作者:张梦然 来源:科技日报 发布时间:2013-10-9 9:27:35
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百年诺贝尔物理学奖钩沉

 

物理,被认为是最基本的自然科学,它试图对物质的行为进行统一描述,尽可能覆盖多种类型的现象。它与天文学研究密不可分;它的一些应用接近经典化学的范畴;而依照目前趋势,它还与微生物学的一些部分紧密相连。物理学,正是这些独立学科在处理各自领域问题时的概念、工具,以及基础。
 
在诺贝尔奖已走过的一个世纪里,物理学经历着学科的革命与随之而来的无数伟大思想的碰撞。尼尔斯·玻尔说:“与普通真理相对立的是错误;与伟大思想相对立的,则是另一种伟大的思想。”我们是否可以这样讲,正是因有这样的发展与争论、演绎与碰撞,物理学才得以日趋完善和缜密,从而成就了它在诺奖百年中的荣光。
 
从经典物理到量子物理
 
1901年,当第一届诺贝尔物理学奖颁发时,经典物理学领域看上去正栖息在一个异常坚实的平台上——早在1687年,牛顿的《自然哲学的数学原理》就奠定了经典力学,到十九世纪末,它已发展到相当完美的地步。
 
不过,“在物理学晴朗天空的远处,还飘着两朵小小的令人不安的乌云”(语自开尔文1900年报告)。这是指当时物理学还无法解释的两个实验现象:热辐射实验,以及迈克耳孙-莫雷实验。正是这小小两朵“乌云”,让经典物理学的局限性开始暴露,同时酝酿出了物理学20世纪的革命风暴。牛顿创立的经典力学至此,已是顺理成章的要发展到量子力学。
 
量子力学的创立者是1918年获得诺贝尔物理学奖的普朗克。而量子力学的集大成者,被认为是1933年拿到诺奖的狄拉克,1930年,他的《量子力学原理》完成了量子力学的普遍综合。
 
但在经典物理向量子物理过渡的时期,也引发了物理学界一场意义深远的辩论。在此段公案中,玻尔、玻恩、海森堡、泡利属于一派,在他们对面站着的,则有爱因斯坦、薛定谔及德布罗意。这些大师,因其各自对量子物理的杰出贡献而先后荣膺诺贝尔物理学奖。
 
1999年,20世纪的最后一个诺贝尔物理学奖,颁给了荷兰的胡夫特和韦尔特曼,同样是以表彰他们在量子学领域的贡献——阐明了物理学中弱电相互作用的量子结构。
 
微观世界与宏观世界
 
量子力学让我们知道,微观粒子具有波粒二象性,它们的运动不能用通常宏观物体的运动规律来描述。
 
在20世纪的上半叶,人们已认识到,深入观察微观世界中的新粒子及其相互作用,是了解宏观结构的必要过程——包括我们所在的世界以及更大尺度上的宇宙。时至今日,粒子物理学、天体物理学、宇宙学已被牢牢绑定在一起。
 
以原子为起点,亚原子的微观世界和人类已知的最小成分,也在过去的一百年里逐步的“渗透”到了诺贝尔奖获得者的“作品”之中。
 
举几个例子。1921年物理学奖得主是著名的爱因斯坦,得奖理由是他对理论物理学的成就——特别是光电效应定律的发现;
 
1935年英国的查德威克因发现中子而获奖,中子自此“投身”到物理学科研工作中;在此基础上,费米证明了可由中子辐照而产生的新放射性元素的存在,并发现慢中子引发的核反应,荣膺1938年物理学奖;
 
1939年,美国的劳伦斯因对回旋加速器的发明和发展,以及有关人工放射性元素的研究成果获奖;正是这种机器的问世,1951年,考克饶夫以及沃吞凭借在用人工加速原子产生原子核嬗变方面的开创性工作捧得当年的奖杯……
 
类似的发现与传承,在20世纪50年代更多的新粒子被发现后,简直不胜枚举。接近世纪之末,美国的佩尔与莱因斯1995年获奖,二人分别发现了τ轻子以及中微子,对轻子物理学进行了开创性的实验研究。
 
物理理论与实用技术
 
理论与基础研究当然会对技术设备产生重要影响,但其中有一些,却是划时代的。
 
一个显眼的例子发生在1965年。三位美国科学家——肖克利、巴丁及布喇顿因对半导体的研究和发现晶体管效应获得诺奖,正是他们的发现直接导致电子晶体管的革命。
 
1964年,巴索夫、汤斯和普罗霍罗夫同获诺贝尔物理学奖,理由是在量子电子学领域的基础研究做出突出贡献,他们的理论成果导致了基于激微波—激光原理建造的振荡器和放大器。
 
还有前文提到的粒子加速器的问世,除作物理学研究之用,现也是材料科学和医学的重要工具。
 
此外,有不少受诺贝尔物理学奖青睐的“作品”,都在当时那个年代表现出了相当直接的技术应用实力。
 
早期的例子如1912年瑞典的达伦,因发明用于控制灯塔和浮标中气体蓄积器的自动调节阀而获奖;1953年获奖的荷兰的塞尔尼克,其对相衬法的证实导致发明了相衬显微镜;1986年,鲁斯卡凭借第一台电子显微镜获奖,同年和他分享这一奖项的,还有宾宁与罗雷尔。
 
这些实用技术类的发明,意义之深远并不亚于理论上的突破。要知道,核物理和粒子物理领域的研究进展,就一直强烈地依赖于先进的技术——有时甚至成为其背后的驱动力。
 
近年来,有些技术类发明,业已被证明是当代重要的通信和信息设备:新世纪的第一个诺贝尔物理学奖的得主之一基尔比,他的发明就为现代信息技术奠定了基础。在1958年,基尔比制作了第一块集成电路——后来被称为“芯片”,彻底地开辟了电子电路小型化和大批量生产的道路。正是他与这一奖项的另两位得主阿尔费罗夫和克勒默,共同创造了一场人们耳熟能详的“IT革命”。
 
相关专题:2013年诺贝尔奖
 
 
 
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