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約翰遜-奈奎斯特噪聲的歷史：這個發現如何改變我們的科技？
在電子學的歷史中，有一種噪聲被認為是普遍存在的——那就是約翰遜-奈奎斯特噪聲。這種由於熱顆粒運動而產生的電子噪聲，無論在任何施加電壓的情況下都會存在，使其成為所有電子電路中不可避免的一部分。這種噪聲的影響在敏感的電子設備中尤為明顯，例如無線電接收器，其中微弱的信號可能會被水分埋沒，進而限制了電測量儀器的靈敏度。隨著技術的進步，如何管理和降低這種噪聲令人深思，而這正是約翰遜和奈奎斯特所做出的貢獻。
約翰遜噪聲是由電導體內的充電載流子（通常是電子）的熱運動所產生的，在平衡狀態下無論有無施加電壓都會發生。
熱噪聲的歷史
熱噪聲的歷史可追溯至 1905 年，當時阿爾伯特·愛因斯坦在其著名的一年發表中首次從熱波動的角度解釋了布朗運動。次年，他提出這一現象也可用來推導熱激勵電流的理論，儘管他未完成計算，將其視為無法驗證的理論。然而，隨著時間推移，這一理論看到了實際的應用和發展。
1912 年，赫爾曼·洛倫茨的女兒吉爾特魯德·德·哈斯-洛倫茨在她的博士論文中擴展了愛因斯坦的隨機理論，並首次將其應用於電子研究，推導出熱電流的均方值公式。1918 年，當沃爾特·H·肖特基研究熱噪聲時，意外發現了另一種噪聲，即射擊噪聲。隨後在 1927 年，弗里茨·澤爾尼克在高靈敏度電流計測試中也得出了熱噪聲的同樣結論。他得出結論，認為這種噪聲是熱性質的。
奈奎斯特在 1928 年的論文中利用熱力學和統計力學原則解釋了約翰的實驗結果，並將其正式發表，這一發現深刻影響了後來的電子學發展。
熱噪聲在現代科技中的應用
隨著電子技術的進步，約翰遜-奈奎斯特噪聲在敏感電子設備中的影響被越來越多的重視。在某些情況下，這種噪聲甚至可能成為測量的主要限制因素。因此，許多敏感的電子設備，如射電望遠鏡接收器，通常被冷卻至低至幾開爾文的低溫，以提高其信噪比。
測量及應用
此外，約翰遜-奈奎斯特噪聲的特性也被應用於精密測量技術中，被稱為約翰遜噪聲熱度計。2017 年，美國國家標準技術研究所（NIST）使用此技術測量玻爾茲曼常數，精度更是低於 3 ppm。這不僅使玻爾茲曼常數成為可實驗測量的常數，也為 2019 年的開爾文重新定義奠定了基礎。
未來的挑戰與展望
然而，儘管技術已經取得了長足的進步，如何進一步降低噪聲以提高電子設備的靈敏度仍然是一個重要課題。許多研究者還在探索新材料或新結構，期望能克服熱噪聲帶來的挑戰，實現更高精度的測量。
面對未來科技的挑戰，能否在電子系統中有效地控制和減少約翰遜-奈奎斯特噪聲，將成為決定更靈敏和有效的電子技術的重要標誌。
最終，在科技發展的過程中，如何將約翰遜-奈奎斯特噪聲的知識轉化為更高效應用的技術，並且減少其對設備性能的影響，是眾多科學家必須面對的挑戰？
