电影院的3D效果与巨大的讯息储存是怎么形成的？

3D偏光眼镜，3D电影，3D电视与液晶显示，这些科技产品都源自于电磁波里面的偏振光原理，电脑里面存储量巨大的硬盘，你可以随心所欲的储存你所想要的资料、图片与影像，这些让我们得到感观享受与资讯便利的工具都来自一个18与19世纪发展出来的一门科学：电磁学，所以今天老叶要帮大家补补这些在我们便利生活之中的科学基本道理。

◆液晶显示器的基本原理：偏振光Polarized light

▲偏振方向的定义

光是一种“电磁波”，电磁波是由“电场”与“磁场”交互作用而产生的一种“能量”，电磁波的外观可以使用三个互相垂直的座标来表示，如果Y轴为电磁波(光波)前进的方向，则X轴为磁场方向，Z轴为电场方向，如图一(a)所示，磁场沿着X轴方向振动，电场沿着Z轴方向振动，

而造成一个沿着Y轴波动前进的能量，这个波动前进的能量称为“电磁波(Electromagnetic wave)”。

图一电磁波的定义与偏振效应。 

▲偏振光与非偏振光

光波(电磁波)的电场方向我们称为“偏振方向(Polarized direction)”。如果一道光波前进的时候，其电场方向(偏振方向)一直在改变，称为非偏振光(Non polarized light)，如图一(b)所示；如果一道光波前进的时候，其电场方向(偏振方向)固定不变，称为“偏振光(Polarized light)”，如图一(c)与(d)所示。一般我们常见到的光，包括太阳光、日光灯与灯泡等都是非偏振光，因为“非偏振光”与“偏振光”以人类的肉眼观察并没有太大的差异，因此在照明时，使用非偏振光即可；但是在许多光电产品中，必须利用偏振光的某些特性才能制作产品，例如：液晶显示器(LCD)与光通讯元器件等，因此偏振光可以提供我们更多的应用。

▲偏振光的种类

偏振光可以分为“垂直偏振光”与“水平偏振光”两种：

•垂直偏振光(S-polarized或TE)：如果光波是延着水平面(X-Y平面)前进，而光波的电场方向(偏振方向)一直保持与水平面(X-Y平面)垂直的偏振光，称为“垂直偏振光”，如图一(c)所示。垂直偏振光又称为“S-polarized”或“TE(Trans Electric)”，“Trans”中文意思是指“横向垂直”，而“Electric”中文意思是指“电场”，因此“TE”指的就是“垂直电场”，即电场方向垂直的光。

•水平偏振光(P-polarized或TM)：如果光波是延着水平面(X-Y平面)前进，而光波的电场方向(偏振方向)一直保持与水平面(X-Y平面)平行的偏振光，称为“水平偏振光”，如图一(d)所示。水平偏振光又称为“P-polarized”或“TM(Trans Magnetic)”，“Trans”中文意思是指“横向垂直”，而“Magnetic”中文意思是指“磁场”，因此“TM”指的就是“垂直磁场”，即磁场方向垂直(电场方向水平)的光。

▲偏振器与偏光片(Polarizer & Analyzer)

●偏振器与偏光片的原理

能使非偏振光转变为偏振光的组件称为「偏振器(Polarizer)」或「偏光片(Analyzer)」，是使用具有方向性的薄膜材料「聚乙烯醇(PVA：Poly Vinyl Alcohol)」制作，如图二所示，如果薄膜分子排列为垂直方向则形成「垂直偏光片」，如图二(a)所示； 如果薄膜分子排列为水平方向则形成「水平偏光片」，如图二(b)所示，不过比较图二(a)与(b)不难发现，其实垂直偏光片与水平偏光片恰好相差90°，如果直接用手将垂直偏光片旋转90°就会变成水平偏光片，所以这两种偏光片的制作方式完全相同，只是角度不同而已。

