Nobelpreis für Physik 2009 Licht rein, Licht raus

Der Physiknobelpreis würdigt diesmal technische Raffinesse, die zur Grundlage des Informationszeitalters wurde.

Licht vorne rein, Licht hinten raus, so einfach geht das, Charles Kao sei Dank. Der mit dem Physiknobelpreis geehrte Forscher hat es mit seiner Entdeckung möglich gemacht, Licht über weite Strecken durch ein Glasfaserkabel zu leiten

Gunnar Öquist mag innerlich aufgeatmet haben, als die Entscheidung über den Physiknobelpreis gefallen war. Oft genug muss der Generalsekretär der Schwedischen Akademie der Wissenschaften bei der Verkündung abstrakte Teilchenphysik oder bizarre Quantenphänomene umschreiben, deren Namen die meisten nicht einmal aussprechen können. Dieses Jahr hatte er es leichter.

Öquist und seine Adjutanten brachten zur Pressekonferenz einen Laserpointer und eine Glasfaser mit, die sie quer über den Tisch legten. Licht vorne rein, Licht hinten raus, so einfach geht das, Charles Kao sei Dank. Und als Willard Boyle und George Smith für die Erfindung des CCD-Chips gewürdigt wurden, holte der Kollege rechts auf dem Podium kurz seine Digitalkamera hervor, schraubte das Objektiv ab, und klick – »da hinten befindet sich ein CCD-Chip«.

Tatsächlich werden mit dem diesjährigen Physiknobelpreis zwei Grundlagen des modernen Informationszeitalters gewürdigt. Der gebürtige Chinese Charles Kao entwarf mit der Entwicklung optischer Glasfasern gleichsam die Kanäle des Informationsflusses; Boyle und Smith verdanken wir, dass diese Kanäle heute überlaufen. Kein Medium braucht so viel Kapazität wie die digitalen Filme und Fotos, die dank CCD-Chips heute jeder Urlauber aufnehmen kann.

Die Preise für Kao, Boyle und Smith verraten allerdings nicht nur etwas über unseren Umgang mit Information, sie stehen für mehr: für die aufgehende Sonne der chinesischen Wissenschaft – und für den sinkenden Stern der einst legendären Bell Labs.

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Der Nobelpreis für Smith und Boyle ist nunmehr der siebte für Arbeiten aus den Laboratorien in Murray Hill bei New York. Und mit Kao wird – nach der offiziellen Zählung des Nobelkomitees – zum sechsten Mal ein gebürtiger Chinese ausgezeichnet. Es spricht einiges dafür, dass man von China in Zukunft mehr und von den Bell Labs immer weniger hören wird.

Zwar hat auch Charles Kuen Kao – wie schon vor ihm die chinesischstämmigen Physiker Daniel C. Tsui (Preisträger 1998), Chen Ning Yang und Tsung-Dao Lee (ausgezeichnet 1957) – seine Karriere hauptsächlich im Ausland gemacht. Aber der in Shanghai geborene Forscher hat immer seine Verbindungen zur Heimat gepflegt, von 1987 bis 1996 war er sogar Vizekanzler der Chinesischen Universität in Hongkong.

Das werden Chinas Parteiführer vermutlich groß herausstellen. Schließlich will man künftig nicht nur wirtschaftlich ernst genommen werden, sondern auch wissenschaftlich anknüpfen an die glorreiche Zeit, als das Reich der Mitte mit Erfindungen wie Schießpulver und Kompass Technologieführer war. In diesem Klima der nationalen Anstrengung wird jeder auch nur entfernt chinesisch angehauchte Nobelpreisträger sofort vereinnahmt.

