那些改變世界的諾貝爾獎（上）：物理學獎
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1. 科研不易，成果需要鼓勵，堅持就是勝利；
2. 諾獎給力，前進的推動力，改革的發動機；
3. 見證奇蹟，科研充滿意義，未來我們努力！
自1901年首次頒獎以來，諾貝爾獎以其權威、公正的評審以及無與倫比的影響力，成為最先進的科學理論和技術的代表。科學界從不缺大新聞，諾貝爾獎造八卦最資深，從「炸藥」這樣獨特的起源開始，諾貝爾獎註定成為每年「爆炸」的話題，一年一度的大事件又來了[1]。作為一名物理界的學徒，請允許我狹隘地認為，諾貝爾物理學獎是諸多獎項中，最神秘最吸引眼球的頭條。而實事求是的事實，我想也是如此吧：諾貝爾物理學獎之所以最神秘，是因為讀不懂，物理學家最擅長的是「忽悠」，經常取一些「薛定諤貓」、「暗物質」、「宇宙膨脹」和「上帝粒子」這樣讓人不明覺厲的名字，來推銷他們的想法；諾貝爾物理學獎之所以最吸引眼球，是因為它太美，物理學就是美學，物理學家都是藝術家，物理旨在探索變幻莫測的大千世界背後的自然規律，這本身就是追求美的過程，可以說物理是新奇美、和諧美、統一美的結合。如此一來，讀不懂的內涵加高顏值的外表，諾貝爾物理學獎擁有一眾迷弟迷妹也不難理解了。
但是，諾貝爾物理學獎也並非全是那些看起來不接地氣的「高冷」理論。物理學研究的突破性進展，往往是技術革命背後的驅動力。蒸汽機的發明，開創了工業革命時代，晶體管的出現（1956年諾貝爾物理學獎），促成半導體技術革命，或許不久後回顧2016年獲獎的拓撲技術，我們才意識到我們正經歷另一場人類社會的革新。百年諾貝爾物理學獎，涵蓋了從X射線、量子論、基本粒子到天體物理等等各個領域的突破性成果[2]。縱觀數年來獲獎名單，其中不乏與我們生活息息相關應用型成果。在討論今年是引力波獲獎的天命年之餘，我們也不妨也八卦一下在你心中——那些年，改變世界的諾貝爾物理學獎。
1
透視的眼睛——X射線
1895年，倫琴偶然發現自己妻子的手可以被一種射線成像在底片上，於是將其命名為X射。X射線是一種波長非常短的電磁波，它由質量較重的原子的內層電子躍遷產生，這種射線具有很強的穿透物體的本領，可以用來對一些物體內部結構進行成像。1901年的諾貝爾物理學獎頒發給了德國物理學家威廉.康拉德.倫琴，以表彰他發現了X射線[3]。
X射線是19世紀非常重大的科研成果，利用X射線，人們第一次從實驗上驗證了晶體的周期排列結構，開創了用X射線晶體衍射方法探究微觀物質結構的大門。不同元素的特徵X射線則讓人們獲得了標定元素的標籤，進一步豐富了對元素周期律的認識。在現代醫學上，利用X射線對病人進行骨科成像則成了醫療手段的一大法寶。正是由於X射線的這一系列重要貢獻，使得X射線成為科學史上最重大的發現之一。
X射線衍射裝置
2
精密計量與鎳鋼合金
1920年諾貝爾物理學獎頒給瑞士物理學家紀堯姆，因其發現鎳鋼合金的反常特性，對精密計量物理學作出重大貢獻。為了能夠解決國際度量衡局長期懸而未決的難題，找到一種能夠被製成計量標準的合金，紀堯姆開始了對合金的研究。通過長期而艱苦的試驗，1896年紀堯姆發現一種奇妙的合金，可以在室溫附近很寬的溫度範圍內，獲得很小的甚至接近零的膨脹係數。這種合金的組成是64%的鐵和36%的鎳，中文名叫殷鋼，又稱「不變鋼」[4]。最早紀堯姆將這種合金應用於製造鐘錶，使得鐘錶的校正更準確，價格也比之前更低。
殷鋼在室溫附近的平均熱膨脹係數低於10e-6，主要用來製造標準尺、測溫計、測距儀、光學精密儀器零件等在較寬的氣溫變化範圍內尺寸近於恆定的元件，從此開啟了精密計量儀器的新時代。值得注意的是，紀堯姆是諾獎歷史上首位也是唯一因一項冶金學的成果而獲獎的科學家，千錘百鍊出真金，紀堯姆也被稱為「諾獎級鐘錶工匠」。這勵志的故事也告訴我們，做科學應具有「匠人」精神，不管做多大的事情，堅持，是金子總會發光。
殷鋼高精密時鐘結構圖
3
醫療成像與核磁共振
1944年的諾貝爾物理學獎頒發給了美國物理學家伊西多.艾薩克.拉比，以表彰他發明了核磁共振技術[5]。核磁共振是一種用微波照射原子核使其產生共振的原理和技術。當外加光場頻率與原子核的兩個超精細能級精確吻合時，就會發生核磁共振現象。核磁共振可以精確反應原子核的狀態，並且非常穩定，可以作為一種非常準確的頻率標準。