图二偏光片的原理示意图。

•垂直偏光片：当一道非偏振光通过「垂直偏光片」，则只有「电场垂直的光」可以通过，其他电场方向(偏振方向)的光会被垂直偏光片阻档而无法通过，如图二(a)所示。

•水平偏光片：同理，当一道非偏振光通过「水平偏光片」，则只有「电场水平的光」可以通过，其他电场方向(偏振方向)的光会被水平偏光片阻档而无法通过，如图二(b)所示。

我们就是利用这种阻档的方式使「非偏振光」变成「垂直偏振光」或「水平偏振光」，但是，由于使用阻档的方式，大部分的光会被阻档在偏光片前面，当然会使得穿透光的强度减弱，液晶显示器(LCD)就是利用这种原理制作，所以光源的利用效率很低，因为大部分的光都被阻档在偏光片前面，而没有真正进到我们的眼睛里。

●偏振器与偏光片的应用

大家可能会好奇，“偏振光”与“非偏振光”用人类的眼睛看起来有什么不同？那“垂直偏振光”与“水平偏振光”用人类的眼睛看起来又有什么不同？答案是：完全相同，换句话说，人类的眼睛基本上是无法直接分辨出偏振光与非偏振光的差别，也无法直接分辨出垂直偏振光与水平偏振光的差别，但是当偏振光或非偏振光照射到物体表面反射回来时，人类的眼睛感受会有些许差异，例如：一般的台灯是使用传统的灯管，属于「非偏振光」，当它照射到书本再反射到我们的眼睛时会让人觉得头晕目眩，也许这只是借口，对于书本头痛的人，真正让他们头晕目眩的是书本的内容而不是台灯！

市面上某公司有一种标榜具有防炫功能的枱灯，就是在传统的灯管前面加装一片特别的塑料片，其实使用「偏光片」就可达到一定的防炫效果，将传统的灯管发出的非偏振光转变为「偏振光」，当它以某一个角度照射到书本再反射到我们的眼睛时就不会让人觉得头晕目眩了。

最后介绍电影院的3D电影如何利用偏振光与3D偏光眼镜的原理,3D的效果主要是通过偏光片和偏光眼镜来形成3D，电影院或者投影方面都是用双投影，每个投影投出一个画面，把两个画面重合起来，在投影机镜头前隔一层偏光片，所谓偏光片就是有方向的一种玻璃片，两个镜片当方向相同时，画面会穿过两层偏光片，而方向垂直时，则是全黑，能阻挡住画面。所以两个投影机前的偏光片是垂直放置，而偏光眼镜的镜片也是垂直的两个偏光片，这样，就能让你的左眼看到一个投影的左画面而看不到右画面，而让右眼看到另一个投影的右画面而看不到左画面，这样就在大脑里可以形成3D。

电视也类似，但是他是1080P的分辨率的屏幕分成两半，单数像素的为左眼看到的画面，双数像素为右眼看到的画面。因此，偏光的不同是偏光电视的分辨率是减半的，只能达到标清的540P的画面。

◆磁储存器的基本原理：磁矩与磁场(Magnetic dipole)

▲磁铁与磁矩

磁铁同时具有N极与S极，科学家们想象在磁铁内部有无数的「小磁铁」，每个小磁铁都同时具有N极与S极，如图三(a)所示，这样的小磁铁称为「磁矩(Magnetic dipole)」。当磁铁内部的磁矩排列得很整齐时，所有磁矩的N极向上，才会造成整块磁铁的N极向上。

为了简化图形的复杂度，我们通常以一个箭号来代表磁矩，箭头的方向定义为磁矩的N极，如图三(b)所示，具有磁矩的材料称为「磁性材料(Magnetic materials)」。