Und Kao ist im Fernen Osten längst ein Star.Als etwa die Zeitschrift Asiaweek 1999 die fünf wichtigsten Asiaten des 20. Jahrhunderts kürte, fiel die Wahl auf Chinas ehemaligen Staatschef Deng Xiaoping, Sony-Chef Akio Morita, den Filmemacher Akira Kurosawa, Mahatma Gandhi – und den Physiker Kao, den »Vater der Glasfaser-Kommunikation«. Mit den Nobel-Ehren, die ihm die Hälfte des Preisgelds von knapp einer Million Euro einbringen, dürfte er endgültig in den chinesischen Götterhimmel erhoben werden. Dass ausgerechnet seine Erfindung die Entwicklung des Internets und der modernen Kommunikationsmittel ermöglichte, die China nun durch raffinierte Zensurmethoden zu kontrollieren sucht, ist eine zusätzliche Pointe dieses Nobelpreises.

Denn erst mit den Lichtleitern, die Kao in den sechziger Jahren im Labor des britischen Telekom-Unternehmens STC entwickelte, wurde die massenhafte elektronische Kommunikation möglich. Ohne Kaos Erfindung würden wir uns vermutlich noch immer Disketten mit Daten zusenden, statt sie einfach per E-Mail zu verschicken.

Über das erste transpazifische Telefonkabel beispielsweise konnten gerade einmal 91 simultane Telefongespräche übertragen werden; über ein modernes Glasfaserkabel, dessen Stränge dünner als ein menschliches Haar sind, können dagegen 1,6 Milliarden Gespräche gleichzeitig laufen.

Kao selbst steht der digitalen Revolution skeptisch gegenüber. Zwar könne man mit Computer und Internet »viele verrückte und wundervolle Dinge« tun, sagte er in einem Interview. »Aber inwieweit wir sie wirklich brauchen, ist noch immer nicht klar.« Ihm ging es Anfang der sechziger Jahre, um eine technische Herausforderung.

In den damals bekannten Glasleitern fiel die Intensität des übertragenen Lichts schon nach wenigen Metern rapide ab. Glas schien völlig ungeeignet zur Kommunikation über größere Distanzen – bis Kao 1966 nachwies, dass der Intensitätsabfall vorwiegend auf die im Glas enthaltenen Unreinheiten zurückzuführen war. Wenige Jahre später, 1970, kamen die ersten kommerziellen Lichtleiter aus hochreinem Quarzglas auf den Markt; die elektronische Revolution konnte beginnen.

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Fast zur selben Zeit gelang auch Willard Boyle und George Smith der Durchbruch. Im Oktober 1969 standen sie vor einer Tafel in Boyles Büro und diskutierten über das Grundprinzip der CCD-Technik. Ursprünglich wollten sie einen Datenspeicher bauen, das war jedenfalls der Auftrag ihres Chefs. Dann jedoch zeigte sich, dass sie gerade die Idee für einen Bildsensor ausgebrütet hatten. »Das Treffen dauerte nicht länger als eine Stunde«, erinnerte sich Smith später, »danach hatten wir die Grundstruktur des CCD-Chips skizziert und auch schon ein paar Ideen für Anwendungen entwickelt.«

Das Prinzip ist einfach: Um die Welt zu digitalisieren, muss man Licht in elektrische Ladungen umwandeln. Das funktioniert mit dem photoelektrischen Effekt, den Albert Einstein 1905 erklärt hatte. Wenn ein Lichtteilchen auf ein leitendes Material trifft, kann es aus diesem geladene Teilchen – Elektronen – herauslösen. Boyle und Smith machten sich diesen Effekt zunutze und entwarfen einen Mikrochip, der aus winzigen metallischen Inseln besteht, den Pixeln, schachbrettförmig angeordnet auf einem Siliziumplättchen.

Je mehr Licht auf ein Pixel fällt, desto mehr elektrische Ladung wird in diesem Pixel erzeugt und – mit ein paar Tricks aus der Halbleiterphysik – gespeichert. So wird aus dem zweidimensionalen gerasterten Bild ein digitales Signal, das sich am Computer verarbeiten lässt. Für Farbbilder muss man die Pixel nur noch mit unterschiedlichen Filtern ausstatten, fertig ist die Digitalfotografie. Kein Film, kein Entwickler, keine Chemie – nur noch geruchlose Elektronik.

