诺贝尔物理学奖与现代信息科技——从物理发现到科技应用

徐忠扬

0 引言

二十世纪下半叶以来，以“信息化”为主要特征的第三次科技革命对人类社会和生活方式产生了深刻变革。作为当代信息社会的“骨架”，信息科技是管理与处理信息的各种技术的总称。广义的信息科技包括信息的获取、加工、传输、存储、处理、显示等。狭义上讲，现代信息科技则主要是指建立在微电子技术基础上的计算机和通信技术。例如光通信技术、图像处理和显示技术、大容量信息存储技术、高速计算技术。这些技术不仅丰富了我们的日常生活，提高了社会发展水平，在原子能利用、太空探索、生命科学等前沿研究领域也发挥了重要作用。进一步地深入探讨，我们会发现，现代信息科技的发展所依靠的科学基础涵括了原子物理、量子物理、固体物理、半导体物理、光学、电磁学等诸多领域。可以说现代信息科技是建立在近现代物理学发展的基础上，所产生的一门从物理发现到科学应用的学科。正是近现代物理学不断产生的物理新发现催生了新的应用技术，最终为现代信息科技的发展和繁荣奠定了坚实的基础

诺贝尔奖是由瑞典化学家、发明家阿尔弗雷德·诺贝尔于1895年通过其遗嘱设立的奖项。设立时包括物理学奖、化学奖、生理学、医学奖、文学奖、和平奖六项。自1901年开始颁奖开始，已经延续了120年。得益于评审的严谨性、科学性和公正性，诺贝尔奖已经被公认为自然科学领域的最高荣誉。具体到物理学领域，从1901年到2019年，诺贝尔物理学奖共颁发113 项，213 人。根据获奖成果的性质，可分为为重大科学发现，重要理论突破和重大技术和方法发明三类。纵观诺贝尔物理学奖的120年历史，可以发现获奖成果很好地反映了现代物理学从萌芽到发展，最终到百花齐放的发展脉络。这其中的不少研究成果都在现代信息科技中得到了广泛应用，例如1921年的光电效应，1956年的半导体晶体管，2009年的光纤和电荷耦合器件（CCD）等。

本文在《诺贝尔奖与现代信息科技》课程的教学中，通过梳理诺贝尔物理学奖中与现代信息科技密切相关的科研成果，试图探索从物理发现到科技应用的内在联系。通过获奖时间轴的分类归纳，发现这些科研成果明显地分成三个不同的阶段，分别为：基础物理发现阶段、器件原理突破阶段，和重大技术应用阶段。这一结果一方面体现出技术发展一般需经过新发现、新理论和新技术三个阶段，另一方面通过归纳总结方法，让学生理解基础科学与应用技术之间的内在联系。

1 诺贝尔物理学奖与现代信息科技发展的三个阶段

回顾历年诺贝尔物理学奖获奖成果，与现代信息科技密切相关的奖项共有12 项。采用分类归纳的分析方法，根据获奖成果的具体内涵和获奖时间分布，我们可以将这些奖项分为三个不同的阶段：

（1）1921- 1937年的基础物理发现阶段，共有5 项获奖。

（2）1956年- 1973年的器件原理突破阶段，共有3 项获奖。

（3）2000- 2014年的重要技术的应用阶段，共有4 项获奖。具体获奖名单如表1 所示。这三个阶段的获奖成果反映到现代信息科技的发展，则分别表现为奠定物理基础、突破关键器件、实现信息技术应用三个阶段，下文将对这三个阶段进行细致梳理。

表1 现代信息科技相关的诺贝尔物理学奖

1.1 奠定现代信息科技的物理基础

二十世纪初，以量子力学和相对论为代表的现代物理学的爆发，将人类发展带入了一个崭新的阶段，也为现代科技的繁荣奠定了坚实的物理基础。现代信息科技中，无论从关键器件的角度，如半导体晶体管、激光器、光纤、集成电路等，还是从应用技术角度，如信息的产生、传输、存储和显示等，其物理基础大多源自这一时期的重要发现。在诺贝尔物理学奖的获奖成果中，则集中体现在1921- 1937年间的五项获奖成果。1921年到1923年诺贝尔物理学奖连续三年授予了光电子相关的成果：1921年授予了爱因斯坦的光电效应理论，该理论解释了光子产生电子的过程；1922年授予了玻尔的原子结构理论，该理论解释了原子光谱，即电子到光子的过程；1923年密立根因其在基本电荷测量和光电效应的实验验证方面的工作获奖。这三项工作揭示了光子电子之间相互转化的基本物理规律，是现代光电子技术中最底层的物理基础。随后1929年和1933年诺贝尔物理学奖分别授予了德布罗意的物质波理论和薛定谔的薛定谔方程。这两项物理发现是量子物理中的基石，同时也为现代信息科技中至关重要的半导体器件提供了理论基础。纵观这一时期的物理发现，它们对整个现代物理学的发展都起到了重要作用。在其支撑下，物理学各个领域的重要进展集中爆发，尤其是基础研究方面获得了长足发展。此后近二十年，诺贝尔物理学奖也多集中在基础物理领域，信息科技相关的获奖较少。