图三磁铁与磁矩。

▲磁化方向与磁场方向

「磁化方向」的定义为在「磁铁内部」由S极指向N极的方向；「磁场方向」的定义为在「磁铁外部」由N极指向S极的方向，如图三(c)所示。磁场强度的单位为「高斯(Gauss)」，地球的磁场强度约为400~600mG(毫高斯)，医疗用核磁共振仪的磁场强度约为5000~25000G(高斯)，表一列出几种家电用品的磁场强度参考值，国际幅射保护协会(IRPA：International Radiation Protection Association)建议磁场强度安全值，「一般民众」一整天不得照射超过1000mG的磁场，数小时之内不得照射超过10000mG的磁场；「职业人员」一整天不得照射超过5000mG的磁场，数小时之内不得照射超过50000mG的磁场。

表一不同的家电用品在不同的距离内所量测到的磁场强度比较表。

▲磁性材料的种类

磁性材料(Magnetic materials)

「磁性材料(Magnetic materials)」主要可以分为永久磁铁、感应磁铁与磁性金属等三种，分别可以应用在不同的地方，一般而言，永久磁铁大多应用在马达，感应磁铁大多应用在各种储存组件，磁性金属则大多应用在各种电磁铁，三种磁性材料的定义如下：

●永久磁铁(一直会吸引别人的磁铁)

磁性材料的磁矩排列得很整齐，所有磁矩的N极向上，造成磁铁的磁性「永久固定」为N极向上，故称为「永久磁铁」，如图三所示。永久磁铁最简单的想法就是「一直会吸引别人的磁铁」，也就是我们小时候常常在玩的磁铁。通常永久磁铁在长时间使用以后，磁矩难免受到外界环境的影响而变得比较不整齐，因此必须外加一个强磁场对永久磁铁进行「充磁」，使磁矩恢复原来整齐的排列。永久磁铁通常都是元素周期表上B族元素(金属元素)的化合物，又称为「合金(Alloy)」，例如：铁化铽合金(TbFe)、钴化钆合金(GdCo)、镍化镝合金(DyNi)、钕铁硼合金(NdFeB)等。

●感应磁铁(暂时会吸引别人的磁铁)

磁性材料的磁矩原本排列得很混乱，使得磁矩的N极与S极互相抵消而不具磁性，如图四(a)所示；当其他具有磁性的永久磁铁靠近时，会使磁矩排列变得很整齐而产生磁性，如图四(b)所示，故称为「感应磁铁」；当其他具有磁性的永久磁铁远离时，磁矩仍然保持整齐的状态，仍然具有磁性，如图四(c)所示。

感应磁铁通常都是元素周期表上B族元素(金属元素)的化合物，例如：钴镍铬合金(Co-Ni-Cr)、钴铬钽合金(Co-Cr-Ta)、钴铬铂合金(Co-Cr-Pt)、钴铬铂硼合金(Co-Cr-Pt-B)等。

图四感应磁铁的原理。

「感应磁铁」与「永久磁铁」最大的不同在于，感应磁铁的磁化方向很容易因为其他具有磁性的永久磁铁靠近而改变，所以我们利用这种材料来制作需要改变磁化方向的科技产品，例如：以前的软盘(Floppy disk)、硬盘(Hard disk)、非挥发性的磁性随机存储器(MRAM)等；而永久磁铁的磁化方向不容易改变，所以只能用来制作需要固定磁场方向的产品。

●磁性金属(会被别人吸引的金属)

磁性材料的磁矩原本排列得很混乱，使得磁矩的N极与S极互相抵消而不具磁性，如图五(a)所示；当其他具有磁性的永久磁铁靠近时，会使磁矩排列变得很整齐而产生磁性，如图五(b)所示，因为「异性相吸」永久磁铁会贴在冰箱的门上；当其他具有磁性的永久磁铁远离时，会使磁矩变回原先混乱的状态，使得磁矩的N极与S极互相抵消而不具磁性，如图五(c)所示。磁性金属通常都是元素周期表上的B族元素，例如：铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)等，其实就是一般我们看到的「会被别人吸引的金属」。

