13.4 分类综述

物理学是自然科学中最基本的一门科学，它研究的是物质的基本成分及其相互作用、原子的特性以及分子与凝聚态的构成。它试图对物质和辐射的行为给出统一的描述，而这些行为涉及到类型繁多的现象。在物理学的某些应用中，物理学很接近于化学的经典领域，而在另一些应用中又与传统是由天文学家研究的一些现象有明显的联系。现在的趋势则是在物理学和微观生物学的某些领域之间出现了更紧密的接近。

尽管化学和天文学都明显是独立的科学部门，但都把物理学当作各自领域中处理问题、提出概念和应用工具的基础。在某些重叠的领域内，要区分什么是物理学、什么是化学，往往是很困难的事。这可以从诺贝尔奖的历史中找到好些例证。所以有一些化学奖将在下文中提到。至于天文学方面，情况有所不同，因为天文学没有自己的诺贝尔奖，因此很自然地从一开始就会把天体物理学的发现当作物理学奖的候选对象。

13.4.1 从经典物理学到量子物理学

1901 年当第一届诺贝尔奖颁发时，物理学的经典领域似乎是已经建立在 19 世纪物理学家和化学家所奠定的牢固基础之上了。哈密顿早在 19 世纪 30 年代就提出了刚体动力学最普遍的描述。19 世纪后半叶，继卡诺和焦耳之后，开尔文和吉布斯把热力学发展到高度完善的地步。麦克斯韦的著名方程组已被接受为电磁现象的普遍描述，并发现也可用于光学辐射，不久前电磁波还刚刚被 H.赫兹发现。

包括波动现象在内的每件事情似乎都能很好地适应那幅根据物体机械运动所构成的图画，这幅图画是在观测各种宏观现象时建立的。19 世纪末，有些学者的确曾经表达过这样的观点，认为留给物理学家做的事，只有是向看来已经相当完善的知识体中填充那些微小的缝隙而已。

然而，很快就清楚了，这种对物理学现状的满足，实际上是建立在虚假的前提上面的。19 世纪 20 世纪之交的年代成了一系列发现陆续作出的时期，人们观察到了许多以前完全无知的新现象，并在物理学的理论基础上形成了崭新的观念。也许这是一种历史的巧合，正好就在这个时候诺贝尔提出了诺贝尔奖，尽管诺贝尔大概没有可能预见到这一发展。诺贝尔奖在 20 世纪一开始就设立，正好使诺贝尔奖可以覆盖在这一时期打开了物理学新领域的许多杰出贡献。

在 19 世纪最后的几年里，不期而遇的现象中有一件，就是 1895 年伦琴发现的 X 射线，为此他 1901 年获得了第一届诺贝尔物理学奖。另一项是 1896 年贝克勒尔发现放射性，和随后居里夫妇研究这一辐射的特性。尽管当时人们并没有立刻了解 X 射线的起源，然而这些现象在诊治医疗方面的实际用途从一开始就十分清楚。更为重要的是，这些发现使人们认识到迄今隐藏的世界确实是存在的，从而打破了经典物理学已发展到头的片面观念。贝克勒尔和居里夫妇对放射性的工作获得了 1903 年诺贝尔物理学奖，这些工作再加上卢瑟福对 α 射线的研究（卢瑟福在 1908 年获得诺贝尔化学奖），使人们认识到以前被看成大概是没有结构的原子实际上包含了非常小而又非常紧凑的核。人们还发现，有些原子核不稳定，会发射 α，β 或 γ 等辐射。在当时这可以说是一种革命性的见解，后来和物理学其他领域的并行工作一起，导致了创立第一张有用的原子结构图像。

1897 年，J.J.汤姆孙用抽成半真空的放电管研究从阴极发射的射线，证实了电荷携带者的存在。他证明了，这些射线是由分立的微粒组成的，后来这种微粒就叫做“电子”。他测量了这种微粒的质量和电荷的比值，发现这一比值只是单电荷原子的质荷比很小的一个分量。不久就认识到，这些轻质量的微粒一定是和带正电的核一起作为构件板块组成所有不同种类的原子。J.J.汤姆孙在 1906 年获得诺贝尔奖。那时，勒纳德已于前一年得到了奖励，得奖的原因是由于阐明了阴极射线的其他令人感兴趣的特性，诸如其穿透薄金属片的能力和产生荧光的效应。不久之后，密立根在 1912 年用油滴仪作了第一次精确的电子电荷实验，这一成果使他获得了 1923 年诺贝尔物理学奖。密立根得奖的另一原因是他在光电效应方面的工作。

