諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)與現(xiàn)代信息科技
——從物理發(fā)現(xiàn)到科技應(yīng)用

徐忠揚(yáng)

0 引言

二十世紀(jì)下半葉以來，以“信息化”為主要特征的第三次科技革命對人類社會(huì)和生活方式產(chǎn)生了深刻變革。作為當(dāng)代信息社會(huì)的“骨架”，信息科技是管理與處理信息的各種技術(shù)的總稱。廣義的信息科技包括信息的獲取、加工、傳輸、存儲(chǔ)、處理、顯示等。狹義上講，現(xiàn)代信息科技則主要是指建立在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上的計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)。例如光通信技術(shù)、圖像處理和顯示技術(shù)、大容量信息存儲(chǔ)技術(shù)、高速計(jì)算技術(shù)。這些技術(shù)不僅豐富了我們的日常生活，提高了社會(huì)發(fā)展水平，在原子能利用、太空探索、生命科學(xué)等前沿研究領(lǐng)域也發(fā)揮了重要作用。進(jìn)一步地深入探討，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代信息科技的發(fā)展所依靠的科學(xué)基礎(chǔ)涵括了原子物理、量子物理、固體物理、半導(dǎo)體物理、光學(xué)、電磁學(xué)等諸多領(lǐng)域?？梢哉f現(xiàn)代信息科技是建立在近現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，所產(chǎn)生的一門從物理發(fā)現(xiàn)到科學(xué)應(yīng)用的學(xué)科。正是近現(xiàn)代物理學(xué)不斷產(chǎn)生的物理新發(fā)現(xiàn)催生了新的應(yīng)用技術(shù)，最終為現(xiàn)代信息科技的發(fā)展和繁榮奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)

諾貝爾獎(jiǎng)是由瑞典化學(xué)家、發(fā)明家阿爾弗雷德·諾貝爾于1895年通過其遺囑設(shè)立的獎(jiǎng)項(xiàng)。設(shè)立時(shí)包括物理學(xué)獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、文學(xué)獎(jiǎng)、和平獎(jiǎng)六項(xiàng)。自1901年開始頒獎(jiǎng)開始，已經(jīng)延續(xù)了120年。得益于評審的嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性和公正性，諾貝爾獎(jiǎng)已經(jīng)被公認(rèn)為自然科學(xué)領(lǐng)域的最高榮譽(yù)。具體到物理學(xué)領(lǐng)域，從1901年到2019年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)共頒發(fā)113 項(xiàng)，213 人。根據(jù)獲獎(jiǎng)成果的性質(zhì)，可分為為重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，重要理論突破和重大技術(shù)和方法發(fā)明三類?？v觀諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的120年歷史，可以發(fā)現(xiàn)獲獎(jiǎng)成果很好地反映了現(xiàn)代物理學(xué)從萌芽到發(fā)展，最終到百花齊放的發(fā)展脈絡(luò)。這其中的不少研究成果都在現(xiàn)代信息科技中得到了廣泛應(yīng)用，例如1921年的光電效應(yīng)，1956年的半導(dǎo)體晶體管，2009年的光纖和電荷耦合器件（CCD）等。

本文在《諾貝爾獎(jiǎng)與現(xiàn)代信息科技》課程的教學(xué)中，通過梳理諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中與現(xiàn)代信息科技密切相關(guān)的科研成果，試圖探索從物理發(fā)現(xiàn)到科技應(yīng)用的內(nèi)在聯(lián)系。通過獲獎(jiǎng)時(shí)間軸的分類歸納，發(fā)現(xiàn)這些科研成果明顯地分成三個(gè)不同的階段，分別為：基礎(chǔ)物理發(fā)現(xiàn)階段、器件原理突破階段，和重大技術(shù)應(yīng)用階段。這一結(jié)果一方面體現(xiàn)出技術(shù)發(fā)展一般需經(jīng)過新發(fā)現(xiàn)、新理論和新技術(shù)三個(gè)階段，另一方面通過歸納總結(jié)方法，讓學(xué)生理解基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。

1 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)與現(xiàn)代信息科技發(fā)展的三個(gè)階段

回顧歷年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)成果，與現(xiàn)代信息科技密切相關(guān)的獎(jiǎng)項(xiàng)共有12 項(xiàng)。采用分類歸納的分析方法，根據(jù)獲獎(jiǎng)成果的具體內(nèi)涵和獲獎(jiǎng)時(shí)間分布，我們可以將這些獎(jiǎng)項(xiàng)分為三個(gè)不同的階段：