图五磁性金属的原理。

大家都知道，并不是所有的金属都会被永久磁铁吸引，其实大部分的金属都不会被永久磁铁吸引，只有少数金属，例如：铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)会被永久磁铁吸引，换句话说，只有少数的金属属于「磁性材料」，大部分的金属都是「非磁性材料」，而塑料、陶瓷、半导体也都是非磁性材料，科学家的解释是：具有磁矩的材料才是「磁性材料」；没有磁矩的材料就是「非磁性材料」，至于为什么这么多的金属，唯独铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)等少数金属具有磁矩，几乎在20世纪初期以前没有人可以解释这个现象，甚至过去大家以为它对人体有什么特殊的治疗效果，所以磁铁现象的问题是量子力学所要解决的重要问题之一。

1925年，荷兰科学家乔治·乌伦贝克（G.E.Uhlenbeck）进行原子光谱的研究发现两种看起来相同的电子，事实上是有两种不同的状态，而这两种不同的状态就像磁铁的N极与S极一样，方向并不相同。在电磁学里，我们知道电流流动会产生与磁铁相同的作用，所以他猜想或许是带电的电子自转，产生电流，才会变成磁铁。他下结论“自旋不同的两种状态”就像往右的自转与往左的自转。但是英国科学家狄拉克的相对论量子力学否定了把自旋当成是电子自转的模型，自旋仅仅代表电子状态的相对物理量，可是自旋引发磁铁性质是正确无误的。

如图六（a）所示，自旋有两种，上自旋状态与下自旋状态。自旋产生的磁铁也有最小单位，它的强度呈不连续变化，此最小单位被称为波尔磁子（Bohr magneton），强度非常小，约是平常用磁铁的1/20,000,000,000,000,000,000,000,000！科学符号读成2乘以10的25次方之一，所以感觉身边磁铁的强度呈连续变化并不奇怪。

图六 电子自旋示意图。

所有的物质都是由原子组成，原子又含自旋状态不同的电子，因此我们可能认为所有的物质都可以是磁铁。但是大部分的时候，物质中的电子自旋会互相抵消，如图六（b）所示，并不会显出磁性。只有铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)等几种元素有强磁性，主要原因是这些元素在形成结晶之际，上自旋与下自旋的电子数目在相差甚多的情形下仍能稳定存在，如图六（c）所示，可以变成强磁铁。磁铁是日常生活中少数可以见到量子力学效应的实例，也是今日信息社会不可或缺的物质，后面将会介绍这种现象的最佳应用：磁储存。

▲磁性材料的磁化(Magnetize)

磁化的定义

「磁化(Magnetize)」是使磁性材料的磁矩由混乱转变为整齐的过程，永久磁铁使用时间太久磁性减弱就必须利用磁化来增加磁性，感应磁铁更是要利用磁化感应产生磁性，因为磁化是磁性材料应用上很重要的动作，要使磁性材料产生磁化的方法有两种：

●以「永久磁铁」来进行磁化

我们可以使用「永久磁铁」来进行磁化，磁性材料的磁矩原本排列得很混乱，使得磁矩的N极与S极互相抵消而不具磁性，如图七(a)所示；当其他具有磁性的永久磁铁靠近时，会使磁矩排列变得很整齐而产生磁性，如图七(b)所示，故称为「感应磁铁」；当其他具有磁性的永久磁铁远离时，磁矩仍然保持整齐的状态，仍然具有磁性，如图七(c)所示。

图七感应磁铁的原理。

●以「电磁铁」来进行磁化

「外加电压会产生磁场」的现象目前广泛的使用在传统的机械马达中，例如：电风扇、抽风机等家电用品，又称为「电动机」，大家一定都还记得小学或中学的时候做过的实验，将漆包线沿着铁心同一方向缠绕可以制作出电磁铁，根据「安培右手定则」可以由电场感应出磁场，如果右手四指的方向为电流方向，则姆指的方向为磁场方向；相反的，如果右手四指的方向为磁场方向，则姆指的方向为电流方向，如图八所示。

