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他们为什么能一同获奖?诺贝尔物理奖历史上的“拼桌”

?2019年的诺贝尔物理学奖颁给了天体物理中的两个不同范畴,在开奖之后就有许多人以为这是强行“拼桌”。实践上,在诺贝尔物理学奖百余年的前史中,拼桌状况并不罕见,他们都是被强行凑集的吗?

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,赞誉他“对物理世界学的理论发现”。另一半颁给了两位瑞士天体物理学家,曾是师徒的米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹,两人”因发现环绕太阳型恒星运转的系外行星”而摘得荣誉。物理世界学和发现地外行星看似是两个范畴,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,颁布颁奖理由为“他们为了解世界演化和地球在世界中的方位所做出的奉献”。实践上,诺奖百年前史上的确有屡次颁奖给不同范畴的研讨,但又暗含相关的效果。

两人因一人的发现而三人一同获奖

1903年的物理学奖不能当作凑集,但是获奖理由也很风趣。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,以赞誉他发现了天然放射性。另一半颁布了居里配偶——皮埃尔·居里和玛丽·居里,他们两人因“对亨利·贝克勒尔教授发现的辐射现象一同研讨所做的卓越奉献”而获奖。

亨利·贝克勒尔 丨图源:Nobel Prize

贝克勒尔拍下的第一张被铀盐放射性污染的相片丨图源:Wiki

很显然,他们都由于放射性的研讨而获奖,但假如按诺奖颁布的一向思路,奖给创始性的研讨,贝克勒尔应该独得奖项。或许应再加上英国物理学家卢瑟福,他解说了放射性的实质,即同位素从不安稳的原子核自发地辐射而衰变成另一种同位素,并初次提出了半衰期的概念。这项超卓效果使他取得了1908年的诺贝尔化学奖。

1896年,X射线被发现后不久,贝克勒尔就在研讨哪些荧光物质能产生X射线。在十分偶尔的状况下,他得到了一张被铀盐放射性污染的底片,使他知道到了有一种与X射线不同,但也有很强穿透才能,并且是自发的辐射。他的这次偶尔发现是人类前史上第一次发现了原子核放出辐射,由此创始了簇新的范畴——核物理学。

居里配偶在放射性研讨的奉献则是首先是改进了试验办法。他们是在了解贝克勒尔的作业之后开端进行研讨的,开端仅仅重复贝克勒尔的试验,但用的试验设备是皮埃尔和其哥哥雅克制作的石英晶体压电秤,大大提高了试验精度。在进行了许多矿石和化学物质的检测后,居里夫人以为,元素能够自发地放出辐射应该是一种遍及现象,接着便开端寻觅新的放射性物质。

居里配偶 丨图源:Wired

居里配偶研讨更首要的奉献是对成分杂乱的沥青铀矿中进行提取、别离和提纯。他们在沉淀物中找到了一种新元素,命名为钋,从而又发现了镭,并进一步提纯,终究从8吨矿渣中提取了0.1g的纯镭。这项奉献让她独享1911年的诺贝尔化学奖。后来居里夫人带领她的学生持续研讨,居里夫人终究由于长期的辐射而患上重疾,遭受了长期摧残后离世。

从今日诺奖要“排队”收取的局势来看,要想同一范畴连拿物理学奖和化学奖应该不大或许。但假如要给居里夫人两座诺奖,或许她能够拿一座和平奖。在第一次世界大战中,居里夫人创造晰移动式X照相设备,自学并教授放射医学知识与技能,还建立了首个法国军事放射中心。作为放射医学的前驱,对战役和波兰的独立解放做出了超卓奉献。尽管为了举高或下降居里夫人,后人给她编纂了不少故事,但她艰苦卓绝的精力仍不失为后人的典范。

一战中法国戎行所运用的居里夫人辐射车,被人们称之为“小居里”。图源:The Conversation

看不出来两者联络的奖项

1927年的物理学奖颁给了两个彻底不同的作业。一半奖金由美国物理学家康普顿得到,以赞誉“发现了以他姓名命名的效应”——康普顿效应。另一半由英国核物理前驱威尔逊得到,赞誉他“用蒸汽凝集使带电粒子的径迹成为可见的办法”。

