velocidad asombrosa - transfiriendo los millares de gigabites
por segundo son no más un sueño. El desarrollo tecnológico está dirigiendo en la dirección de la
comunicación cada vez más interactiva, donde los cables de fibra óptica se diseñan para alcanzar
hasta el final en los hogares de cada uno de nosotros. La tecnología existe ya. ¿Qué hacemos con
él? es una pregunta en conjunto diversa.
Ojo electrónico
Las invenciones aparecen a veces totalmente inesperadas. El sensor de la imagen, el CCD, o el
acoplado de carga eléctrica el dispositivo, es tal invención. Sin el CCD, el desarrollo de cámaras
digitales habría tomado un curso más lento. Sin el CCD no habríamos visto las imágenes
asombrosas del espacio tomadas por el telescopio espacial de Hubble, o las imágenes del desierto
rojo en nuestro planeta vecino Marte .Esto no eran lo que se habían imaginado los inventores del
CCD, de Willard Boyle y de George Smith, cuando comenzaron su trabajo. Un día en septiembre de
1969, contornearon la base de un sensor de la imagen en una pizarra en la oficina de Boyle. En
aquel momento no tenían imágenes fotográficas en mente. Su puntería con el CCD era crear una
mejor memoria electrónica. Como un dispositivo de memoria él ahora se olvida. Sin embargo,
subieron con una parte imprescindible de tecnología de la imagen moderna. El CCD es otro más
caso de éxito de nuestra era electrónica.

6. Las imágenes llegan a ser digitales
Apenas como muchos otros dispositivos en la industria de electrónica, un sensor de la imagen
digital, CCD, se hace fuera del silicio. El tamaño de una estampilla, la placa del silicio sostiene
millones de fotocélulas sensibles a la luz. La técnica de proyección de imagen hace uso del efecto
fotoeléctrico que primero fue teorizado por Albert Einstein y le ganó el Premio Nobel de 1921's. El
efecto ocurre cuando la luz golpea la placa del silicio y elimina electrones en las fotocélulas. Los
electrones liberados se recolectan en las células que se convierten en pequeños pozos para ellas.
Cuanto más grande es la cantidad de luz, más grande es el número de electrones que llenan estos
pozos. Cuando el voltaje se aplica al arsenal del CCD, el contenido de los pozos se puede leer
progresivamente; reme por fila, los electrones deslizan el arsenal sobre una clase de una banda
transportadora (cuadro 3). Tan por ejemplo, un arsenal de 10 x 10 puntos de imagen se
transforma en 100 puntos con cadena larga. De este modo el CCD transforma la imagen óptica en
las señales eléctricas que se traducen posteriormente al digital unos y ceros. Cada célula se puede
entonces reconstruir como punto de imagen, un pixel. Cuando la anchura de un CCD, expresada en
pixeles, se multiplica con su altura, la capacidad de la imagen del sensor se obtiene. Así un CCD
con 1280 x 1024 producciones de los pixeles una capacidad de 1.3 megapixels (1.3 millones de
pixeles). El CCD rinde una imagen en blanco y negro, así que los varios filtros tienen que ser

