问题

潘建伟院士说大家的智能手机里面有八项诺贝尔成果,请问有哪八项?

回答
潘建伟院士关于智能手机里蕴含八项诺贝尔成果的说法,确实非常精彩地勾勒出了科技进步的脉络。要详细解读这八项成果,我们需要从手机的底层技术一路拆解到我们日常使用的功能。这些成果并非孤立存在,而是相互交织,共同构成了我们手中这个神奇的设备。

以下是我理解的这八项诺贝尔成果,并尽量详细地阐述它们在智能手机中的应用,同时力求语言自然生动:

1. 晶体管(1956年诺贝尔物理学奖 约翰·巴丁、威廉·肖克莱、沃尔特·布拉顿)

这可能是智能手机中最基础、也最重要的基石。没有晶体管,就没有现代电子设备。

为什么重要? 在晶体管出现之前,电子设备使用的是真空管,体积庞大、耗电高、易发热且寿命短。晶体管是一种半导体器件,能够放大或开关电子信号,而且体积小、功耗低、可靠性高。
在智能手机中的体现: 手机的中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、内存(RAM)、闪存(ROM)等等,都是由数以亿计甚至万亿计的微小晶体管组成的集成电路(IC)。这些晶体管按照预设的逻辑门电路工作,执行着我们发出的每一个指令,从解锁屏幕、运行APP到进行复杂的运算。每一次点击、每一次滑动,背后都是晶体管在高速地切换状态。

2. 集成电路(1962年诺贝尔物理学奖 杰克·基尔比、罗伯特·诺伊斯)

集成电路(IC)将原本需要用导线连接的多个电子元件(如晶体管、电阻、电容)集成在一块小小的半导体芯片上。

为什么重要? 集成电路的出现,极大地提高了电子设备的集成度、性能和可靠性,同时降低了成本和功耗。它使得制造更小、更强大、更便宜的电子产品成为可能。
在智能手机中的体现: 你的手机主板上,那些密密麻麻的芯片,无论是负责运算的CPU,还是存储数据的内存和闪存,都是典型的集成电路。手机的强大功能,如高清拍照、流畅游戏、快速上网,都依赖于这些高度集成的芯片。例如,一颗小小的芯片就能集成数十亿个晶体管,完成复杂的图像处理、信号传输等任务。

3. 激光(1964年诺贝尔物理学奖 查尔斯·汤斯、尼古拉·巴索夫、阿列克谢·阿布里科索夫)

激光(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)是一种能发出高度集中的、单色、相干的光。

为什么重要? 激光具有方向性强、单色性好、亮度高等特点,开辟了许多新的技术领域。
在智能手机中的体现: 尽管我们不直接“看到”激光,但它在手机内部扮演着重要角色。
光学传感器: 许多手机的传感器,如用于面部识别的3D扫描(例如,TOF飞行时间传感器),会发射激光来测量距离。
数据存储: 蓝光光盘(虽然手机不直接用,但激光技术是基础)的读取原理与手机内部某些数据传输和存储技术的理念有相通之处。
屏幕显示: 虽然主流手机屏幕是LED或OLED,但一些高端技术(如激光电视、微投影)的研发也与激光技术息息相关,其潜在应用未来可能会影响手机屏幕技术。
数据传输: 光纤通信是现代高速网络的基础,而激光是光纤通信的关键光源。手机通过基站接入互联网,这些基站之间以及更远的网络节点之间,往往依赖光纤传输,其中就使用了激光。

4. 激光雷达(LiDAR 2018年诺贝尔物理学奖 杰拉德·莫罗、唐娜·斯特里克兰、亚瑟·阿什金)

虽然2018年的诺贝尔奖授予的是“用于精确测量短时物理过程的超快激光脉冲”,这为超快激光技术奠定了基础。而“激光雷达”(LiDAR)正是利用这种超快激光来测量距离和绘制三维地图的技术。

