諾貝爾物理學獎與現代信息科技
——從物理發現到科技應用

徐忠揚

0 引言

二十世紀下半葉以來，以“信息化”為主要特征的第三次科技革命對人類社會和生活方式產生了深刻變革。作為當代信息社會的“骨架”，信息科技是管理與處理信息的各種技術的總稱。廣義的信息科技包括信息的獲取、加工、傳輸、存儲、處理、顯示等。狹義上講，現代信息科技則主要是指建立在微電子技術基礎上的計算機和通信技術。例如光通信技術、圖像處理和顯示技術、大容量信息存儲技術、高速計算技術。這些技術不僅豐富了我們的日常生活，提高了社會發展水平，在原子能利用、太空探索、生命科學等前沿研究領域也發揮了重要作用。進一步地深入探討，我們會發現，現代信息科技的發展所依靠的科學基礎涵括了原子物理、量子物理、固體物理、半導體物理、光學、電磁學等諸多領域。可以說現代信息科技是建立在近現代物理學發展的基礎上，所產生的一門從物理發現到科學應用的學科。正是近現代物理學不斷產生的物理新發現催生了新的應用技術，最終為現代信息科技的發展和繁榮奠定了堅實的基礎

諾貝爾獎是由瑞典化學家、發明家阿爾弗雷德·諾貝爾于1895年通過其遺囑設立的獎項。設立時包括物理學獎、化學獎、生理學、醫學獎、文學獎、和平獎六項。自1901年開始頒獎開始，已經延續了120年。得益于評審的嚴謹性、科學性和公正性，諾貝爾獎已經被公認為自然科學領域的最高榮譽。具體到物理學領域，從1901年到2019年，諾貝爾物理學獎共頒發113 項，213 人。根據獲獎成果的性質，可分為為重大科學發現，重要理論突破和重大技術和方法發明三類。縱觀諾貝爾物理學獎的120年歷史，可以發現獲獎成果很好地反映了現代物理學從萌芽到發展，最終到百花齊放的發展脈絡。這其中的不少研究成果都在現代信息科技中得到了廣泛應用，例如1921年的光電效應，1956年的半導體晶體管，2009年的光纖和電荷耦合器件（CCD）等。

本文在《諾貝爾獎與現代信息科技》課程的教學中，通過梳理諾貝爾物理學獎中與現代信息科技密切相關的科研成果，試圖探索從物理發現到科技應用的內在聯系。通過獲獎時間軸的分類歸納，發現這些科研成果明顯地分成三個不同的階段，分別為：基礎物理發現階段、器件原理突破階段，和重大技術應用階段。這一結果一方面體現出技術發展一般需經過新發現、新理論和新技術三個階段，另一方面通過歸納總結方法，讓學生理解基礎科學與應用技術之間的內在聯系。

1 諾貝爾物理學獎與現代信息科技發展的三個階段

回顧歷年諾貝爾物理學獎獲獎成果，與現代信息科技密切相關的獎項共有12 項。采用分類歸納的分析方法，根據獲獎成果的具體內涵和獲獎時間分布，我們可以將這些獎項分為三個不同的階段：

（1）1921- 1937年的基礎物理發現階段，共有5 項獲獎。

（2）1956年- 1973年的器件原理突破階段，共有3 項獲獎。

（3）2000- 2014年的重要技術的應用階段，共有4 項獲獎。具體獲獎名單如表1 所示。這三個階段的獲獎成果反映到現代信息科技的發展，則分別表現為奠定物理基礎、突破關鍵器件、實現信息技術應用三個階段，下文將對這三個階段進行細致梳理。

表1 現代信息科技相關的諾貝爾物理學獎

1.1 奠定現代信息科技的物理基礎

二十世紀初，以量子力學和相對論為代表的現代物理學的爆發，將人類發展帶入了一個嶄新的階段，也為現代科技的繁榮奠定了堅實的物理基礎。現代信息科技中，無論從關鍵器件的角度，如半導體晶體管、激光器、光纖、集成電路等，還是從應用技術角度，如信息的產生、傳輸、存儲和顯示等，其物理基礎大多源自這一時期的重要發現。在諾貝爾物理學獎的獲獎成果中，則集中體現在1921- 1937年間的五項獲獎成果。1921年到1923年諾貝爾物理學獎連續三年授予了光電子相關的成果：1921年授予了愛因斯坦的光電效應理論，該理論解釋了光子產生電子的過程；1922年授予了玻爾的原子結構理論，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的實驗驗證方面的工作獲獎。這三項工作揭示了光子電子之間相互轉化的基本物理規律，是現代光電子技術中最底層的物理基礎。隨后1929年和1933年諾貝爾物理學獎分別授予了德布羅意的物質波理論和薛定諤的薛定諤方程。這兩項物理發現是量子物理中的基石，同時也為現代信息科技中至關重要的半導體器件提供了理論基礎。縱觀這一時期的物理發現，它們對整個現代物理學的發展都起到了重要作用。在其支撐下，物理學各個領域的重要進展集中爆發，尤其是基礎研究方面獲得了長足發展。此后近二十年，諾貝爾物理學獎也多集中在基礎物理領域，信息科技相關的獲獎較少。