7. utilizados para obtener los colores de la luz. Una clase de filtro que contenga uno de los colores
bajos rojos, verdes o azules, se pone sobre cada célula en el sensor de la imagen. Debido a la
sensibilidad del ojo humano, el número de pixeles verdes necesita ser dos veces el de los pixeles
azules o rojos. Para una proyección de imagen más avanzada, un número de filtros pueden ser
utilizados.
Desafíos en el trabajo
El hecho de que Boyle y Smith
consiguieran la idea para el
CCD durante su sesión corta
de la reunión de reflexión
hace 40 años se puede atribuir
a la política interna de su
patrón. Su jefe en los
laboratorios de Bell fuera de
Nueva York, alentador les a
adquirir el desafío y para
incorporar una competición en
relación con el desarrollo de
una mejor memoria de
burbuja, otra de las
invenciones de los
laboratorios de Bell. Cuando el
diseño básico para el CCD fue
acabado, tardaría solamente
una semana antes de que los
técnicos montaran el primer
prototipo. Pues una memoria
él es haber olvidado largo, pero el CCD se ha convertido el centro de muchas técnicas de
proyección de imagen digital. Contrataron en los laboratorios de Bell en 1959, y sacó al americano
George Smith 30 patentes durante su tiempo en la compañía. Cuando él se retiró en 1986, él
podría en el último dedicarse completamente a su de siempre pasión - la navegación en los
grandes mares, que le ha traído alrededor del globo muchas veces. Antes de 1969, Willard Boyle
había hecho muchos descubrimientos importantes, por ejemplo en la relación con el desarrollo del
primer laser continuo de la luz roja del mundo. Boyle nació en una parte distante de Nueva Escocia
en Canadá, y era educado en el país por su madre hasta la edad de 15. Él comenzó a trabajar en
los laboratorios de Bell en 1953, y en los años 60 él ensambló 400 000 científicos en los E.E.U.U.
cuyos esfuerzos eran poner al primer hombre en la luna el 20 de julio de 1969.

8. Una cámara fotográfica para cada uno
Las ventajas del sensor de la imagen electrónica se ponían rápidamente de manifiesto. En 1970,
apenas alrededor de un año después de la invención, Smith y Boyle podían demostrar un CCD en
su cámara de vídeo por primera vez. En 1972, la compañía Fairchild del americano construyó el
primer sensor de la imagen con 100 x 100 pixeles, que incorporaron la producción algunos años
más adelante. En 1975, Boyle y Smith ellos mismos construyeron una cámara de vídeo digital de
un suficientemente de alta resolución para manejar difusiones de la televisión. No sería hasta
1981 antes de que la primera cámara con el CCD incorporado apareciera en el mercado. No
soportando sus características abultadas y primitivas, cuando está comparado a las cámaras
contemporáneas, inició una numeración más comercialmente orientada en el campo de la
fotografía. Cinco años más adelante en 1986, el primer sensor de la imagen de 1.4 megapixel (1.4
millones de pixeles) llegó, y un más futuro nueve años encendido en 1995, la primera cámara
fotográfica completamente digital del mundo apareció. Los fabricantes de la cámara en todo el
mundo alcanzados gran popularidad rápidamente, y pronto el mercado fueron inundados con
productos siempre más pequeños y más baratos.
Con las cámaras equipadas de los sensores de la imagen en vez de la película, una era en la historia
de la fotografía había terminado. Había comenzado en 1839 en que Louis Daguerre presentó su
invención de la película fotográfica ante la Academia Francesa de Ciencias. Cuando viene a la
fotografía diaria, las cámaras digitales han resultado ser un éxito comercial. El CCD ha sido
desafiado últimamente por otra tecnología, CMOS, o semiconductor de óxido de metal
complementario; una tecnología que fue inventada en el tiempo casi igual como CCD. Ambos
hacen uso del efecto fotoeléctrico, pero mientras que los electrones recolectaron en una marcha
del CCD en línea para ser leídos, cada fotocélula en un CMOS se lee en sitio. El CMOS consume
menos energía así que las baterías por último más de largo, y también ha sido durante mucho
tiempo más barato. Sin embargo, uno también tiene que considerar sus niveles de ruidos más
altos y la pérdida de calidad de la imagen, y por lo tanto el CMOS no es suficientemente sensible
para muchos usos avanzados. El CMOS es actualmente de uso frecuente para la fotografía diaria
del teléfono celular, y para otras clases de fotografía. Ambas tecnologías, sin embargo, se están
desarrollando constantemente y para muchos usos son permutables. Hace tres años, el CCD
practicó una abertura el límite de 100 megapixels, y aunque la calidad de la imagen sea no sólo
dependiente en el número de pixeles, sobrepasando este límite se ve para haber traído a
fotografía digital otro paso en el futuro. Hay los que predicen que el futuro pertenece al CMOS
algo que al CCD. Todavía otros, mantienen que las dos tecnologías continuarán
complementándose durante mucho tiempo.
Pixeles sensibles a la luz
Inicialmente, nadie predijó que se el CCD se convertiría en algo indispensable en campo de la
astronomía. Sin embargo, es exacto gracias a digital tecnología que la cámara gran-angular en el
telescopio espacial de Hubble puede enviar las imágenes más asombrosas de nuevo a la tierra

