本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
粒子物理学和宇宙学是第 66 届林道诺贝尔奖获得者大会上许多青年科学家感兴趣的主要课题，大会邀请了因在宇宙微波背景辐射、中微子质量和宇宙的加速膨胀方面的工作而获得诺贝尔奖的先驱研究人员进行讲座。这些领域体现了物理学作为一门学科的好奇心和基本性质，其纯粹的驱动力是对世界如何运转的好奇。
然而，我们不要忘记物理学中更应用性主题的重要性，例如半导体、光学、医学物理和纳米技术的研究。这些领域的物理学家为技术的突破性发展做出了贡献，这些发展不仅影响着整个社会，而且常常在日常生活中影响着我们每个人的生活。
他们的工作常常游走于科学和工程之间模糊的边界——诺贝尔奖得主天野浩对此非常熟悉。作为曾经难以捉摸的蓝色 LED 的发明者之一，天野浩直接参与了全彩显示器的实现，这些显示器为我们心爱的智能手机增光添彩，以及正在迅速取代白炽灯和荧光灯的节能 LED 照明。
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“首先，我想提一下我不是物理学家——我属于工程系。所以今天，我想强调的不仅是科学的重要性，还有工程的重要性，”天野浩在周一上午的会议诺贝尔奖获得者讲座开幕式上说道。“也许我的领域不是本次会议的主要领域，所以我想提一下少数领域的重要性。”
天野浩在讲座开始时描述了他从小学到高中的糟糕学习成绩。由于在他看来，在日本努力学习的唯一原因是为了考上好的高中或大学，他缺乏足够的动力。一位前教授改变了他的这种心态，他将工程学的目的描述为连接和支持人们的学科。从那一刻起，天野浩毫不费力地找到了努力学习的内在动力。
尽管天野浩在日本名古屋大学工程与计算机科学系担任教授，但他与赤崎勇和中村修二共同获得了2014 年诺贝尔物理学奖，以表彰他们发明了高亮度蓝色发光二极管 (LED)。三十年来，尽管红色和绿色 LED 取得了之前的成功，但商业上可行的蓝色 LED 的创造仍然是研究人员缓慢而艰难的努力。
“不幸的是，1970 年代的所有努力都失败了，”天野浩说，他列举了蓝色 LED 的首选材料氮化镓的晶体生长问题，以及制造 p 型层的问题。“所以许多研究人员放弃了这种材料，开始研究新的材料，例如硒化锌。只有一个人无法放弃这种材料：我的导师，赤崎勇。”
1985 年，赤崎勇和天野浩成功地创建了自己的晶体生长系统，方法是使用低温沉积的氮化铝缓冲层，该缓冲层位于氮化镓和蓝宝石衬底之间。经过一些涉及 p 型层的调整后，两人于 1992 年向世界展示了首个高亮度蓝色 LED。
闪亮的全新蓝色 LED 现在可以与经典的红色和绿色 LED 配对，从而为智能手机、电脑屏幕和电视制作全彩显示器。发出白光的节能且长寿命的灯泡使用蓝色 LED 和黄色荧光粉，并且已经开始取代世界各地的白炽灯和荧光灯照明。到 2020 年，通过将现有的灯具系统更换为 LED，日本的总用电量可能会下降约 7%——节省 1 万亿日元。
在宇宙学和粒子物理学之外，另一个基础物理学领域在于研究奇异且常常是自相矛盾的量子世界。许多量子现象被认为仅存在于理论家的头脑中，因为直接的实验观察会破坏单个量子系统。
然而，诺贝尔奖得主戴维·维恩兰的工作证明并非如此。2012 年，维恩兰和塞尔日·阿罗什因独立发现能够测量和操纵单个粒子而不破坏其量子力学性质的实验方法而共同获得诺贝尔物理学奖。他的研究使得创造出极其精确的原子钟成为可能，其精度比标准使用的铯原子钟高出 100 多倍。
“当然，几个世纪以来，精确时钟的应用之一是导航，今天仍然如此，”维恩兰在周二上午的讲座中说。“我们习以为常的一个系统是 [全球定位系统 (GPS)]。”
来自绕地球运行的卫星的信号传输它们的位置和当前时间，然后由 GPS 接收器接收。鉴于信号以光速传播，多个卫星的时钟与地面上的时钟之间的计算时间延迟可用于精确定位 GPS 接收器在地球表面的位置。
“时钟可能存在误差，例如，如果时钟同步到纳秒，那么就会产生大约 30 厘米的不确定性，”他说。
当今卫星中的标准原子钟使用微波范围内的电子跃迁频率作为周期性事件发生器或频率参考。早期周期性事件发生器的例子包括地球的自转和摆锤的摆动。
作为美国国家标准与技术研究院 (NIST)离子存储组的组长，维恩兰于 1979 年开始致力于制造更好的时钟，当时他开始用原子离子进行实验。该小组通过用电场包围铍离子来捕获它们，并使用调谐激光脉冲将离子置于叠加态，即两种不同能量状态的同时存在。以这种方式捕获的单个离子也可用于创建光学时钟，该时钟基于光跃迁而不是微波跃迁。
光学时钟的精度可以优于 10^17 分之一——这意味着如果您在 140 亿年前的宇宙大爆炸时启动时钟，它只会偏差大约 5 秒。
在讲座结束时，维恩兰描述了使用他的时钟进行小于一厘米尺度的导航。不仅 GPS 计算将变得更加准确，而且这种时钟甚至可以测量地球上相对位置的动态，用于地震预测。
这篇文章最初发表于博客林道诺贝尔奖获得者大会博客，2016 年 6 月 29 日