诺贝尔奖汇聚一堂：科学如何改变生活
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智能手机，GPS，节能照明，太阳能电池，数码相机…，你能想到吗？ 这些在我们身边最常见的物件，其实都来自于诺贝尔获奖者工作，其实诺贝尔奖并非遥不可及，这些新技术就在我们身边，而且正在不知不觉的改变着我们的生活。
由年轻科学家和诺贝尔奖得主参加的林道诺贝尔奖得主大会，每年都会在德国康斯坦茨湖南部风景如画的小镇林道（Lindau）召开，因此也被称为林道大会。除了科学家和诺贝尔得主之外还有 3000-4000的科学界学子申请参加会议。林道大会创办于1951年，主旨是“教育、鼓励、联络”。诺贝尔物理学奖、化学奖、生理学或医学奖得主每年在此与青年科研人员聚会。
第66届诺贝尔奖得主大会于6月26日开幕，有29名诺奖得主与来自大约80个国家和地区的400多名年轻科研人员参加了会议。会议邀请了35周岁以下的杰出大学生、研究生和博士后参加会议。参会的物理学家因其在宇宙微波背景辐射、中微子质量、以及宇宙加速扩展等方面的突破性工作获得了诺贝尔奖。恰是这些领域使得物理学成为了一个虽基础却又奇妙的学科，使得这个学科的研究者都充满了好奇去探索世界未知的规律。
物理学领域里的应用研究的重要性是不容忽视的，比如，半导体、光学、医用物理学和纳米技术。活跃在这些领域的物理学家们都在技术上取得了突破性的进展，这些技术不仅仅影响了整个社会，也改变着我们每个人的日常生活。
有些科学家们常常感到他们的工作徘徊在科学和技术的模糊边界上，诺贝尔物理学奖获得者日本名古屋大学天野浩也时常有这种感受。作为蓝光LED的发明者之一，天野浩非常了解智能手机的全色显示能带来多么完美的体验，也确信节能LED灯将取代白织灯和荧光灯泡。然而，在天野浩的报告里他这样说，“在这里，我首先想说的是我并不是一个物理学家——我觉得我应该是一个工程师。所以，今天我想强调的不单单是科学的重要性，还有工程的重要性”。他用这句话拉开了林道大会的序幕。“也许我研究的内容不是这次会议的主流，但是我想呼吁一下非主流研究的重要性”。
天野浩的报告开始于他的幼年学习生活，他说他小学到高中学习一直很糟糕。因为在他看来在日本用功学习的唯一原因是上一所好高中或好大学，所以他学习动力不足。然而，一个老教授改变了他的想法，这位教授告诉他工程这个学科能够真正的建立起与民众之间的联系，能为民众提供切实的帮助。从那一刻起，天野浩努力学习的动力被激发了。
尽管天野浩是日本名古屋大学工程与计算机科学系的教授，但是他却因为与赤崎勇、中村修二一起发明了高亮度蓝光发光二极管（LED）而获得了2014年诺贝尔物理学奖。赤崎勇与天野浩是名古屋大学的教授，而中村修二则是日亚化学——德岛市一家的小公司的雇员。他们的发明是革命性的。尽管红光和绿光二极管的发明过程很顺利，但要产生白光，却需要红、蓝、绿三原色同时起作用。原来的二极管因为发光能量太低，所以只能发出红光和绿光，而蓝光意味着需要发出更高能量的光。但是三十年来，发明商业上可用的蓝光二极管进展缓慢，历程艰辛。
“很不走运，所有的努力到上世纪70年代全被证明是徒劳的”，天野浩说，蓝光LED涉及三个技术难题，其一是蓝光LED所选择的材料氮化镓GaN，由于晶体增长问题，很难生长出像镜面一样平坦的高质量GaN薄膜；其二是很难制备出P型氮化镓结构；其三是制备高质量的InGaN薄膜非常困难。 “正因为这些难题，很多很多的研究人员放弃了氮化镓，开始寻找新的材料研究，比如用硒化锌等等。就只有一个人没有放弃这种材料，他就是我的导师——赤崎勇教授”。赤崎勇经过坚持不懈研究，在经历了多次失败后，终于在世界上首次实现氮化镓的PN结，为利用氮化镓材料制造蓝色发光二极管奠定了基础。