（1）1921- 1937年的基礎(chǔ)物理發(fā)現(xiàn)階段，共有5 項(xiàng)獲獎(jiǎng)。

（2）1956年- 1973年的器件原理突破階段，共有3 項(xiàng)獲獎(jiǎng)。

（3）2000- 2014年的重要技術(shù)的應(yīng)用階段，共有4 項(xiàng)獲獎(jiǎng)。具體獲獎(jiǎng)名單如表1 所示。這三個(gè)階段的獲獎(jiǎng)成果反映到現(xiàn)代信息科技的發(fā)展，則分別表現(xiàn)為奠定物理基礎(chǔ)、突破關(guān)鍵器件、實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)應(yīng)用三個(gè)階段，下文將對這三個(gè)階段進(jìn)行細(xì)致梳理。

表1 現(xiàn)代信息科技相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

1.1 奠定現(xiàn)代信息科技的物理基礎(chǔ)

二十世紀(jì)初，以量子力學(xué)和相對論為代表的現(xiàn)代物理學(xué)的爆發(fā)，將人類發(fā)展帶入了一個(gè)嶄新的階段，也為現(xiàn)代科技的繁榮奠定了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)?，F(xiàn)代信息科技中，無論從關(guān)鍵器件的角度，如半導(dǎo)體晶體管、激光器、光纖、集成電路等，還是從應(yīng)用技術(shù)角度，如信息的產(chǎn)生、傳輸、存儲(chǔ)和顯示等，其物理基礎(chǔ)大多源自這一時(shí)期的重要發(fā)現(xiàn)。在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)成果中，則集中體現(xiàn)在1921- 1937年間的五項(xiàng)獲獎(jiǎng)成果。1921年到1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)連續(xù)三年授予了光電子相關(guān)的成果：1921年授予了愛因斯坦的光電效應(yīng)理論，該理論解釋了光子產(chǎn)生電子的過程；1922年授予了玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論，該理論解釋了原子光譜，即電子到光子的過程；1923年密立根因其在基本電荷測量和光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面的工作獲獎(jiǎng)。這三項(xiàng)工作揭示了光子電子之間相互轉(zhuǎn)化的基本物理規(guī)律，是現(xiàn)代光電子技術(shù)中最底層的物理基礎(chǔ)。隨后1929年和1933年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)分別授予了德布羅意的物質(zhì)波理論和薛定諤的薛定諤方程。這兩項(xiàng)物理發(fā)現(xiàn)是量子物理中的基石，同時(shí)也為現(xiàn)代信息科技中至關(guān)重要的半導(dǎo)體器件提供了理論基礎(chǔ)?？v觀這一時(shí)期的物理發(fā)現(xiàn)，它們對整個(gè)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展都起到了重要作用。在其支撐下，物理學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的重要進(jìn)展集中爆發(fā)，尤其是基礎(chǔ)研究方面獲得了長足發(fā)展。此后近二十年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也多集中在基礎(chǔ)物理領(lǐng)域，信息科技相關(guān)的獲獎(jiǎng)較少。

1.2 關(guān)鍵器件的原理突破

基礎(chǔ)物理奠定后，人類便開始思索如何加以利用。第一步往往是關(guān)鍵器件的原理突破。半導(dǎo)體的誕生就是這樣一個(gè)過程。在量子力學(xué)和固體物理基礎(chǔ)上發(fā)展起來半導(dǎo)體物理，為半導(dǎo)體器件奠定了物理基礎(chǔ)。而半導(dǎo)體器件的產(chǎn)生，則直接催生了微電子技術(shù)，使得信息科技產(chǎn)生了躍進(jìn)式的發(fā)展。二戰(zhàn)后，以半導(dǎo)體晶體管、激光二極管等為代表的新型器件相繼實(shí)現(xiàn)了原理性突破，隨后得到了廣泛應(yīng)用。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也在1954到1973年間，對這一系列突破進(jìn)行了肯定。1954年該獎(jiǎng)授予了半導(dǎo)體晶體管效應(yīng)的相關(guān)研究。半導(dǎo)體晶體管顛覆性地改變了電子線路的結(jié)構(gòu)，引發(fā)了一場電子領(lǐng)域的“固體革命”。體積龐大的真空電子器件逐漸被以半導(dǎo)體晶體管為代表的半導(dǎo)體電子器件所替代，性能提升的同時(shí)，成本、功耗、可靠性等方面均得到了大幅提升，半導(dǎo)體電子工業(yè)也獲得了飛速發(fā)展。1963年該獎(jiǎng)則授予了微波激射器和激光方面的原理突破。微波激射器特別是激光器的發(fā)現(xiàn)革命性地改變了光電子技術(shù)，激光器不僅為高效的信息顯示和長距離光通信提供了一種高亮度、窄線寬、方向性好的光源，同時(shí)也為基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了重要的研究工具。1973年該獎(jiǎng)授予了半導(dǎo)體隧道效應(yīng)和約瑟夫森效應(yīng)相關(guān)的工作。半導(dǎo)體隧穿效應(yīng)和約瑟夫森效應(yīng)則分別產(chǎn)生了隧道二極管和約瑟夫森結(jié)型器件。前者是一種新穎的半導(dǎo)體器件，因其頻率特性好，使用電路簡單，獲得了廣泛應(yīng)用。后者是一種量子電子器件，在混沌信號護(hù)理和保密通信領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。這些關(guān)鍵器件的原理突破為新型器件的發(fā)展開辟了全新的技術(shù)路徑，在隨后的研究中，各種半導(dǎo)體電子、光電子、量子電子器件如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上的也產(chǎn)生了豐富多樣的信息技術(shù)，造就了現(xiàn)代信息科技的繁榮景象。