图八以电磁铁来进行磁化。

我们可以使用「电磁铁」来进行磁化，当我们对电磁铁施加「逆时钟方向」的电流，则产生「N极向左」，靠近磁盘上的一个位区(磁性材料)时，会使混乱的磁矩转变成「N极向右」，代表写入0，如图八(a)所示；当我们对磁头施加「顺时钟方向」的电流，则产生「N极向右」，靠近磁盘上的一个位区(磁性材料)时，会使混乱的磁矩转变成「N极向左」，代表写入1，如图八(b)所示，上述的感应过程就是磁盘机利用磁头(电磁铁)将数字讯号0与1写入磁盘片的基本原理。

【注意】数字的储存组件，不论是磁盘机、光盘机(CD或DVD)、磁光盘机，储存每一个位的区域都可以称为「位区」，我习惯将位区称为「格子」，换句话说，磁盘片上其实就是布满了许许多多的格子，每一个格子储存一个0或一个1。


如图九（a）所示，计算机硬盘是通过磁介质来存储信息的，最早的磁头是采用锰铁磁体制成的，该类磁头是通过电磁感应的方式读写数据，由于数据量越来越大，传统磁储存已经无法满足资讯爆炸的需求。1988年，法国科学家费尔和德国科学家格林贝格尔各自独立发现了非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化，此效应称为巨磁阻效应（Giant Magneto Resistance），如图九（b）（c）所示，这个效应可以在磁性材料和非磁性材料相间的几个纳米厚薄膜层结构中观察到。这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关，两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值，明显大于磁化方向相同时的电阻值，电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。

图九 传统的磁储存原理与巨磁阻储存效应原理示意图。

如图九（d）所示，利用这个原理，1997年，全球首个基于巨磁阻效应的读写磁头问世。正是借助了巨磁阻效应，人们才能够制造出如此灵敏的磁头，能够清晰读出较弱的磁信号，并且转换成清晰的电流变化。新式磁头的出现引发了硬盘的“大容量、小型化”革命。如今，笔记本电脑、音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘，基本上都应用了巨磁阻效应。

就如同诺贝尔评委会主席佩尔·卡尔松用比较通俗的语言解说了这个科学技术对人类的贡献。他用两张图片的对比说明了巨磁阻的重大意义：一台1954年体积占满整间屋子的电脑，和一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘。正因为有了这两位科学家的发现，单位面积介质存储的信息量才得以大幅度提升。根据该效应开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。2007年10月，阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格尔因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。

▎21世纪诺贝尔物理奖的颁奖趋势：

诺贝尔奖里面，我觉得含金量最高的应该是物理奖！除了大家耳熟能详的科学家都是物理奖得主以外，量子物理，核子物理，电磁学对人类近代历史产生了翻天覆地的变化，物理是科学之王可谓当之无愧。

就我个人观察，从上个世纪末到现在，应用物理与理论物理始终在诺贝尔物理奖之间拉锯着，我们人类享受的科学应用技术有“异层结构快速晶体管，激光，集成电路，巨磁效应，光纤通信，CCD，石墨烯以及LED”可谓应用物理，其他的如“微中子，希格斯玻色子，宇宙膨胀，夸克，宇宙微波辐射，量子分数霍尔效应，超流体”可谓理论物理。

我希望以后诺贝尔物理奖能给应用物理多一点，因为这标示着未来会有很多艰深的物理理论会成为我们的科学实践，为人类做出最大的贡献！

这些看似深奥难懂的科学技术永远离不开你们关注的老叶科普基本道理。

附表：2000年以后历届诺贝尔物理奖得主

*注：本文由行家说APP与作家专栏作者葉国光联合出品。谢绝任何未经许可的转载。授权联系微信号：hangjia199