20 世纪之初，麦克斯韦方程组已经存在了好几十年，但是许多问题还仍然没有得到回答，例如：是什么介质传播电磁辐射和光？是什么样的电荷载体承担光的发射？迈克耳孙发展了一种干涉方法，可以把物体间的距离用光的波长数（当然也可以用其分数）来度量。这就使得长度的比较比以往任何方法都要来得精确。许多年以后，巴黎的国际计量局（BIPM）在迈克耳孙的主持下用一种特殊的辐射以波长数代替米原器定义了米的单位。迈克耳孙还和莫雷一起，用这样的干涉仪做了一个著名的实验：迈克耳孙-莫雷实验，这个实验得到了一个重要结论，就是光的速度与光源和观测者的相对运动无关。这一事实否定了早先把以太当作传光介质的假设。迈克耳孙于 1907 年获得了诺贝尔物理学奖。

洛伦兹研究了电的荷载子发射光的机制。他是最早把麦克斯韦方程运用于物质内部电荷的一位。他的理论也可以应用到原子振荡所引起的辐射。在这方面，很快就找到了第一个判决性的检验。早在 1896 年塞曼在寻找电场和磁场对光的效应时就作出了一个重大的发现，即火焰中的钠谱线在加上强磁场后会分裂成多个分量，这就是所谓的塞曼效应。这一现象可以用洛伦兹理论作出相当详细的解释，只要把这一理论用于不久就得到证实的电子的振动上。于是，洛伦兹和塞曼分得 1902 年诺贝尔物理学奖，他们得奖竟早于对 J.J.汤姆孙的奖励。后来，斯塔克把原子束（极隧射线，也叫阳极射线，是由原子或分子构成的）暴露在强电场中，又发现了电场对光发射的直接效应。他除了观测到依赖于发射体的速度的多普勒位移，还观测到谱线的复杂分裂。这就是所谓的斯塔克效应。斯塔克获得了 1919 年诺贝尔物理学奖。

在这一背景下，构筑原子的详细模型就有了可能。原子是一个从古代就有的概念，在经典物理学看来，它似乎是没有结构的实体。但是，自从 19 世纪中叶以来，人们已经掌握了大量可见光谱线的经验资料，表明不同类型的原子会发出不同的标识谱线，到了 20 世纪初，又加上巴克拉发现的 X 射线标识辐射（巴克拉因此获得了 1917 年诺贝尔物理学奖），在劳厄阐明 X 射线的波动性及其衍射之后，X 射线标识谱线就成了传递原子内部结构信息的重要来源。

巴克拉的标识 X 射线属于二次射线，对暴露在 X 射线管前的每种元素都有所不同，然而却与样品的化学形式无关。曼尼·西格班认识到，测量了所有元素的标识谱线就可以系统地显示，从轻元素到重元素电子壳层是怎样一层一层加上去的。为了这个目的，他设计了高度精密的 X 射线光谱仪，并且用这台仪器，确定了不同壳层的能量差和壳层间辐射跃迁的规则。1924 年曼尼·西格班获得了诺贝尔物理学奖。不过，后来发现，要更深入地认识原子结构，需要崭新的观念，这种观念与经典物理学传统观念的差别远远超过任何人所能想象的程度。

经典物理学假设不仅能量的得失是连续的，而且运动也有其连续性。然而为什么原子发出来的辐射却是具有尖锐的波长呢？在物理学的发展史上，有一并行的进展，这一进展也发端于 19 世纪末的物理学，对上述问题的解释起到了关键的作用。维恩研究了炽热固体的黑体辐射，这种辐射和气体中原子发出的辐射不同，频率具有连续的分布。他运用经典的电动力学，为这种辐射的频率分布推导了一个公式，并得到了黑体温度变化时最大辐射强度的波长随温度位移的公式。这个公式就叫做维恩位移定律，对于确定太阳温度之类的问题这个公式很有用处。维恩获得了 1911 年诺贝尔物理学奖。