1.3 重大現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用

關(guān)鍵器件的原理突破往往可以引發(fā)一系列的重大技術(shù)發(fā)明，而這些技術(shù)發(fā)明進(jìn)一步的付諸應(yīng)用，則可以重塑我們的生活方式。例如：從無線電報(bào)到光纖通信，從幕布投影到LED 顯示，從膠卷到數(shù)碼相機(jī)，從“埃尼阿克”到智能手機(jī)等等，這些在日常生活中已經(jīng)習(xí)以為常的信息科技產(chǎn)品，其背后都源于科學(xué)家們通過不懈研究，將理論推向了實(shí)踐，最終產(chǎn)生了成熟而有效的重大技術(shù)發(fā)明。當(dāng)這些應(yīng)用已經(jīng)深刻的改變了社會(huì)，并產(chǎn)生了重大經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益后，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也對他們的貢獻(xiàn)做出了積極的肯定。這也是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)進(jìn)入二十一世紀(jì)以后的重要轉(zhuǎn)變，更多具有明確應(yīng)用價(jià)值的重大技術(shù)發(fā)明獲獎(jiǎng)。2000年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)和集成電路方面的工作。前者利用不同材料沉積，開發(fā)出了性能更優(yōu)的半導(dǎo)體器件，在高速電子晶體管、激光二極管中得到了大量應(yīng)用。后者則基于半導(dǎo)體器件集成技術(shù)，使電子元件向著微型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。后續(xù)發(fā)展出來的超大規(guī)模集成電路則是當(dāng)前消費(fèi)電子領(lǐng)域中的最底層技術(shù)支撐。2007年授予了巨磁阻效應(yīng)的相關(guān)研究，該效應(yīng)主要應(yīng)用于信息存儲(chǔ)設(shè)備。利用巨磁阻效應(yīng)制備超高靈敏磁頭，可以讀出較弱的磁信號，引發(fā)了磁盤的“大容量、小型化”革命。2009年授予了光纖和半導(dǎo)體成像器件的研究。前者解決了信息的大容量、低損耗、長距離傳輸問題，造就了當(dāng)今“光纖互聯(lián)”的信息社會(huì)。后者利用CCD 等半導(dǎo)體成像器件，取代了膠卷等傳統(tǒng)的影像記錄媒質(zhì)，成為當(dāng)前主流的成像方式。2014年藍(lán)光發(fā)光二極管的相關(guān)研究獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，該發(fā)明使得LED（發(fā)光二極管）的“紅綠藍(lán)”三色拼圖得以完整呈現(xiàn)，高亮度、大動(dòng)態(tài)、長壽命LED 顯示屏得到了越來越多的應(yīng)用。至此，現(xiàn)代信息科技發(fā)展的三部曲來到了終章，從最初的基礎(chǔ)物理發(fā)現(xiàn)，到隨后的關(guān)鍵器件的原理突破，再到最后各種重大技術(shù)取得應(yīng)用，信息社會(huì)也隨之建立起來。

2 總結(jié)

通過梳理諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的歷史，結(jié)合現(xiàn)代信息科技的發(fā)展，總結(jié)得到如下規(guī)律：

1）發(fā)展歷程分為三個(gè)時(shí)期

（1）萌芽期：對應(yīng)于1921- 1933年間的相關(guān)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，主要體現(xiàn)為重大基礎(chǔ)物理發(fā)現(xiàn)，為現(xiàn)代信息科技奠定了物理基礎(chǔ)。

（2）發(fā)展期：對應(yīng)于1954- 1973年間的相關(guān)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，主要體現(xiàn)為關(guān)鍵器件的理論突破，為現(xiàn)代信息科技提供了重要的技術(shù)支撐。

（3）繁榮期：對應(yīng)于2000年后的相關(guān)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，主要體現(xiàn)為重大技術(shù)的應(yīng)用。

2）發(fā)展脈絡(luò)體現(xiàn)出從基礎(chǔ)研究到科技應(yīng)用的三個(gè)階段，分別是：發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，提出新理論，發(fā)明新技術(shù)。這一發(fā)展脈絡(luò)也體現(xiàn)在科學(xué)研究中的各個(gè)領(lǐng)域。研究中往往首先發(fā)現(xiàn)無法解釋的“新現(xiàn)象”，隨后理論研究者提出“新理論”進(jìn)行解釋，最后，通過理論分析進(jìn)行推廣，總結(jié)發(fā)展出“新技術(shù)”，并最終付諸應(yīng)用。