1.2 關鍵器件的原理突破

基礎物理奠定后，人類便開始思索如何加以利用。第一步往往是關鍵器件的原理突破。半導體的誕生就是這樣一個過程。在量子力學和固體物理基礎上發展起來半導體物理，為半導體器件奠定了物理基礎。而半導體器件的產生，則直接催生了微電子技術，使得信息科技產生了躍進式的發展。二戰后，以半導體晶體管、激光二極管等為代表的新型器件相繼實現了原理性突破，隨后得到了廣泛應用。諾貝爾物理學獎也在1954到1973年間，對這一系列突破進行了肯定。1954年該獎授予了半導體晶體管效應的相關研究。半導體晶體管顛覆性地改變了電子線路的結構，引發了一場電子領域的“固體革命”。體積龐大的真空電子器件逐漸被以半導體晶體管為代表的半導體電子器件所替代，性能提升的同時，成本、功耗、可靠性等方面均得到了大幅提升，半導體電子工業也獲得了飛速發展。1963年該獎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現革命性地改變了光電子技術，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，同時也為基礎科學研究提供了重要的研究工具。1973年該獎授予了半導體隧道效應和約瑟夫森效應相關的工作。半導體隧穿效應和約瑟夫森效應則分別產生了隧道二極管和約瑟夫森結型器件。前者是一種新穎的半導體器件，因其頻率特性好，使用電路簡單，獲得了廣泛應用。后者是一種量子電子器件，在混沌信號護理和保密通信領域具有重要應用價值。這些關鍵器件的原理突破為新型器件的發展開辟了全新的技術路徑，在隨后的研究中，各種半導體電子、光電子、量子電子器件如雨后春筍般不斷涌現，在此基礎上的也產生了豐富多樣的信息技術，造就了現代信息科技的繁榮景象。

1.3 重大現代信息技術的應用

關鍵器件的原理突破往往可以引發一系列的重大技術發明，而這些技術發明進一步的付諸應用，則可以重塑我們的生活方式。例如：從無線電報到光纖通信，從幕布投影到LED 顯示，從膠卷到數碼相機，從“埃尼阿克”到智能手機等等，這些在日常生活中已經習以為常的信息科技產品，其背后都源于科學家們通過不懈研究，將理論推向了實踐，最終產生了成熟而有效的重大技術發明。當這些應用已經深刻的改變了社會，并產生了重大經濟社會效益后，諾貝爾物理學獎也對他們的貢獻做出了積極的肯定。這也是諾貝爾物理學獎時進入二十一世紀以后的重要轉變，更多具有明確應用價值的重大技術發明獲獎。2000年諾貝爾物理學獎授予半導體異質結和集成電路方面的工作。前者利用不同材料沉積，開發出了性能更優的半導體器件，在高速電子晶體管、激光二極管中得到了大量應用。后者則基于半導體器件集成技術，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了一大步。后續發展出來的超大規模集成電路則是當前消費電子領域中的最底層技術支撐。2007年授予了巨磁阻效應的相關研究，該效應主要應用于信息存儲設備。利用巨磁阻效應制備超高靈敏磁頭，可以讀出較弱的磁信號，引發了磁盤的“大容量、小型化”革命。2009年授予了光纖和半導體成像器件的研究。前者解決了信息的大容量、低損耗、長距離傳輸問題，造就了當今“光纖互聯”的信息社會。后者利用CCD 等半導體成像器件，取代了膠卷等傳統的影像記錄媒質，成為當前主流的成像方式。2014年藍光發光二極管的相關研究獲得了諾貝爾物理學獎，該發明使得LED（發光二極管）的“紅綠藍”三色拼圖得以完整呈現，高亮度、大動態、長壽命LED 顯示屏得到了越來越多的應用。至此，現代信息科技發展的三部曲來到了終章，從最初的基礎物理發現，到隨后的關鍵器件的原理突破，再到最后各種重大技術取得應用，信息社會也隨之建立起來。

2 總結

通過梳理諾貝爾物理學獎的歷史，結合現代信息科技的發展，總結得到如下規律：

1）發展歷程分為三個時期

（1）萌芽期：對應于1921- 1933年間的相關諾貝爾物理學獎，主要體現為重大基礎物理發現，為現代信息科技奠定了物理基礎。

（2）發展期：對應于1954- 1973年間的相關諾貝爾物理學獎，主要體現為關鍵器件的理論突破，為現代信息科技提供了重要的技術支撐。

（3）繁榮期：對應于2000年后的相關諾貝爾物理學獎，主要體現為重大技術的應用。

2）發展脈絡體現出從基礎研究到科技應用的三個階段，分別是：發現新現象，提出新理論，發明新技術。這一發展脈絡也體現在科學研究中的各個領域。研究中往往首先發現無法解釋的“新現象”，隨后理論研究者提出“新理論”進行解釋，最后，通過理論分析進行推廣，總結發展出“新技術”，并最終付諸應用。