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惠州商务模特技师预约他们为什么能一起获奖?诺贝尔物理奖历史上

更新时间:2020-10-06 15:34本文出处:未知

来源 | 返朴

撰文 | 刘辛味

2019年诺贝尔物理学奖一半颁给了美国物理学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles),表彰他“对物理宇宙学的理论发现”。另一半颁给了两位瑞士天体物理学家,曾是师徒的米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz),两人”因发现围绕太阳型恒星运行的系外行星”而摘得殊荣。物理宇宙学和发现地外行星看似是两个领域,给人感觉是诺奖强行凑三个人“拼桌”。而诺奖委员会也强行圆了过来,授予颁奖理由为“他们为理解宇宙演化和地球在宇宙中的位置所做出的贡献”。实际上,诺奖(物理学奖)百年历史上确实有多次颁奖给不同领域的研究,但又暗含关联的成果。

两人因一人的发现而三人同时获奖

1903年的物理学奖不能算做拼凑,但是获奖理由也很有趣。1903年诺贝尔物理学奖一半颁给了法国物理学家亨利·贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel),以表彰他发现了天然放射性。另一半授予了居里夫妇——皮埃尔·居里(Pierre Curie)和玛丽·居里(Mariel Curie),他们两人因“对亨利·贝克勒尔教授发现的辐射现象共同研究所做的卓越贡献”而获奖。

亨利·贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel,1852-1908) 丨图源:Nobel Prize

贝克勒尔拍下的第一张被铀盐放射性污染的照片丨图源:Wiki

很显然,他们都因为放射性的研究而获奖,但如果按诺奖颁发的一贯思路,奖给开创性的研究,贝克勒尔应该独得奖项。或者应再加上英国物理学家卢瑟福,他解释了放射性的本质,即同位素从不稳定的原子核自发地辐射而衰变成另一种同位素,并首次提出了半衰期的概念。这项杰出成果使他获得了1908年的诺贝尔化学奖。

1896年,X射线被发现后不久,贝克勒尔就在研究哪些荧光物质能产生X射线。在非常偶然的情况下,他得到了一张被铀盐放射性污染的底片,使他意识到了有一种与X射线不同,但也有很强穿透能力,并且是自发的辐射。他的这次偶然发现是人类历史上第一次发现了原子核放出辐射,由此开创了崭新的领域——核物理学。

居里夫妇在放射性研究的贡献则是首先是改进了实验方法。他们是在了解贝克勒尔的工作之后开始进行研究的,最初只是重复贝克勒尔的实验,但用的实验设备是皮埃尔和其哥哥雅克(Jacques Curie)制造的石英晶体压电秤,大大提高了实验精度。在进行了大量矿石和化学物质的检测后,居里夫人认为,元素能够自发地放出辐射应该是一种普遍现象,接着便开始寻找新的放射性物质。

居里夫妇(Pierre Curie,1859-1906;Marie Curie, née Sklodowska,1867-1934) 丨图源:Wired

居里夫妇研究更主要的贡献是对成分复杂的沥青铀矿中进行提取、分离和提纯。他们在沉淀物中找到了一种新元素,命名为钋(以纪念居里夫人的祖国波兰),进而又发现了镭,并进一步提纯,最终从8吨矿渣中提取了0.1g的纯镭。这项贡献让她独享1911年的诺贝尔化学奖(皮埃尔因车祸在1906年去世)。后来居里夫人带领她的学生(包括她的女儿和女婿)继续研究,居里夫人最终因为长期的辐射而患上重疾,遭受了长期折磨后离世。

从今天诺奖要“排队”领取的形势来看,要想同一领域连拿物理学奖和化学奖应该不大可能。但如果要给居里夫人两座诺奖,或许她可以拿一座和平奖。在第一次世界大战中,居里夫人发明了移动式X照相装置,自学并传授放射医学知识与技能,还建立了首个法国军事放射中心。作为放射医学的先驱,对战争和波兰的独立解放做出了杰出贡献。尽管为了抬高或贬低居里夫人,后人给她编纂了不少故事,但她艰苦卓绝的精神仍不失为后人的榜样。