9. (cuadro 5). El sensor de la cámara consistió en inicialmente solamente 0.64 megapixels. Sin
embargo, como cuatro sensores fueron interconectados, proporcionaron un total de 2.56
megapixels. Esto era una cosa grande en los años 80 en que el telescopio espacial fue diseñado. El
satélite de Kepler se ha equipado hoy de un sensor del mosaico de 95 megapixels, y la esperanza
es que descubrirá los planetas similares a la Tierra alrededor de las estrellas con excepción del sol.
A principios de, los astrónomos realizaron las ventajas del sensor de la imagen digital. Atraviesa el
espectro ligero entero, de la radiografía al infrarrojo. Es mil veces más sensible que la película
fotográfica. Fuera de 100 partículas ligeras entrantes un CCD alcanza a 90, mientras que una placa
fotográfica o el ojo humano cogerán solamente uno. En algunos segundos, la luz de objetos
distantes se recolecta - un proceso que habría tardado previamente varias horas. El efecto es
también directamente proporcional a la intensidad de la luz - cuanto más grande es la cantidad de
luz, más alto es el número de electrones.
En 1974 el primer sensor de la imagen había sido utilizado ya para tomar las fotografías de la luna -
las primeras imágenes astronómicas que se tomarán con cámaras digitales. Con velocidad del
relámpago, los astrónomos adoptaron esta nueva tecnología; en 1979 las cámaras digitales con
una resolución de 320 x 512 pixeles fueron montadas en uno de los telescopios en el pico de Kitt
en Arizona, USA.Today siempre que se utilice la foto, el vídeo o la televisión, los sensores de la
imagen digital están implicadas generalmente en el proceso. Son útiles para los propósitos de la
vigilancia en la tierra y en espacio. Además, la tecnología del CCD se utiliza en un anfitrión de usos
médicos, e.g. proyección de imagen el interior del cuerpo humano, para los diagnósticos y para las
operaciones quirúrgicas. El sensor de la imagen digital se ha convertido en un instrumento
ampliamente utilizado en el servicio de la ciencia en la parte inferior de los océanos y en espacio.
Puede revelar los detalles finos en objetos muy distantes y en extremadamente pequeños. De esta
manera, las brechas tecnológicas y científicas se entrelazan.
LINKS AND FURTHER READING
More information about this year’s prizes, including a scientific background article in English, is to
be found at the Royal Swedish Academy of Sciences’ website, http://kva.se and at
http://nobelprize.org where you can also see the press conference as web-TV. Further information
about exhibitions and activities concerning the Nobel Prizes is available at www.nobelmuseum.se
Popular science
Smith, G.E. (2009) The invention and early history of the CCD. Nuclear Instruments and Methods in
Physics Research A, 607, p. 1–6.
Janesick, J.R. (2002) Duelling Detectors. SPIE’s oemagazine, February, p. 30-33.
Janesick, J.R. (2001) Scientific Charge-Coupled Devices. SPIE Press Monograph, Vol. PM83.
Hecht, J. (1991) City of Light: The Story of Fiber Optics. Oxford University Press.

10. Su, F. (1990) Technology of our times: people and innovation in optics and optoelectronics. SPIE
Press, p. 80–95.Scientific articles
Kao, C.K. , Hockham, G.A. (1966) Dielectric-fibre Surface Waveguides for Optical Frequencies.
Proceedings of the Institution of Electrical Engineers-London 113, p. 1151.
Boyle, W.S., Smith, G.E. (1970) Charge Couple Semiconductor Devices. Bell System Technical
Journal 49, p. 587.Links
www.fiber-optics.info
www.jyi.org/volumes/volume3/issue1/features/peterson.html