李淼眼中的2014诺贝尔物理学奖

作者简介：

李淼，理论物理学家，专业研究领域包括超弦理论、宇宙学和粒子物理，发表英文专著《暗能量》，科普著作《超弦史话》、《越弱越暗越美丽》。有诗歌三百余首，最近开始写作科幻。李淼教授是国家基金委杰出青年基金获得者、中国科学院“**计划”入选者、新世纪百千万人工程入选者。研究量子场论、超弦理论以及宇宙学。在超弦理论中的 研究有一定的国际影响，特别是在两维刘维尔理论、D膜以及黑洞的量子物理等方面。最近致力于研究超弦中的黑洞物理、超弦宇宙学以及暗能量。获南方人物周刊 2011年魅力人物奖。

本文转自：腾讯·大家栏目，以下是原文。

2014年10月7日北京时间下午5:30，我打开电脑，进入诺贝尔奖网站，失望地发现他们的物理学奖发布会视频将通过youtube发布。我不是不能翻墙，问题是翻墙软件效率不好，于是放弃了观看即时视频。

诺贝尔物理学委员会本来预计北京时间下午5:45召开发布会，我耐心地等，5:45刚过，手机端腾讯新闻就跳出一个消息，日本三位物理学家获得今年的诺贝尔物理学奖。腾讯新闻弹出：“日本物理学家赤崎勇（Isamu Akasaki）、天野浩（Hiroshi Amano）和日裔美籍科学家中村修二（Shuji Nakamur）获奖。”

（2014年度诺贝尔物理学奖授予日本名古屋大学的赤崎勇，天野浩以及美国加州大学圣巴巴拉分校的中村修二，以表彰他们在发明一种新型高效节能光源方面的贡献，即蓝色发光二极管(LED)。CFP供图）

看到这些名字，我知道今年的诺贝尔物理学奖颁给了与发明LED有关的科学家。

好吧，很多人会好奇，什么是LED？这个缩写词的原文是light-emitting diode，对应的中文是“发光二极管”。即使我们用中文，很多人照样不明白其意思。这样说也许大家都会明白：LED就是电视遥控器上那个发出红外信号的灯。这种灯既不是传统的白炽灯，也不是现在流行的荧光灯（所谓节能灯也是荧光灯），而是一种半导体做成的灯。

诸位会问，原来是这样的啊，可是电视遥控器我们也用了二十多年了，为什么这么重要的信号发射器现在才获奖？

原因很简单，你用的电视遥控器上的发光二极管，或LED，只发射红外光线，不发可见光，因此用处有限。所以，要弄明白这次诺奖为什么发给三位日本人，我们需要梳理一下LED的发展史。

在梳理LED发展史之前，我先梳理一下我自己的历史。

我与LED没有任何关联。我想说的是，在我小时候，那时我们家还用效率低下的白炽灯的时候，我就读过与LED多多少少有关的物理，这些物理藏在我妈读中专时的一本教科书中，其中提到了场致发光。可以说，LED的发光原理就是一种场致发光：你将电压加在某种半导体做成二极管上，它就发光了。二极管的材料不同发出的光就不同，有的发出红外光，有的发出红光，有的发出黄光，而三位日本人的功劳是发现发出蓝光的二极管。

那，什么是二极管？我们小时候听过半导体收音机的人都知道什么是二极管，经常用零花钱去买。现在的年轻人知道的可能不多了。简言之，就是用半导体制成的一种“结”，在结的两端加上电压，如果是正压就会出现电流，如果是负压就不会出现电流（当然你别加得太多，任何东西都会被足够高的电压击穿）。

二极管的单向导电性的原理很简单，就是因为一端有游离的电子，另一端有游离的电子空穴（这个名字有点儿学术，用离子可能更通俗些）。好了，如果你给二极管加上电压，那么电子向电压高的地方跑，空穴向电压低的地方跑，它们碰到一起就“湮灭”发光。事实是，电子填补了空穴，能量降低了，多余的能量变成光被抛出来了。能量越高，发出的光的波长就越短。也就是说，红外光的能量最小，现在的紫外LED的光能量最高。