一战中法国军队所使用的居里夫人辐射车,被人们称之为“小居里”。图源:The Conversation

看不出来两者关系的奖项

1927年的物理学奖颁给了两个完全不同的工作。一半奖金由美国物理学家康普顿(Arthur Compton)得到,以表彰“发现了以他名字命名的效应”——康普顿效应。另一半由英国核物理先驱威尔逊(C.R.T。 Wilson)得到,表彰他“用蒸汽凝聚使带电粒子的径迹成为可见的方法”。

康普顿散射实验是物理学史上的经典实验之一,当X射线或γ射线对电子散射时,散射后的射线不仅有原波长的射线,还有波长更长的射线的出现,而两者的波长差跟散射角度有关,这种现象被称之为康普顿效应。实际上这一现象并不是康普顿最先观察到的,早在1904年英国物理学家伊夫(A。 S。 Eve)就发现了γ射线有康普顿效应的迹象,但是那时γ射线刚被发现,根本不知道其本质。

1919年,康普顿来到卡文迪许实验室进行γ射线的研究,他以精湛的实验技术测定了γ射线的波长,发现散射后的波长变得更长,之后也发现了X射线有相同的现象。尽管实验做得出色,可这种现象的理论解释一直存在困难,为此康普顿还提出过一些基于经典物理的模式模型,但这些解释都不完美。

康普顿散射模型公式丨图源:hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

1922年,康普顿只依靠物理学中最基本的两个守恒——动量守恒和能量守恒,利用光量子模型,推导出了一个相当简单的方程。散射后波长变长实际上就是入射光子的部分能量转移到了电子上。这种解释直接呈现出了辐射的量子性质,首次直接证实了爱因斯坦从光电效应中提出的光量子假说,像γ射线这样的电磁辐射也可以被描述为光子,光子不仅有能量,也有动量。

在物理学发展历程中,光电效应已占有十分重要的位置,而康普顿效应则更进一步,为理解光的波粒二象性和物质波假说提供了令人信服的证据,给量子力学的发展提供了进一步的实验依据。(直至今天仍有许多问题,相关内容见《康普顿散射的新进展》)

康普顿(Arthur H。 Compton,1892-1962)丨图源:photos.aip.org

值得一提的是,康普顿的学生,中国物理学家吴有训在散射实验中做出了很多贡献,证实了康普顿效应的普遍性。另一位中国物理学家赵忠尧在康普顿散射实验中最早发现了正电子。可惜他们都没能获得诺奖。(参见《LIGO-Virgo发现所谓“不可能”黑洞,黑洞质量禁区真的存在吗?》插曲一节)

这一年的另外一半诺奖工作其实和康普顿效应有直接关系。威尔逊的贡献是发明了云室(cloud chamber)——一种可以探测粒子轨迹的装置,也是最早的带电粒子探测器,因此也称威尔逊云室。

威尔逊(C.T.R。 Wilson,1869-1959) 丨图源:thefamouspeople。com

这项装置的发明可以追溯到威尔逊在高山上当观测员时。他对太阳照在山峰的云雾显示出奇异的光学现象感到好奇,想在实验室模拟实验。1895年,威尔逊根据前人的工作设计了一套使蒸气冷凝成云雾的装置,也就是早期的云室。同时,他也意识到了一个前人留下的问题:为什么在空气中没有尘埃时就不能产生云雾,是因为膨胀比不够大。在去除尘埃的精准测量后,他发现气体中存在某种凝结核心并且大小不超过分子,云雾正是由这种凝结核成为可见的液滴而形成,便推测凝结核是否是带电的原子。

在卡文迪许实验工作的威尔逊有机会用到早期的X射线管,他就用X射线照射云室的气体,结果发现了空气在X射线下发生了电离,这正是他的导师汤姆逊(J。 J。 Thomson)气体导电理论所得到的结论(该研究获得了1906年诺贝尔物理学奖)。

