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约翰逊-奈奎斯特噪声的历史：这个发现如何改变我们的科技？
在电子学的历史中，有一种噪声被认为是普遍存在的——那就是约翰逊-奈奎斯特噪声。这种由于热颗粒运动而产生的电子噪声，无论在任何施加电压的情况下都会存在，使其成为所有电子电路中不可避免的一部分。这种噪声的影响在敏感的电子设备中尤为明显，例如无线电接收器，其中微弱的信号可能会被水分埋没，进而限制了电测量仪器的灵敏度。随着技术的进步，如何管理和降低这种噪声令人深思，而这正是约翰逊和奈奎斯特所做出的贡献。
约翰逊噪声是由电导体内的充电载流子（通常是电子）的热运动所产生的，在平衡状态下无论有无施加电压都会发生。
热噪声的历史
热噪声的历史可追溯至 1905 年，当时阿尔伯特·爱因斯坦在其著名的一年发表中首次从热波动的角度解释了布朗运动。次年，他提出这一现象也可用来推导热激励电流的理论，尽管他未完成计算，将其视为无法验证的理论。然而，随着时间推移，这一理论看到了实际的应用和发展。
1912 年，赫尔曼·洛伦茨的女儿吉尔特鲁德·德·哈斯-洛伦茨在她的博士论文中扩展了爱因斯坦的随机理论，并首次将其应用于电子研究，推导出热电流的均方值公式。 1918 年，当沃尔特·H·肖特基研究热噪声时，意外发现了另一种噪声，即射击噪声。随后在 1927 年，弗里茨·泽尔尼克在高灵敏度电流计测试中也得出了热噪声的同样结论。他得出结论，认为这种噪声是热性质的。
奈奎斯特在 1928 年的论文中利用热力学和统计力学原则解释了约翰的实验结果，并将其正式发表，这一发现深刻影响了后来的电子学发展。
热噪声在现代科技中的应用
随着电子技术的进步，约翰逊-奈奎斯特噪声在敏感电子设备中的影响被越来越多的重视。在某些情况下，这种噪声甚至可能成为测量的主要限制因素。因此，许多敏感的电子设备，如射电望远镜接收器，通常被冷却至低至几开尔文的低温，以提高其信噪比。
测量及应用
此外，约翰逊-奈奎斯特噪声的特性也被应用于精密测量技术中，被称为约翰逊噪声热度计。 2017 年，美国国家标准技术研究所（NIST）使用此技术测量玻尔兹曼常数，精度更是低于 3 ppm。这不仅使玻尔兹曼常数成为可实验测量的常数，也为 2019 年的开尔文重新定义奠定了基础。
未来的挑战与展望
然而，尽管技术已经取得了长足的进步，如何进一步降低噪声以提高电子设备的灵敏度仍然是一个重要课题。许多研究者还在探索新材料或新结构，期望能克服热噪声带来的挑战，实现更高精度的测量。
面对未来科技的挑战，能否在电子系统中有效地控制和减少约翰逊-奈奎斯特噪声，将成为决定更灵敏和有效的电子技术的重要标志。
最终，在科技发展的过程中，如何将约翰逊-奈奎斯特噪声的知识转化为更高效应用的技术，并且减少其对设备性能的影响，是众多科学家必须面对的挑战？