物理原理很简单，所以，LED想要获奖，必须有应用，而且必须是重要应用。物理学奖向来如此，要么你发现新的物理学原理，要么你得有重要应用。LED的发光原理简简单单，以至于经过半个世纪的努力才最终获得诺贝尔奖的肯定。

为了做一名事前诸葛亮，我提前一天在微博上“预言”了今年的诺贝尔物理学奖：“明天是诺贝尔物理学奖发布会，我去年就预测今年的物理学奖，我的首选是负折射率材料，即超颖材料，如果这个领域获奖，获奖人当然该是 J. B. Pendry, D. R. Smith, D. Schurig。另一个可能是LED的发明，至于到底奖给谁就很难说了。”

我的预言重点，超颖材料，没有获奖，第二个选项获得了。让我们期待五年后超颖材料获奖吧，那是诺贝尔物理学奖在各领域的又一个循环。超颖材料的应用是一个非常科幻的话题，我期待五年后有机会谈。

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现在可以谈谈LED的历史了。概要如下：

1927年，一向致力于研究半导体的俄国人奥列格·罗塞夫（Oleg Losev）发现第一个LED，但这个发现没有找到任何商业应用。

到了1955年，在美国无线电公司工作的鲁宾·布朗斯坦（Rubin Braunstein）发现砷化镓半导体会发射红外线，可惜他和同伴们玩玩就算了，没有去找商业应用。

又过了六年，1961年，美国人毕亚德和皮特曼（James R. Biard，Gary Pittman）发现，砷化镓在加上电流时会发射红外光，他们注册了专利，次年这项发现就投入应用。同样在次年，第一个可见光LED被发现，发出红光。从红外的波长900纳米到了红光的650纳米。再过十年，也就是1972年，第一个黄光LED被发现，同时，LED的亮度被提高了十倍。

但是，只有红光、黄光和绿光我们无法合成白光，我们还需要蓝光。蓝光的波长比较短，只有450纳米左右。直到上世纪末，具体是1994年，在日本日亚化工工作的中村修二用铟氮化镓制出了亮度很高的蓝光LED。中村修二的成就是建立在赤崎勇和天野浩的成就之上的。

赤崎勇是三位获奖人中年纪最大的，出生于1929年，今年85岁了。他23岁本科毕业于京都大学，35岁才在名古屋大学获得博士学位。上世纪六十年代末，快四十岁的时候，他开始研究基于氮化镓基础上的蓝光LED。80年代，高质量的氮化镓的出现帮助他研究出实用的蓝光LED，此时，他的学生天野浩加入了他的团队。在三人当中，天野浩最年轻，出生于1960年，而中村修二出生于1954年。

在中村修二之后，由于高亮度蓝光LED的出现，很快出现了白光LED。现在，最流行的白光LED并不是三原色LED的组合，而是在蓝光LED上覆盖一层淡黄色荧光粉涂层。

LED与白炽灯相比有几个优点，第一当然是发光效率高，一个白炽灯的电能转化为光能的转化率在10%左右，而LED的效率高达60%，比荧光灯还高。第二个优点是需要的电压很低，几个伏特就行了。第三个优点是寿命长，白炽灯的寿命是一千小时左右，LED寿命高达十万小时（十年以上）。不过，LED目前用在家庭照明上还不多，主要原因是成本太高。

据说，LED效率的提高速度也遵从摩尔定律，也就是说，每过三年就提高一倍。而成本呢？据说每过十年一个流明的成本就降低十倍，而每个LED封装的亮度提高20倍，这个定律叫海兹定律（Haitz's law）。如果这个定律继续成立，到了2020年，LED光源将成为最便宜的光源，假如届时全世界都用上LED，全世界用于照明的耗电将减少一半。

（2014诺贝尔物理学奖得主：日本物理学家赤崎勇（Isamu Akasaki）、天野浩（Hiroshi Amano）和日裔美籍科学家中村修二（Shuji Nakamur）。CFP供图）

仅仅为了节省一半照明用电，三位日本人也该获得诺贝尔物理学奖。

最后，我们引用诺贝尔物理委员会的颁奖理由：因为他们发明了蓝光LED，帮助了更亮和更节能的白光光源的出现。

（原标题：《蓝光将照亮世界》）

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