之后几年,威尔逊不断改进实验,到1911年他发明了威尔逊云室,利用蒸汽绝热膨胀,温度降低后会达到过饱和状态,此时如果有带电粒子进入过饱和区域,就会使路径上的气体分子电离,这些离子就能作为凝结核使水蒸汽凝结成可见的液滴,从而把粒子的路径显示出来,并且结果可以被拍下来。他通过云室找出了α和β粒子的轨迹,证实了X射线具有粒子性,自此云室成为了研究核物理及粒子物理的有力实验工具,。

1932年,美国物理学家安德森(Carl Anderson)正是用云室拍下了正电子的轨迹,发现了第一个反粒子,获得了1936年的诺贝尔物理学奖。额外提一句,这一年诺贝尔物理学奖看似也是“拼桌”,另一半奖励给了奥地利裔美国物理学家赫斯(Victor Hess),表彰他对宇宙射线的发现。但正电子正是在宇宙射线中发现的,两者有密切联系。

剑桥卡文迪许实验室陈列的威尔逊云室丨图源:chambrebrouillard.wifeo.com

要说威尔逊的工具和康普顿效应到底有啥关系而同时获奖?事实上各种带电粒子在散射中都会显示出康普顿效应。1924年,康普顿本人和威尔逊各自独立用云室找到了反冲电子的“鱼迹”(威尔逊称呼为fish track,因为反冲电子的轨迹像鱼的形状),证实了可以用量子论解释X射线散射反冲电子的轨迹。最初当康普顿发表了关于康普顿效应的论文后,引发了争议,而在云室拍下的电子轨迹照片很大程度上消除了当时物理学家对康普顿效应的质疑。两人同获诺奖,实至名归。

量子力学的理论和实验设计

1954年诺贝尔物理学奖也是由两人分享。一位是德国数学家、物理学家玻恩(Max Born),以表彰他对量子力学的基础研究,特别是对波函数所作的统计解释;另一位获奖者是德国物理学家博特(Walther Bothe),他因“提出了符合法和随之而来的发现”。咋一看,又是两个没关系拼在一起得奖,但实际上还是能找到点共同之处。

先说说玻恩。玻恩可是一位不得了的人物,就算在所有物理学家里也是最顶尖的那一批,他是量子力学的奠基人之一,在固体物理和光学方面也颇有建树。而且,他是位出色的老师,可以说是大师之大老师(MacTutor of maestros,即本人和其学生都是大师的老师。这类老师有索末菲、费米等。相关内容见《天才与良知——那个尖锐的物理学家泡利》)。玻恩是哥廷根物理学派的领袖,影响了一大批20世纪的物理人才,其中包括多位中国物理学家。玻恩被美国科学史家科恩(I。 B。 Cohen)评价为“物理学家中的物理学家”,是一位如果他不得诺贝尔奖将是诺奖遗憾的典型。

玻恩(Max Born,1882-1970)丨图源:ResearchGate

1923年起玻恩致力于研究量子论,他可以被作旧量子论的摧毁者。以玻尔原子模型为首的一批理论创造了量子力学的早期辉煌,这些理论现在被称为旧量子论。然而在20世纪20年代,旧量子论已经无法解释新发现的现象,比如氦原子光谱、反常塞曼效应等。

1925年,年轻的海森堡创新地提出了量子力学的矩阵力学表述,当时海森堡可以说是玻恩的助教,玻恩发现这种表达形式与数学上的矩阵代数相一致。他们两人,再加上玻恩的学生约当(Pascual Jordan)合作发表了一篇论文,以严谨的数学形式全面系统地阐述了海森堡之前的提出的理论,正式宣告矩阵力学诞生。这项工作让海森堡在1932年独得诺奖。

之后,玻恩又对量子力学的另一种表述形式——波动力学——作了重要补充。他完善了波函数的物理意义,提出了波函数的几率解释,这成为了后来波动力学被普遍接受的重要原因。提出波动力学的奥地利物理学家薛定谔和英国物理学家狄拉克一同分享了1933年的诺贝尔奖,玻恩再次无缘。