康普顿散射试验是物理学史上的经典试验之一,当X射线或γ射线对电子散射时,散射后的射线不只要原波长的射线,还有波长更长的射线的呈现,而两者的波长差跟散射视点有关,这种现象被称之为康普顿效应。实践上这一现象并不是康普顿最早调查到的,早在1904年英国物理学家伊夫就发现了γ射线有康普顿效应的痕迹,但是那时γ射线刚被发现,底子不知道其实质。

1919年,康普顿来到卡文迪许试验室进行γ射线的研讨,他以精深的试验技能测定了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。尽管试验做得超卓,可这种现象的理论解说一向存在困难,为此康普顿还提出过一些依据经典物理的方式模型,但这些解说都不完美。

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

1922年,康普顿只依托物理学中最根本的两个守恒——动量守恒和能量守恒,运用光量子模型,推导出了一个适当简略的方程。散射后波长变长实践上便是入射光子的部分能量转移到了电子上。这种解说直接呈现出了辐射的量子性质,初次直接证明晰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能够被描绘为光子,光子不只要能量,也有动量。

在物理学开展进程中,光电效应已占有十分重要的方位,而康普顿效应则更进一步,为了解光的波粒二象性和物质波假说供给了令人信服的依据,给量子力学的开展供给了进一步的试验依据。

康普顿丨图源:photos.aip.org

值得一提的是,康普顿的学生,我国物理学家吴有训在散射试验中做出了许多奉献,证明晰康普顿效应的遍及性。另一位我国物理学家赵忠尧在康普顿散射试验中最早发现了正电子。惋惜他们都没能取得诺奖。

这一年的别的一半诺奖作业其实和康普顿效应有直接联络。威尔逊的奉献是创造晰云室——一种能够勘探粒子轨道的设备,也是最早的带电粒子勘探器,因而也称威尔逊云室。

威尔逊 丨图源:thefamouspeople.com

这项设备的创造能够追溯到威尔逊在高山受骗观测员时。他对太阳照在山峰的云雾显示出奇特的光学现象感到猎奇,想在试验室模拟试验。1895年,威尔逊依据前人的作业规划了一套使蒸气冷凝成云雾的设备,也便是前期的云室。一同,他也知道到了一个前人留下的问题:为什么在空气中没有尘土时就不能产生云雾,是由于胀大比不够大。在去除尘土的精准丈量后,他发现气体中存在某种凝聚中心并且巨细不超越分子,云雾正是由这种凝聚核成为可见的液滴而构成,便估测凝聚核是否是带电的原子。

在卡文迪许试验作业的威尔逊有时机用到前期的X射线管,他就用X射线照耀云室的气体,成果发现了空气在X射线下产生了电离,这正是他的导师汤姆逊气体导电理论所得到的定论。

之后几年,威尔逊不断改进试验,到1911年他创造晰威尔逊云室,运用蒸汽绝热胀大,温度下降后会抵达过饱和状况,此刻假如有带电粒子进入过饱和区域,就会使途径上的气体分子电离,这些离子就能作为凝聚核使水蒸汽凝聚成可见的液滴,然后把粒子的途径显示出来,并且成果能够被拍下来。他经过云室找出了α和β粒子的轨道,证明晰X射线具有粒子性,自此云室成为了研讨核物理及粒子物理的有力试验东西,。

1932年,美国物理学家安德森正是用云室拍下了正电子的轨道,发现了第一个反粒子,取得了1936年的诺贝尔物理学奖。额定提一句,这一年诺贝尔物理学奖看似也是“拼桌”,另一半奖赏给了奥地利裔美国物理学家赫斯,赞誉他对世界射线的发现。但正电子正是在世界射线中发现的,两者有亲近联络。

剑桥卡文迪许试验室陈设的威尔逊云室丨图源:chambrebrouillard.wifeo.com

要说威尔逊的东西和康普顿效应到底有啥联络而一同获奖?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,康普顿自己和威尔逊各自独立用云室找到了反冲电子的“鱼迹”,证明晰能够用量子论解说X射线散射反冲电子的轨道。开端当康普顿宣布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道相片很大程度上消除了其时物理学家对康普顿效应的质疑。两人同获诺奖,实至名归。