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Schon ein Jahr nach ihrem Treffen hatten die beiden Physiker eine erste Videokamera mit einem CCD-Chip entwickelt, fünf Jahre später wurden die ersten Digitalbilder überhaupt mit einer Kamera auf dem Mond aufgenommen. Die schöneren Fotos vom Mond stammten zwar von Neil Armstrongs Hasselblad, aber die musste man eben erst wieder zur Erde bringen, um die Filme zu entwickeln. Analog war schön, digital war praktisch. Mitte der neunziger Jahre kamen die ersten kommerziellen Digitalkameras auf den Markt, der Rest ist Geschichte, siehe Flickr, Facebook und YouTube.

Die Bell Labs selbst haben allerdings seither ihren einstigen Ruf als Mekka der Physik eingebüßt. Noch Mitte der achtziger Jahre arbeiteten dort 20.000 Physiker, Ingenieure, Techniker und Materialwissenschaftler – 1000 von ihnen machten Grundlagenexperimente. Auf den Gängen begegnete man Autoritäten, beim Nachmittagstee diskutierten Nobelpreisträger über Halbleiter und Kristalldefekte. »Das war ein tolles Rezept: Die besten Forscher holen, die man finden kann, und ihnen nicht vorschreiben, was sie tun müssen«, erinnert sich der deutsche Nobelpreisträger Theodor Hänsch an seine Besuche in Murray Hill.

Doch Ende der achtziger Jahre ging es bergab. Bell wurde aufgespalten, die Forschungslabors wurden einer neuen Firma namens Lucent Technologies zugeschlagen. Analysten beklagten die zögerliche Umsetzung von Laborergebnissen, Lucent begann zu sparen. Die besten Forscher verließen die Labors. Nur noch einmal machten die Bell Labs Schlagzeilen in der Wissenschaft: als ihr Mitarbeiter Jan Hendrik Schön, ein Physiker aus Deutschland, einen der größten Fälschungsskandale der Physik auslöste.

Anschließend zog sich Lucent endgültig aus der Grundlagenforschung zurück. 2006 fusionierte die Firma mit Alcatel, im Juli 2008 arbeiteten noch vier Wissenschaftler an grundlegenden physikalischen Fragen, einen Monat später machte Alcatel-Lucent die Abteilung dicht. Der Nobelpreis für Boyle und Smith werde damit der letzte für die Bell Labs sein, prophezeit der dänische Wissenschaftshistoriker Helge Kragh.

Kragh war überrascht, als er am Dienstag von der Wahl des Nobelpreiskomitees erfuhr. Damit würden eher Erfindungen als Entdeckungen ausgezeichnet, sagt der Historiker, und das sei in der Tradition des Nobelpreises ungewöhnlich. Bis auf wenige Ausnahmen wurde der Physikpreis stets für Grundlagenforschung vergeben. »Die Würdigung von Glasfaser und CCD spiegelt die Tatsache wider, dass es in der grundlegenden Physik seit zwei Jahrzehnten kaum Fortschritte gibt«, analysiert Kragh.

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Da ist etwas dran: Schließlich sind die meisten Elementarteilchen entdeckt, die Quantentheorie ist bis ins letzte Detail ausformuliert, und die lang ersehnte Theorie für alles – die Vereinigung von Quanten- und Relativitätstheorie – liegt in weiter Ferne. Nun warten die Physiker der Welt auf Daten des Genfer Teilchenbeschleunigers LHC. Doch der steht seit einer Panne kurz nach dem Start still und soll erst im November wieder angefahren werden.

Der Nobelpreis für CCDs und Glasfaser ist, so gesehen, der ideale Stoff für eine Werbepause.