为什么没和海森堡等人一同获奖,其实最直接的解释是,在20世纪30年代他只获得过3次提名。当时的物理学家低估了玻恩的贡献,认为他不足以和海森堡、薛定谔的贡献相比。而且玻恩本人也比较谦逊,他知道当时还有一批人不相信他的几率解释,其中就包括爱因斯坦。实际上这反映了科学界的一种复杂性。玻恩在极力推崇海森堡的同时,海森堡并没有给予同样的赞扬,反而长时间保持缄默。好在玻恩最终还是获得了诺奖,而他出色的学生约当永远和诺奖失之交臂了。

1954年分享另一半奖金的是一项实验技术,博特发明的符合法用于探测电离辐射的粒子探测器,新的方法大幅提高了计数的效率。

博特(Walther Bothe,1891-1957) 图源:Nobel Prize

1908年,德国物理学家盖革(Hans Geiger)和英裔新西兰物理学家马斯登(Ernest Marsden)在卢瑟福的指导下进行了盖革-马斯登实验(金箔实验),由此发明了一种能记录带电粒子数量的计数管,当带电粒子穿过计数管时,里面的气体会被电离从而导电,产生一个脉冲信号。1924年博特改进了实验设计,他把两个计数管连在一起,并接入一个逻辑电路(符合电路)。若两个计数管内同时发送了脉冲,则输出信号,表明事件是同一个粒子造成,或是粒子运动足够快可忽略两管之间的移动时间,这种方法就是符合计数法。

通过符合法可以选择特定方向运动的粒子,因此在测量宇宙射线的研究中得到广泛应用,尤其是在1930年左右相关重要发现都用到了符合法。另外,前面提到的康普顿获得诺奖,其实也要感谢博特的工作。博特和盖革用符合法验证了康普顿散射过程中光子和反冲电子同时出现,每次碰撞中的能量和动量守恒,而非只是统计意义上。这对量子力学的发展具有深远意义,如今符合法在量子光学领域是常用的方法。

一台早期的盖革计数器丨图源:CBS

为什么要把他们俩放在一起得诺奖,那一定都是跟量子力学的未来有关,尽管对非专业人士来说看起来像是硬凑的。其实1955年的物理学奖也是两个不同的发现“兰姆位移”和“电子磁矩”,但最终可以用同一个理论解释,即量子电动力学。

两个方向硬凑

1978年的物理学奖可以说是硬拼凑的典型了,颁给了两个完全不同的方向。独享一半奖金的是苏联物理学家卡皮查(Pyotr Kapitsa),因“低温物理学的基本发明和发现”而获奖。另一半奖金由美国的两位工程师彭齐亚斯(Arno A。 Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert 。W。 Wilson)获得,他们因为发现了宇宙微波背景辐射而获奖。

低温物理学,简单来说就是在低温环境下研究物质性质的一门学科。所有物质都是由不断运动的原子和分子组成,而它的温度就取决于“热运动”的强度。当温度到达绝对零度,热运动就会停止。在极低温的条件下,科学家发现了物质很多非同寻常的性质,比如超导性。1913年荷兰物理学家昂内斯(Heike Onnes)因为制取了液氦并发现了物质的超导性而获得了诺贝尔物理学奖,这也是该领域的第一个诺奖。

装在透明容器里的液氦丨图源:Funsize Physics

1934年卡皮查设计了一种生产液氦的新装置,可以在不用液氢冷却的情况下大量产生液氦,为低温物理学开创新时代。随后卡皮查又进行了一系列的液氦实验,从而发现了液氦的超流动性——在绝对零度之上约2开尔文时,液体的黏度极低甚至消失了。他的实验证明了氦II处于一种宏观的量子状态,量子效应起主导作用。后来另一位苏联物理学家朗道理论上解释了超流现象的原因,他因“对凝聚态特别是液氦的先驱性理论”获得了1962年诺贝尔物理学奖。

卡皮查(Пётр Леонидович Капица,1894-1984)丨图源:thefamouspeople.com

朗道的贡献不止一个诺贝尔奖,他在1962年获奖的原因更大可能是因为当年年初遭遇了车祸。诺奖不发给过世的人——再不发给他可能就来不及了!还有两位俄罗斯物理学家当时与朗道一起研究超导体和超流体,他们直到2003年才获得诺贝尔奖。