量子力学的理论和试验规划

1954年诺贝尔物理学奖也是由两人共享。一位是德国数学家、物理学家玻恩,以赞誉他对量子力学的根底研讨,特别是对波函数所作的计算解说;另一位获奖者是德国物理学家博特,他因“提出了契合法和随之而来的发现”。咋一看,又是两个没联络拼在一同得奖,但实践上仍是能找到点一同之处。

先说说玻恩。玻恩但是一位不得了的人物,就算在一切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。并且,他是位超卓的教师,能够说是大师之大教师。玻恩是哥廷根物理学派的首领,影响了一大批20世纪的物理人才,其间包含多位我国物理学家。玻恩被美国科学史家科恩点评为“物理学家中的物理学家”,是一位假如他不得诺贝尔奖将是诺奖惋惜的典型。

玻恩丨图源:ResearchGate

1923年起玻恩致力于研讨量子论,他能够被作旧量子论的炸毁者。以玻尔原子模型为首的一批理论创造了量子力学的前期光辉,这些理论现在被称为旧量子论。然而在20世纪20年代,旧量子论现已无法解说新发现的现象,比方氦原子光谱、失常塞曼效应等。

1925年,年青的海森堡创新地提出了量子力学的矩阵力学表述,其时海森堡能够说是玻恩的助教,玻恩发现这种表达方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协作宣布了一篇论文,以谨慎的数学方式全面体系地论述了海森堡之前的提出的理论,正式宣告矩阵力学诞生。这项作业让海森堡在1932年独得诺奖。

之后,玻恩又对量子力学的另一种表述方式——波动力学——作了重要弥补。他完善了波函数的物理含义,提出了波函数的几率解说,这成为了后来波动力学被遍及承受的重要原因。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共享了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,其实最直接的解说是,在20世纪30年代他只取得过3次提名。其时的物理学家轻视了玻恩的奉献,以为他不足以和海森堡、薛定谔的奉献比较。并且玻恩自己也比较谦逊,他知道其时还有一批人不相信他的几率解说,其间就包含爱因斯坦。实践上这反映了科学界的一种杂乱性。玻恩在竭力推重海森堡的一同,海森堡并没有给予相同的赞扬,反而长期坚持沉默。好在玻恩终究仍是取得了诺奖,而他超卓的学生约当永久和诺奖坐失良机了。

1954年共享另一半奖金的是一项试验技能,博特创造的契合法用于勘探电离辐射的粒子勘探器,新的办法大幅提高了计数的功率。

博特 图源:Nobel Prize

1908年,德国物理学家盖革和英裔新西兰物理学家马斯登在卢瑟福的指导下进行了盖革-马斯登试验,由此创造晰一种能记载带电粒子数量的计数管,当带电粒子穿过计数管时,里边的气体会被电离然后导电,产生一个脉冲信号。1924年博特改进了试验规划,他把两个计数管连在一同,并接入一个逻辑电路。若两个计数管内一同发送了脉冲,则输出信号,标明事情是同一个粒子形成,或是粒子运动足够快可疏忽两管之间的移动时刻,这种办法便是契合计数法。

经过契合法能够挑选特定方向运动的粒子,因而在丈量世界射线的研讨中得到广泛应用,尤其是在1930年左右相关重要发现都用到了契合法。别的,前面说到的康普顿取得诺奖,其实也要感谢博特的作业。博特和盖革用契合法验证了康普顿散射进程中光子和反冲电子一同呈现,每次磕碰中的能量和动量守恒,而非仅仅计算含义上。这对量子力学的开展具有深远含义,现在契合法在量子光学范畴是常用的办法。

一台前期的盖革计数器丨图源:CBS

为什么要把他们俩放在一同得诺奖,那必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”,但终究能够用同一个理论解说,即量子电动力学。