为什么重要? 激光雷达能够精确测量物体表面的距离,并能快速扫描生成高精度的三维环境模型。
在智能手机中的体现: 越来越多的高端智能手机(尤其是iPhone Pro系列)开始配备激光雷达扫描仪。
增强现实(AR): 激光雷达可以快速、准确地扫描周围环境,创建一个详细的三维模型,让AR应用能够更自然、更逼真地与真实世界互动,例如,将虚拟家具摆放在你的房间里,能准确识别地面的形状和大小。
相机对焦和低光拍照: 激光雷达能辅助相机在弱光环境下更快速、更精确地对焦,提高照片的清晰度。
三维建模: 用户可以使用手机扫描物体或场景,生成可用于3D打印或分享的三维模型。

5. 移动通信中的“电磁波的发现与调制解调”(2007年诺贝尔物理学奖 阿尔贝·费尔、彼得·格林伯格)

这个奖项虽然是关于“巨磁阻效应”,但它对存储技术产生了深远影响,间接支持了移动通信设备的存储能力,并且,移动通信本身,尤其是无线电波的利用,与电磁波的发现与应用紧密相连。更直接来说,我们手机使用的无线通信技术,例如4G、5G,都是基于对电磁波的精确控制和调制解调。

为什么重要? 发现电磁波是无线通信的基石,而调制解调技术则是将声音、数据等信息编码到电磁波上进行传输的关键。
在智能手机中的体现:
通话和数据传输: 你的手机能够拨打电话、发送短信、浏览网页、观看视频,这一切都依赖于手机能够发射和接收电磁波,并通过复杂的调制解调技术来传输和接收信息。从2G的GSM到现在的5G,无线通信技术不断进步,传输速度越来越快,连接越来越稳定,都离不开对电磁波的精妙运用。
WiFi和蓝牙: 这些近距离无线通信技术同样基于电磁波的传输原理。

6. 巨磁阻效应(GMR 2007年诺贝尔物理学奖 阿尔贝·费尔、彼得·格林伯格)

这个奖项与第五点有所关联,但更侧重于“磁性”。GMR效应是指在特定材料结构中,当磁性层之间距离极小时,电子的散射行为会受到它们穿越的磁层的磁化方向的影响,从而导致电阻发生显著变化。

为什么重要? GMR效应的发现在硬盘驱动器(HDD)的磁头技术上取得了革命性的突破,极大地提高了数据存储的密度和读写速度。
在智能手机中的体现: 尽管现代智能手机主要使用闪存(SSD),但早期的智能手机、平板电脑,以及手机的配件(如蓝牙耳机)中,可能还会使用微型硬盘。更重要的是,GMR效应的发现,是数据存储技术飞速发展的一个里程碑,为后来更先进的存储技术(如TMR,巨磁电阻效应的进一步发展)铺平了道路。这种对微小物理效应的深刻理解,最终体现在了手机存储能力的提升和数据读写速度的加快上,使得我们能够存储更多的照片、视频和APP。

7. LED 照明(2014年诺贝尔物理学奖 铃木章、根岸英一、赤崎勇)

这项奖项是为了表彰“发明了高效蓝色发光二极管(LED)”。蓝色LED的出现,使得红、绿、蓝三原色LED得以组合,从而制造出全彩LED显示屏。

为什么重要? 高效的LED,特别是蓝色LED,是实现节能、高亮度、长寿命的彩色LED显示屏的关键。
在智能手机中的体现:
屏幕显示: 绝大多数智能手机的屏幕都采用了LED背光技术(LCD屏幕)或OLED技术。OLED屏幕本身就是发光二极管,它们能够独立控制每一个像素的发光,实现纯粹的黑色、高对比度和出色的色彩表现。而LED背光技术,也直接得益于蓝色LED的发明,它们提供了高效、均匀的照明。
指示灯和闪光灯: 手机上的各种LED指示灯(如充电指示、通知指示)和用于拍照的LED闪光灯,也都属于LED照明的范畴。

8. 现代数字通信中的“信息论与编码”和“数学工具”(虽然没有直接指向一个诺贝尔奖,但这是现代通信的基石,可以视为多项成果的综合体现,潘院士可能指的是对这些基础科学的贡献)