卡皮查是位巨匠级的物理学家,除了低温物理学,还在强磁场、高温等离子体等研究而闻名。他也是苏联物理学的领军人物,苏联科学院主席团成员,莫斯科物理技术研究所 (MFTI) 的创始人之一。朗道曾因政治原因入狱一年,正是卡皮查找到斯大林抗议交涉,最终使朗道无罪释放。

朗道(左)和卡皮查丨图源:nplus1.ru

1978年的另一半诺贝尔物理学奖与2019年的诺奖有关。1963年,彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊这两位贝尔实验室的工程师把一台通讯卫星的接受装置改装成了射电望远镜,用来接收宇宙中传来的无线电波,这是现代天文学中最重要的研究方法之一。当他们测量天线性能时,发现了一个无法解释的现象,无论天线通向何处,都有一个等效温度为3.5K的噪声,多余的温度是哪里来的?他们想办法排除各种干扰,还发现了天线上栖息了一对鸽子,留下不少鸽子粪,他们一度以为这就是罪魁祸首,结果清理干净后还是噪声还在。折腾了一年,他们才意识到了这应该是一次新发现。

威尔逊(Robert 。W。 Wilson,1936-)(左)和彭齐亚斯(Arno A。 Penzias ,1933-)获得诺奖后在天线旁合影丨图源:npr.org

普林斯顿大学的天体物理学家迪克(Robert H。 Dicke)等人当时也在进行相关的工作,而且正是他向贝尔实验室的两人建议使用辐射计搜寻宇宙的微波背景,提出是否可能存在于宇宙早期残留下来的某种辐射。当彭齐亚斯联系到迪克时,迪克说,“我们被抢先了”——他们两人先发现了宇宙微波背景辐射。

在大爆炸模型中,宇宙早期是充满着高温致密的等离子体和辐射,随着宇宙膨胀而逐渐冷却。当冷却到一定温度,质子和电子结合成了中性的氢原子,宇宙开始变得透明,接下来光子开始自由地在空间中移动,这一过程被称之为光子退耦。随着空间的膨胀能量越来越少,遗留下来的辐射已经到了微波波段,这就是宇宙微波背景辐射,也称之为遗留辐射。

彭齐亚斯和威尔逊没能对这种辐射做出理论上的解释,所以他们的发现也遭受了一些争议,很多科学家认为预测了宇宙微波背景辐射,并对大爆炸模型奠定基础的阿尔弗(Ralph Alpher)和伽莫夫(George Gamow)、赫曼(Robert Herman)应该获得诺奖,他们的理论诞生于20世纪40年代,尽管在当时并没有被广泛关注,后来人们才意识到对宇宙学发展的重要性。

要得诺奖最好只有一位合作伙伴。2006年,两位美国物理学家因为发现微波背景辐射的黑体形式和各向异性获得了诺贝尔奖,再次将诺贝尔奖颁发给了宇宙学领域。他们利用卫星进行了观测,他们的工作对探索宇宙起源,发展宇宙学成为一门精准科学方面起到了重要作用。

宇宙背景探测器(COBE)的结果让约翰·马瑟(John C。 Mather,1946-)和 乔治·斯穆特(George F。 Smoot,1945-)分享了2006年的诺贝尔物理学奖丨图源:NASA

2001年发射的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)观测到的宇宙微波背景辐射丨图源:NASA

这一门学科的理论发展,不得不提到去年诺奖得主物皮布尔斯(James Peebles)。他就是对宇宙微波背景辐射做出系统的理论解释的人,描述了宇宙演化过程,不仅有数学推导,密切结合物理过程的分析,发展了一系列的相关理论。当今了解到已知物质占据5%,未知物质和能量占据95%的推测也源于他的理论,并且得到了观测实验的证实。

2004年,皮布尔斯获得了首届邵逸夫天文学奖,该奖评价他:“他为理论和观察方面的几乎所有现代宇宙学研究奠定了基础,将高度猜测性的领域转变为精密科学。”作为当今在世对宇宙学贡献最大,可谓开宗立派的物理学家,诺奖发给他绝对没有争议,只是会让人觉得与系外行星的发现好像颁发了两个奖项。至于为什么没把他和之前几位放在一起获奖,一个很容易的推测就是:当年大牛扎堆,给还是不给,是个问题。

詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles,1935-) 丨图源:Nobel Prize

未来还有拼凑吗?