核磁共振技術在20世紀歷史上有著極為深遠的影響，利用光場與原子分子發生共振的辦法極大地激發了人們對於各種共振現象的研究。拉比的學生拉姆塞提出了分離震蕩場的技術，該技術成為後來的微波基準鐘的標準技術，而原子鐘技術的發展則為現代的GPS導航等提供了技術支持。美國物理學家湯斯隨後也開發出了受激輻射微波放大技術(Maser)[6]，該技術是後來改變世界的激光技術(Laser)的雛形。核磁共振還間接啟發人們發展出利用激光去冷卻原子的辦法，讓人類第一次可以構造極低溫下的微觀量子系統。在醫學上，核磁共振斷層掃描成像也已經成為一種非常重要的醫療手段，可以檢測病人各種身體組織。
核磁共振裝置及震蕩圖像
4
科學手術刀——激光器
1916年，愛因斯坦率先提出受激輻射概念，從而奠定了激光的理論基礎。上世紀50年代，美國物理學家湯斯和蘇聯物理學家巴索夫、普羅霍洛夫先後提出利用原子和分子的受激輻射原理來產生和放大微波的設計。自此，全世界許多實驗室都參與到發明激光器的研製競賽中。1960年，美國物理學家梅曼成功製成了世界上第一台可操作波長為0.6943微米的紅寶石激光器。1964年，諾貝爾物理學獎授予湯斯、巴索夫和普羅霍洛夫，以表彰他們在量子電子學領域的基礎研究成果，為微波激射器、激光器的發明奠定基礎[7]。
激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之後，人類的又一重大發明，被稱為「最快的刀」、「最亮的光」和「最準的尺」，被運用於工業、農業、精密測量和探測、通訊與信息處理、醫療、軍事等各個行業，並在很多領域引起革命性的突破，特別是現代科學的進展，激光成為最強有力的「手術刀」，在其發明之後的50年內，共有13人因與激光相關的工作獲得諾貝爾獎，成為近現代物理學發展史中濃墨重彩的一筆。
多彩的激光世界
5
微觀探秘——顯微技術
1986年的諾貝爾物理學獎一半頒發給德國物理學家恩斯特.魯斯卡，以表彰他在發明電子顯微鏡方面的貢獻，另一半頒發給兩位瑞士物理學家格爾德.賓寧和海因里希.羅雷爾，以表彰他們發明掃描隧穿顯微鏡的貢獻。 電子顯微鏡是一種利用高速電子對微觀物體進行成像的顯微鏡[8]，其解析度非常高(亞微米至納米量級)，最早由恩斯特.魯斯卡於1938年製作完成。掃描隧穿顯微鏡[9]則是一種利用物體表面與探針之間的隧穿電流來對物體進行亞原子尺度成像的顯微鏡，是目前解析度最高的顯微鏡，由格爾德.賓寧和海因里希.羅雷爾於1982年製作完成。
顯微技術的發展為人們探索微觀世界打開了方便之門。由於電子顯微鏡的使用，人們可以看到很多光學顯微鏡看不到的微觀圖像，對固體物理、材料科學、地質礦物學和分子生物學的發展都起到了重要的推動作用。掃描隧穿顯微鏡則讓人們首次看到並操縱單個原子，揭示了一個可見的原子、分子世界，對納米科技發展產生了非常重大的促進作用。
掃描隧穿顯微鏡及單原子成像
6
有序出奇蹟——激光冷卻
自然界的奇妙在於其變幻莫測，就像原子分子時刻處於無規則的運動狀態一樣，而人類掌控世界的慾望從未改變過，這就是研究物理的動機，知悉無序世界背後的自然規律，試圖將無序的混沌狀態變成可控的有序行為，激光冷卻技術就是這樣在微觀原子分子尺度創造奇蹟。激光冷卻利用激光和原子的相互作用減速原子運動以獲得超低溫原子，使快速無規則運動的原子受到阻尼力減速即冷卻下來，形成溫度接近絕對零度的冷原子團。1997年度諾貝爾物理學獎頒發給美國物理學家朱棣文、菲利普斯和法國物理學家科昂·塔努吉，以表彰他們在激光冷卻和捕陷氣體原子研究中所做的突出貢獻[10, 11]。
這項技術的突破，標誌著人類操控世界的能力達到微觀尺度，當原子被降到足夠低的溫度時，將會處於一種新的量子物態，被用於研究玻色-愛因斯坦凝聚、簡併費米氣體、量子測量、量子計算等等，開闢了量子世紀的新紀元。在短短的15年間，基於激光冷卻技術的原子分子光物理領域屢次獲得突破，4次獲得諾貝爾物理學獎的親睞（1997、2001、2005、2012），充分說明激光冷卻技術有多「熱」，我們也有理由相信在未來量子世界中會一直「熱」下去。
磁光阱的裝置及激光冷卻原理示意圖
7
海量存儲——巨磁阻效應