1986年，赤崎勇和天野浩首次制成高质量的氮化镓晶体，他们所采用的方法是在蓝宝石衬底上涂上一层氮化铝材料，并在上面生长氮化镓晶体，他们成功地创造出一种晶体生长环境。几年后，他们在创设P层的工作上取得突破。当赤崎勇和天野浩在扫描电镜下观察培养出的氮化镓晶体时，他们无意间注意到在用电镜观察时晶体的发光强度似乎增强了，这说明扫描电镜产生的电子流能够提升P层的效率。到了1992年，他们终于制成世界上第一个高亮度的发蓝光LED 。由此光的三原色终于齐备。
经过中村修二的创新，LED生产商能够将这个华丽的蓝光LED和红、绿LED一起生产三原色（红、绿和蓝）LED，从而使实现1600万色成为可能，使智能手机、电脑和电视的显示屏实现全彩显示。使用蓝光LED和黄色荧光粉制成的高效率、持久型白光灯泡已经开始在全世界范围内替代白织灯和荧光灯泡。白炽灯泡点亮了20世纪，而21世纪将由LED点亮。到2020年，通过将现有的照明系统更换成LED，日本全社会用电量将降低7%——节约1兆日元储备。
另一个物理学的重要领域是量子物理。量子世界是奇妙的，有时候又常常产生自我矛盾。普遍认为很多量子现象只存在于理论学家的思想中，因为直接的实验观察会破坏个体量子系统。
然而，诺贝尔奖获得者David Wineland的研究工作证明了实验的方法可以验证量子理论，他们分别将光子和离子孤立起来，无破坏性的对他们进行测量。2012年，David Wineland和Serge Haroche因独立发现在不破坏量子力学性质的条件下，量度和操纵个体粒子系统的突破性实验方法，而一同获得诺贝尔物理学奖。他们应用激光冷却离子技术，制作出到2012年为止极端精确的原子钟，比较铯原子钟的频率标准还要精确两个数量级。
David Wineland
“毫无疑问，几个世纪以来导航一直是精确时钟的一个用途，即便到了今天也是如此，”，Wineland在林道大会的报告中指出。“所以精确时钟理所应当应用在全球定位系统（ Global Positioning System，GPS）中。
GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟，并由监测站经常校准。卫星发送导航信息，同时也发送精确时间信息。GPS接收机接收此信息，使与自身的时钟同步，就可获得准确的时间。所以，GPS接收机除了能准确定位之外，还可产生精确的时间信息。首先，待测点与卫星之间传输一束电磁波，这束电磁波中含有信号发出的时间信息。由于电磁波的传输速度是光速，因此，通过测量传输的时间间隔，就可以得到该点和卫星之间的距离。当然，仅仅知道传输点到一颗卫星之间的距离还不足以测定待测点的准确位置，但如果我们有四颗同样的卫星，分别处于地球上空不同的位置，以待测点为圆心，该点和卫星之间的距离为半径，画四个圆，这样，通过测定四个圆的交点，就可以准确地测定待测点在地球上的位置了。 “时钟上可能存在误差，举个例子，假如时钟同步到纳秒，则距离的不确定性大约在30厘米左右”。
Wineland是美国国家标准与技术研究所离子储存研究组的团队领导者。他从1979年开始用原子离子做实验，一直致力于研发更加准确的钟。Wineland把单个铍离子囚禁于电磁阱中，离子带电，在由适当几何形状的电极构成的静态交流电磁构成的静态和交流电磁场结合的电磁阱中，离子可以悬浮起来，并与外界环境隔离。Wineland研究组的另一个突破性的贡献是把离子的电子量子叠加态转换为振动叠加态，并再进行相反的转移。离子阱对单个离子的控制和操纵在原子钟上有重要应用。
一个光学钟的精度能高于10的负17次方（30亿年不差1秒），也就意味着假如你在140亿年前大爆炸时期开始让一个时钟计时，到现在它可能只有5秒钟的误差。
在报告结尾，Wineland描述说如果将他的原子钟用于导航，误差会少于1厘米，这不仅使GPS变得更加精确，而且这种时钟可以通过测量地球上相对位置的动态变化来预测地震。