离我们较近的,两个领域凑在一起的还有2009年。这一年一半给了华裔物理学家高锟,奖励他对“光在光纤传输方面所取得的开创性成就”,另一半由是加拿大裔美籍物理学家博伊尔(Willard Boyle)和美国史密斯(George E。 Smith)获得,他们发明了半导体成像器件——CCD传感器。

这两项成就更接近我们今天的生活,光纤上网、数码相机普及到了大众,为今天的信息化社会奠定了基础,他们分别获奖也合情合理。如果非要找点联系,那肯定是都跟光学有关,可史密斯和博伊尔在研发CCD时候,只是想做一个电子储存器,并未想到能用来成像。因此实际把CCD用在成像上的贝尔实验室Eugene I。 Gordon和Michael Tompsett声称应该获得诺奖,他们进而发展了将CCD应用于数码相机。

很明显,诺贝尔奖的颁发是在不断妥协。诺奖颁给最具原创性的,又不能给四个人,那就凑个对挺好。其实2018年的物理学奖也有拼凑的痕迹,虽然都是激光领域,但一个光镊(相关内容见《谁能操控你的基因?》),一个是激光放大(相关内容见《给老妈讲诺贝尔奖:2018年物理学奖的啁啾是什么?| 小炉匠沙龙》),一弱一强,是两个截然不同方向。

对于2019年诺奖的另一半——系外行星的发现,也有个有趣的问题。米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹两人是通过径向速度探测的方法,即观测恒星与行星由于引力作用下远离(红移)或靠近(蓝移)地球,根据光谱的周期变化发现恒星的位置。他们这套方法开创了新的研究领域,获得诺奖也是实至名归的。2009年的诺奖贡献在天文观测上起到了非常重要在的作用,光纤是光学天文望远镜的基础工具,可以把星光完美地导入光谱仪中。而CCD则提高了设备对光的灵敏度。正所谓工欲善其事,必先利其器,他们还用到了更先进的计算机处理数据,最终发现了第一颗系外行星。

径向速度法示意图丨图源:Nobel Prize

在系外行星发现的历程上,还有一位天文学家做出了杰出贡献,他也应是诺贝尔奖的有力竞争者。美国天文学家Geoffrey Marcy因为开创了凌星法而闻名——根据行星绕在恒星前光变曲线发生周期性变化而发现恒星。这种方法在系外行星搜索大赛的早期占据优势,最早发现的100颗系外行星他一人就找到了70颗。

凌星法示意图丨图源:NASA

可在2015年Marcy因为性骚扰指控而名声扫地,最终只能看到两位同行获奖。因此可以推测,诺奖委员会发现正好二缺一,那就赶紧发给皮布尔斯,皆大欢喜。而且皮布尔斯获奖呼声一直很高,他已经多年陪跑,他们在一起帮助我们了解了宇宙演化,对我们在宇宙中的位置有了新的认识。因此,虽然看起来像颁发了两个奖拼桌,还被认为有些意外,其实是合情合理的。

上一次颁发给两个领域已经是十余年前了,未来会不会有更多的拼凑?在近年来的诺贝尔物理学奖预测中,呼声较高的包括高温超导、量子纠缠、减速光、钙钛矿太阳能电池、黑洞观测等,这些成就有些就是一人贡献最大,比如做出减速光的女科学家Lene Hau,再为她搭配另一个方向是完全有可能。把尽可能没争议的获奖者拼在一起发,何乐而不为?

最后总结一句话,送给未来有希望获奖的你们:百年诺奖,争议不断,比拼寿命,方能成功。

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