两个方向硬凑

1978年的物理学奖能够说是硬凑集的典型了,颁给了两个彻底不同的方向。独享一半奖金的是苏联物理学家卡皮查,因“低温物理学的根本创造和发现”而获奖。另一半奖金由美国的两位工程师彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊取得,他们由于发现了世界微波布景辐射而获奖。

低温物理学,简略来说便是在低温环境下研讨物质性质的一门学科。一切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。当温度抵达肯定零度,热运动就会中止。在极低温的条件下,科学家发现了物质许多非同小可的性质,比方超导性。1913年荷兰物理学家昂内斯由于制取了液氦并发现了物质的超导性而取得了诺贝尔物理学奖,这也是该范畴的第一个诺奖。

装在通明容器里的液氦丨图源:Funsize Physics

1934年卡皮查规划了一种出产液氦的新设备,能够在不必液氢冷却的状况下许多产生液氦,为低温物理学创始新时代。随后卡皮查又进行了一系列的液氦试验,然后发现了液氦的超流动性——在肯定零度之上约2开尔文时,液体的黏度极低乃至消失了。他的试验证明晰氦II处于一种微观的量子状况,量子效应起主导效果。后来另一位苏联物理学家朗道理论上解说了超流现象的原因,他因“对凝集态特别是液氦的前驱性理论”取得了1962年诺贝尔物理学奖。

卡皮查丨图源:thefamouspeople.com

朗道的奉献不止一个诺贝尔奖,他在1962年获奖的原因更大或许是由于当年年头遭受了事故。诺奖不发给过世的人——再不发给他或许就来不及了!还有两位俄罗斯物理学家其时与朗道一同研讨超导体和超流体,他们直到2003年才取得诺贝尔奖。

卡皮查是位大师级的物理学家,除了低温物理学,还在强磁场、高温等离子体等研讨而出名。他也是苏联物理学的领军人物,苏联科学院主席团成员,莫斯科物理技能研讨所(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反对交涉,终究使朗道无罪释放。

朗道和卡皮查丨图源: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·威尔逊这两位贝尔试验室的工程师把一台通讯卫星的承受设备改装成了射电望远镜,用来接纳世界中传来的无线电波,这是现代地理学中最重要的研讨办法之一。当他们丈量天线功能时,发现了一个无法解说的现象,不管天线通向何处,都有一个等效温度为3.5K的噪声,剩余的温度是哪里来的?他们想办法扫除各种搅扰,还发现了天线上休息了一对鸽子,留下不少鸽子粪,他们一度以为这便是元凶巨恶,成果整理洁净后仍是噪声还在。折腾了一年,他们才知道到了这应该是一次新发现。

威尔逊和彭齐亚斯取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等人其时也在进行相关的作业,并且正是他向贝尔试验室的两人主张运用辐射计查找世界的微波布景,提出是否或许存在于世界前期残留下来的某种辐射。当彭齐亚斯联络到迪克时,迪克说,“咱们被抢先了”——他们两人先发现了世界微波布景辐射。

在大爆炸模型中,世界前期是充满着高温细密的等离子体和辐射,跟着世界胀大而逐步冷却。当冷却到必定温度,质子和电子结合成了中性的氢原子,世界开端变得通明,接下来光子开端自由地在空间中移动,这一进程被称之为光子退耦。跟着空间的胀大能量越来越少,留传下来的辐射现已到了微波波段,这便是世界微波布景辐射,也称之为留传辐射。

彭齐亚斯和威尔逊没能对这种辐射做出理论上的解说,所以他们的发现也遭受了一些争议,许多科学家以为猜想了世界微波布景辐射,并对大爆炸模型奠定根底的阿尔弗和伽莫夫、赫曼应该取得诺奖,他们的理论诞生于20世纪40年代,尽管在其时并没有被广泛重视,后来人们才知道到对世界学开展的重要性。

要得诺奖最好只要一位协作伙伴。2006年,两位美国物理学家由于发现微波布景辐射的黑体方式和各向异性取得了诺贝尔奖,再次将诺贝尔奖颁布给了世界学范畴。他们运用卫星进行了观测,他们的作业对探究世界来源,开展世界学成为一门精准科学方面起到了重要效果。