“ 我个人却从来没有期望能获得这个奖项（诺贝尔物理学奖）。我昨晚睡得很香，因为我根本没有期望能拿奖。当有些人拿到诺贝尔奖后开始停止做科研，甚至停止做很多他该去做的事，并且其他方面的事物会缠绕着他很多年，这样他更不能专心工作。但对于我来说，我会像往常一样继续我的研究，认真工作，享受研究。” 英国曼彻斯特大学教授Andrew Geim在获得2010年诺贝尔物理学奖以后说了这样一番话。2004年在曼彻斯特大学的实验室里，Andrew Geim和Kostya Novoselov领导的科研团队成功从石墨中分离出石墨烯，证明石墨烯是可以单独存在的，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。自那时起，石墨烯就一直被视为科技领域的扭转乾坤者。
Andrew Geim
石墨烯的发现过程很有意思，Andrew Geim在一个星期的时间里，成功地把石墨薄片做到了只有10层厚。后来， 他与合作Kostya Novoselov更是最终得到了单层的石墨，也就是石墨烯。得到石墨烯，Andrew Geim用的是最便宜的工具——透明胶带。
Geim用透明胶带粘在石墨的顶层再撕下来，这样就会有碎片脱落，粘在胶带上。当然这时碎片仍然相对较厚。盖姆对折胶带，再粘一次，这样就能得到更薄一些的碎片。然后重复这个过程10到20次，就用这种方法得到了10层厚的石墨薄片。
“石墨烯是一种薄的让你无法想象的材料，拥有最大的表面重量比，一克石墨烯足可以覆盖几个足球场的面积。同时，它是有史以来强度最大的物质，是我们所知道的最坚固的材料。我们知道，它还是拉伸强度最好的晶体” 关于石墨烯，Geim是这样描述的。“之所以它在物理学领域内大受欢迎，是因为首先，它是两维的，是学习基础物理学最佳的维度；第二，是石墨烯有着源自于cC-C键的极牢固的性质；最后一点是它具有金属性”。
作为目前科学界发现的第一个二维晶体，石墨烯是最轻薄且最坚硬的纳米材料，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，其每100纳米距离上可承受的最大压力达到约2.9微牛。这一结果相当于，施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果能制作出厚度相当于塑料包装袋（100纳米）的石墨烯，需要施加约2万牛顿的压力才能将其扯断。它只有一个碳原子的厚度，比人类的头发还要细100万倍。它比钻石坚硬，断裂强度是钢材的200倍。同时它的弹性和延展性也十分出彩，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%，具有优于铜的超导电性。它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
石墨烯优良的弹性和延展性使它成为制造太阳能电池最理想的候选者。目前大多数的太阳能电池都是由硅制成，硅需要高度纯化后再制成晶体并切成薄片，价格一直比较昂贵。相比于硅，石墨烯能够更高效地进行光电转化。硅每吸收一个光子只能产生一个电流电子，而石墨烯能产生多个电子。尽管目前石墨烯应用于太阳能电池领域尚处于理论阶段，但它潜在的可能性是惊人的。石墨烯太阳能电池能实现60%的光电转换率，是目前公认效率最大的晶体硅太阳能电池的两倍。
石墨烯轻薄而坚硬的属性还可以为汽车、飞机生产商提供更优质的生产材料，石墨烯制成的运输工具将大大减低燃油消耗，他还可以将药品传送到人体的特定位置，在治疗脑部疾病方面大有可为；石墨烯薄膜还可以用来过滤海水，提取其中的盐分和其他杂质，净化出可饮用水。石墨烯也推动了医学和天文学的发展，在疾病诊断、人体透视及显微外科等领域都有着广泛用途。
参考原文
http://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/how-nobel-laureates-work-leads-to-new-technology
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