2007年諾貝爾物理學獎頒發給法國科學家阿爾伯特.費爾和德國物理學家皮特. 格林貝格爾，以表彰他們發現了巨磁阻效應。巨磁阻效應是指磁性材料的電阻率在加外磁場後電阻發生巨大變化的現象，由費爾和格林貝格爾於1988年各自獨立發現。巨磁電阻由交替排布的非常薄的鐵磁層和非鐵磁層組成，得益於這種結構，巨磁電阻的阻值對外加磁場的變化非常敏感[12]。
巨磁阻效應一經發現，就被廣泛應用到研製用於硬碟的體積小而靈敏的數據讀出頭。巨磁阻效應使得磁碟的存儲密度得到了極大的提高，現代計算機的硬碟、U盤等大容量存儲器都是基於巨磁阻效應製作而成。巨磁阻效應同時還被廣泛應用於各種位置、角度等感測器測量中，為研製各種新型器件提供了良好的基礎。
巨磁阻效應和硬碟讀寫磁頭
8
新材料之王——石墨烯
石墨烯是由一個原子層厚度的碳原子以組成的呈蜂窩狀分布准二維材料，英國物理學家安德烈。蓋姆和康斯坦丁.諾沃肖諾夫首次通過微機械力剝離法成功從石墨中分離，具有非常大的強度、柔韌性，導熱性能、導電性能、光學性質十分優異，是現今發現的電子遷移率最高的材料，而且具有比半導體更優異的可調控性，因此二人共同獲得2010年諾貝爾物理學獎[13]。作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的新型納米材料，石墨烯被稱為「新材料之王」。
石墨烯的發現在科學界和產業界都有著十分重大的影響，掀起一場席捲全球的新技術新產業革命。在科學上，單層石墨烯的存在刷新了以前人們關於完美二維晶格不可能穩定存在的認識，同時作為一種新型的二維量子系統也獲得了大量的研究。石墨烯還被廣泛應用於電子和光電子、半導體、生物化工等諸多領域，利用石墨烯製作的新型太陽能電池、鋰離子電池、光電器件、集成電路、超級電容器、單分子探測、透明電極、柔性顯示等也在日益改變著我們的社會。
石墨烯和石墨烯器件
9
照亮世界——藍光LED
從遠古時代的火光開始，人類在黑夜中尋找光明的腳步從未停止過，從油燈、白熾燈再到熒光燈，一直追求一種清潔高效的照明光源。20世紀初開始，人們就發現「電致發光」現象——發光二極體（LED），利用電子與空穴在其內複合而發出單色光，具有發光效率高、開關速度高、高可靠性等優點。然而在很長時間內只有紅光到綠光波段的LED，構成白光的紅綠藍三原色獨缺藍光。20世紀90年代，日本物理學家赤崎勇、天野浩和日裔美籍科學家中村修二填補了藍光LED的空缺，這項發明對於照明行業是革命性的，2014年諾貝爾物理學獎授予他們三人，獲獎理由是「發明了高效藍光二極體，帶來了明亮而節能的白色光源」[14]。
藍色LED可以製造白色光源從而改變了照明工業的歷史，白光LED光源節能高效，是綠色環保的理想新光源。目前，科學家們依然致力於降低LED封裝成本，實現LED照明到戶，我們也即將迎來LED光源照亮世界的新時代。此外，採用藍光LED技術的產品也在改變著我們的生活，如LED屏幕、LED背光晶元、藍光高效存儲光碟、藍光光纖通信等等。藍光LED技術的出現，是繼愛迪生髮明白熾燈後，人類歷史上又一次光源技術的革命。
藍光LED實物圖
結語
本期我們重點回顧了那些年改變世界的應用型諾貝爾物理學獎，有的是開創時代的工具，有的是探索未知世界的眼睛，讓我們切實感受到「科技是第一生產力」的力量。創造和發明使人類的能力無限延伸，那些天才的想法刷新我們對世界的認知，那些天才的發明刷新我們生活的體驗，每一項推動人類社會進步的成果都值得獎勵。這個世界還有很多未知和可能，保持好奇心，去八卦，去學習，去探索，努力會加分，就像「引力波」刷爆朋友圈一樣，說不定你潛心研究的領域或者正在八卦的話題，明天就被別人拿諾獎，所以一定要有夢想，萬一被別人實現了呢，至少說明我們努力的方向是對的，與君共勉！
值得一提的是，除上述獎項，其他每一項諾貝爾獎都具有極其重要的意義，否則也配不上諾貝爾獎這一殊榮。本文從應用角度來評析歷史上的諾獎，該觀點也僅代表作者一家之言，也許讀者心中有自己認可的諾獎名單，歡迎在下方給我們留言，我們視留言情況可能專門出一期讀者眼中改變世界的諾貝爾獎。
參考文獻
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作者簡介
審稿：龔夢艷
編輯：馬雨蒙
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