1.2 关键器件的原理突破

基础物理奠定后，人类便开始思索如何加以利用。第一步往往是关键器件的原理突破。半导体的诞生就是这样一个过程。在量子力学和固体物理基础上发展起来半导体物理，为半导体器件奠定了物理基础。而半导体器件的产生，则直接催生了微电子技术，使得信息科技产生了跃进式的发展。二战后，以半导体晶体管、激光二极管等为代表的新型器件相继实现了原理性突破，随后得到了广泛应用。诺贝尔物理学奖也在1954到1973年间，对这一系列突破进行了肯定。1954年该奖授予了半导体晶体管效应的相关研究。半导体晶体管颠覆性地改变了电子线路的结构，引发了一场电子领域的“固体革命”。体积庞大的真空电子器件逐渐被以半导体晶体管为代表的半导体电子器件所替代，性能提升的同时，成本、功耗、可靠性等方面均得到了大幅提升，半导体电子工业也获得了飞速发展。1963年该奖则授予了微波激射器和激光方面的原理突破。微波激射器特别是激光器的发现革命性地改变了光电子技术，激光器不仅为高效的信息显示和长距离光通信提供了一种高亮度、窄线宽、方向性好的光源，同时也为基础科学研究提供了重要的研究工具。1973年该奖授予了半导体隧道效应和约瑟夫森效应相关的工作。半导体隧穿效应和约瑟夫森效应则分别产生了隧道二极管和约瑟夫森结型器件。前者是一种新颖的半导体器件，因其频率特性好，使用电路简单，获得了广泛应用。后者是一种量子电子器件，在混沌信号护理和保密通信领域具有重要应用价值。这些关键器件的原理突破为新型器件的发展开辟了全新的技术路径，在随后的研究中，各种半导体电子、光电子、量子电子器件如雨后春笋般不断涌现，在此基础上的也产生了丰富多样的信息技术，造就了现代信息科技的繁荣景象。

1.3 重大现代信息技术的应用

关键器件的原理突破往往可以引发一系列的重大技术发明，而这些技术发明进一步的付诸应用，则可以重塑我们的生活方式。例如：从无线电报到光纤通信，从幕布投影到LED 显示，从胶卷到数码相机，从“埃尼阿克”到智能手机等等，这些在日常生活中已经习以为常的信息科技产品，其背后都源于科学家们通过不懈研究，将理论推向了实践，最终产生了成熟而有效的重大技术发明。当这些应用已经深刻的改变了社会，并产生了重大经济社会效益后，诺贝尔物理学奖也对他们的贡献做出了积极的肯定。这也是诺贝尔物理学奖时进入二十一世纪以后的重要转变，更多具有明确应用价值的重大技术发明获奖。2000年诺贝尔物理学奖授予半导体异质结和集成电路方面的工作。前者利用不同材料沉积，开发出了性能更优的半导体器件，在高速电子晶体管、激光二极管中得到了大量应用。后者则基于半导体器件集成技术，使电子元件向着微型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。后续发展出来的超大规模集成电路则是当前消费电子领域中的最底层技术支撑。2007年授予了巨磁阻效应的相关研究，该效应主要应用于信息存储设备。利用巨磁阻效应制备超高灵敏磁头，可以读出较弱的磁信号，引发了磁盘的“大容量、小型化”革命。2009年授予了光纤和半导体成像器件的研究。前者解决了信息的大容量、低损耗、长距离传输问题，造就了当今“光纤互联”的信息社会。后者利用CCD 等半导体成像器件，取代了胶卷等传统的影像记录媒质，成为当前主流的成像方式。2014年蓝光发光二极管的相关研究获得了诺贝尔物理学奖，该发明使得LED（发光二极管）的“红绿蓝”三色拼图得以完整呈现，高亮度、大动态、长寿命LED 显示屏得到了越来越多的应用。至此，现代信息科技发展的三部曲来到了终章，从最初的基础物理发现，到随后的关键器件的原理突破，再到最后各种重大技术取得应用，信息社会也随之建立起来。

2 总结

通过梳理诺贝尔物理学奖的历史，结合现代信息科技的发展，总结得到如下规律：

1）发展历程分为三个时期

（1）萌芽期：对应于1921- 1933年间的相关诺贝尔物理学奖，主要体现为重大基础物理发现，为现代信息科技奠定了物理基础。

（2）发展期：对应于1954- 1973年间的相关诺贝尔物理学奖，主要体现为关键器件的理论突破，为现代信息科技提供了重要的技术支撑。

（3）繁荣期：对应于2000年后的相关诺贝尔物理学奖，主要体现为重大技术的应用。

2）发展脉络体现出从基础研究到科技应用的三个阶段，分别是：发现新现象，提出新理论，发明新技术。这一发展脉络也体现在科学研究中的各个领域。研究中往往首先发现无法解释的“新现象”，随后理论研究者提出“新理论”进行解释，最后，通过理论分析进行推广，总结发展出“新技术”，并最终付诸应用。