世界布景勘探器的成果让约翰·马瑟和 乔治·斯穆特共享了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勘探器观测到的世界微波布景辐射丨图源:NASA

这一门学科的理论开展,不得不说到上一年诺奖得主物皮布尔斯。他便是对世界微波布景辐射做出体系的理论解说的人,描绘了世界演化进程,不只要数学推导,亲近结合物理进程的剖析,开展了一系列的相关理论。当今了解到已知物质占有5%,不知道物质和能量占有95%的估测也源于他的理论,并且得到了观测试验的证明。

2004年,皮布尔斯取得了首届邵逸夫地理学奖,该奖点评他:“他为理论和调查方面的简直一切现代世界学研讨奠定了根底,将高度猜想性的范畴转变为精细科学。”作为当今在世对世界学奉献最大,可谓开宗立派的物理学家,诺奖发给他肯定没有争议,仅仅会让人觉得与系外行星的发现如同颁布了两个奖项。至于为什么没把他和之前几位放在一同获奖,一个很简单的估测便是:当年大牛扎堆,给仍是不给,是个问题。

詹姆斯·皮布尔斯 丨图源:Nobel Prize

未来还有凑集吗?

离咱们较近的,两个范畴凑在一同的还有2009年。这一年一半给了华裔物理学家高锟,奖赏他对“光在光纤传输方面所取得的创始性成果”,另一半由是加拿大裔美籍物理学家博伊尔和美国史密斯取得,他们创造晰半导体成像器材——CCD传感器。

这两项成果更挨近咱们今日的日子,光纤上网、数码相机遍及到了群众,为今日的信息化社会奠定了根底,他们别离获奖也入情入理。假如非要找点联络,那肯定是都跟光学有关,可史密斯和博伊尔在研制CCD时分,仅仅想做一个电子储存器,并未想到能用来成像。因而实践把CCD用在成像上的贝尔试验室Eugene I. Gordon和Michael Tompsett宣称应该取得诺奖,他们从而开展了将CCD应用于数码相机。

很明显,诺贝尔奖的颁布是在不断退让。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年的物理学奖也有凑集的痕迹,尽管都是激光范畴,但一个光镊,一个是激光扩大,一弱一强,是两个天壤之别方向。

关于2019年诺奖的另一半——系外行星的发现,也有个风趣的问题。米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹两人是经过径向速度勘探的办法,即观测恒星与行星由于引力效果下远离或接近地球,依据光谱的周期改变发现恒星的方位。他们这套办法创始了新的研讨范畴,取得诺奖也是实至名归的。2009年的诺奖奉献在地理观测上起到了十分重要在的效果,光纤是光学地理望远镜的根底东西,能够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,终究发现了第一颗系外行星。

径向速度法示意图丨图源:Nobel Prize

在系外行星发现的进程上,还有一位地理学家做出了超卓奉献,他也应是诺贝尔奖的有力竞争者。美国地理学家Geoffrey Marcy由于创始了凌星法而出名——依据行星绕在恒星前光变曲线产生周期性改变而发现恒星。这种办法在系外行星查找大赛的前期占有优势,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由于性骚扰指控而名声扫地,终究只能看到两位同行获奖。因而能够估测,诺奖委员会发现正好二缺一,那就赶忙发给皮布尔斯,大快人心。并且皮布尔斯获奖呼声一向很高,他现已多年陪跑,他们在一同协助咱们了解了世界演化,对咱们在世界中的方位有了新的知道。因而,尽管看起来像颁布了两个奖拼桌,还被以为有些意外,其实是入情入理的。

上一次颁布给两个范畴现已是十余年前了,未来会不会有更多的凑集?在近年来的诺贝尔物理学奖猜想中,呼声较高的包含高温超导、量子羁绊、减速光、钙钛矿太阳能电池、黑洞观测等,这些成果有些便是一人奉献最大,比方做出减速光的女科学家Lene Hau,再为她调配另一个方向是彻底有或许。把尽或许没争议的获奖者拼在一同发,何乐而不为?

最终总结一句话,送给未来有期望获奖的你们:百年诺奖,争议不断,比拼寿数,方能成功。

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