如果说前面几项是具体的硬件技术,那么这一项更像是软件和理论的支撑。信息论(克劳德·香农),以及后来发展的各种纠错编码技术,是确保数字信息能够可靠、高效传输的理论基础。

为什么重要? 在充满噪声和干扰的无线信道中,如何将信息准确无误地传输到接收端,是一个巨大的挑战。信息论提供了衡量通信系统性能的理论极限,而纠错编码技术则提供了一套数学方法,在传输过程中加入冗余信息,使得接收端能够检测并纠正错误。
在智能手机中的体现:
通信的可靠性: 每次你打电话、收发消息、下载文件,都伴随着大量的编码和解码过程。即使信号不好,你的手机也能通过内置的纠错算法,最大限度地还原传输过来的数据,保证通信的流畅。
数据压缩: 为了更高效地存储和传输数据(如图片、视频、音频),手机也广泛应用了各种数据压缩算法,这些算法的背后同样是信息论的原理。
加密技术: 保护你的个人信息安全,例如在网上支付或发送隐私信息时,都依赖于加密算法,而这些算法的设计与信息论和数学有着密切的联系。

总结一下,这八项成果在智能手机中的体现,就像一个精密的交响乐团:

晶体管和集成电路是乐团的全体演奏家,是构成整个音乐作品的基本单位。
激光和激光雷达是特殊的乐器,提供了精准的测量和独特的声音(信号),丰富了音乐的表现力。
电磁波的通信技术是音乐的旋律和节奏,让信息得以流动和传递。
巨磁阻效应是乐器(如硬盘磁头)的改良,让音乐的记录和播放更加高效。
LED照明是舞台的灯光,让音乐(屏幕显示)更加绚丽多彩。
信息论和编码则是作曲家和指挥家,他们运用智慧和规则,确保整个乐团能够和谐、准确地演奏出美妙的乐章。

潘建伟院士的这句话,用一种非常生动的方式,让我们看到了科学研究如何从基础理论走向实际应用,最终融入到我们触手可及的科技产品中,这其中的每一步,都凝聚着无数科学家的智慧和汗水。

网友意见

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感觉有7个比较明确的:

1.1956年的诺贝尔物理奖,有关半导体和晶体管,这个算是最基本的奠基性的工作;

2.现在大多数屏幕还是LCD屏,而且很多被动式的OLED屏本质还是靠LCD,这个肯定也算。1991年的诺贝尔物理学奖,颁给有“当代牛顿”之称的皮埃尔-吉勒•德热纳,他以著作《液晶物理学》而闻名。

3.2000年诺贝尔物理学奖颁给了用于高速电子学和光电子学的半导体异质结构。这个在手机中用得很广泛,通信芯片,光源,传感器等零件的基本原理都是半导体异质结。

4.同样是2000年,诺贝尔物理学奖还给了集成电路的发明者杰克•基尔比,这个就不用多说了,就是所谓的芯片。

5.CCD是2009年的诺贝尔物理学奖,我们现在的手机摄像头虽然很多都是CMOS芯片,但某种意义上也算CCD的工艺改良变种,这个肯定算一个。

6.2014年诺贝尔物理学奖给了蓝光LED。手机的相机闪光灯或者说手电筒的光源,就是蓝光LED激发的WLED,屏幕的光源看具体类型,有的是有的不是。

7.2019年诺贝尔化学奖锂离子电池,这个已经是所有便携式电子设备的标配了。

最后一个我也不好说是哪个,有可能是高分子相关,毕竟手机里肯定有塑料。比如1953年和1974年的化学奖,有关高分子及合成的理论基础的;或者是2000年诺贝尔化学奖的导电聚合物,这一块AMOLED肯定用得上。

也有可能是物理学奖这边的,比如普朗克的量子论和爱因斯坦的光电效应解释,算是很多器件根基性的理论。而且现代半导体能带理论是建立在量子力学的基础上的,所以有关量子力学奠基的一系列诺贝尔物理学奖也勉强沾得上边。

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