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诺贝尔物理学奖与现代信息科技从物理发现到科
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摘要: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
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获奖原因1921 阿尔伯特·爱因斯坦 光电效应1922 尼尔斯·玻尔 原子结构和氢原子光谱1923 罗伯特·安德鲁·密立根 基本电荷和光电效应1929 路易·德布罗意 电子的波动性年份获奖人1933 埃尔温·薛定谔保罗·狄拉克薛定谔方程狄拉克方程1956威廉·布拉德福德·肖克利约翰·巴丁沃尔特·豪泽·布喇顿半导体晶体管效应1964 查尔斯·汤斯尼古拉·根纳季耶维奇·巴索夫 微波激射器和激光原理1973江崎玲于奈伊瓦尔·贾埃弗布赖恩·戴维·约瑟夫森半导体和超导体隧道效应约瑟夫森效应2000若雷斯·阿尔费罗夫赫伯特·克勒默杰克·基尔比半导体异质结构集成电路2007 艾尔伯·费尔彼得·格林贝格 巨磁阻效应2009高锟威拉德·博伊尔乔治·史密斯光纤半导体成像器件2014赤崎勇天野浩中村修二蓝色发光二极管
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。
文章来源:《现代信息科技》 网址: http://www.xdxxkjzz.cn/qikandaodu/2021/0222/1033.html
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