然而，维恩没有能够推出在长波方向和短波方向都与实验相符的分布公式。这个问题一直没有解答，直到普朗克提出辐射能量只能以量子发射的崭新观念，即能量只能以能量子的形式一份一份地发射，能量子的能量是某一确定值，等于常数 h 乘上各能量子的频率。短波的频率高，具有比长波更大的能量。人们公认这就是量子物理学的诞生。为此普朗克获得了 1918 年诺贝尔物理学奖。对光以能量子的形式辐射的重要验证来自爱因斯坦对光电效应的解释，这一效应是 1887 年 H.赫兹首先发现的。爱因斯坦的光量子解释实际上是普朗克理论的延伸。爱因斯坦 1921 年获得了诺贝尔物理学奖。

后来，夫兰克和 G.赫兹所作的实验演示了逆光电效应，所谓逆光电效应，是指电子打到一个原子上，需要有一个最小的比能量，才能使原子发出一个有一定能量的光量子。他们由此证明了普朗克能量子公式的普遍性。夫兰克和 G.赫兹分享了 1925 年诺贝尔物理学奖。与此同时，康普顿获得了 1927 年诺贝尔物理学奖，他研究了 X 射线光子从实物粒子上散射时的能量损失，证明了 X 射线光子也同样遵守量子规则，尽管 X 射线光子的能量比光量子的大上万倍。那年的物理学奖的另一半奖给了 C.T.R.威尔逊，他的云室方法用于观测高能散射事件，可验证康普顿的预言。C.T.R.威尔逊的工作我们后面还会提到。

以能量量子化的概念为基础，人们把探索的触角伸向微观物理学的未知领域。尼尔斯·玻尔和他以前的一些著名物理学家一样，也以电子围绕原子核旋转的行星图像进行工作。他发现原子发射的尖锐谱线只能在如下的假设下作出解释：电子仅仅在某些稳定的轨道上运行，这些轨道是以量子化的角动量为特征的，即角动量等于整数单位的普朗克常数 h 除以 2π；原子发射频率为 ν 的辐射，相当于能量为 hν 的能量子，而 hν 等于电子的两个量子化能级之间的能量差。他的建议比普朗克的能量子假设更为偏离经典物理学。尽管这一假设只能解释某些最简单的光谱学问题，但是很快人们就接受了，玻尔的方法不失为一个正确的出发点。1922 年他获得了诺贝尔物理学奖。

在从经典物理学到量子物理学的过渡中，X 射线的研究起了十分重要的作用，20 世纪 30 年代以前有 7 位物理学家因为在这方面的先驱性工作获得诺贝尔物理学奖。亨利·布拉格和劳伦斯·布拉格开创的 X 射线结构分析方法（下面我们还要提到）一步一步深入，成为化学和生物物理学的核心技术，先后有 24 位科学家获得诺贝尔奖，奖项见表 13 – 3。

13.4.2 量子理论的发展

20 世纪 20 年代初，在人们的心目中，辐射与物质还是两类完全不同的概念，后来经过深入的讨论，才认识到有必要对微观世界的理论描述作出进一步发展。1923 年德布罗意建议，实物粒子应该也显示波动性，正如电磁辐射已被证明可以光子的形式显示粒子性一样。他提出了波粒二象性的数学表达式，其中包括后来所谓的运动粒子的德布罗意波长。戴维森的早期实验曾经显示，电子有可能产生类似于射到晶体上的波那样也产生反射现象。这些实验得到重复，验证了德布罗意预期的与运动电子相应的波长。稍微晚些，J.J.汤姆孙的儿子 G.P.汤姆孙作了大加改进的实验，电子以高得多的能量穿透薄金属箔片，显示出非常清晰的衍射效应。德布罗意于 1929 年以其理论得奖，而戴维森和 G.P.汤姆孙则分享了 1937 年诺贝尔物理学奖。

留下的问题是提出一个新的、自洽的理论来代替经典力学，从而可以用于原子现象和与之相关的辐射。1924—1926 年是这一领域急速发展的时期。薛定谔在德布罗意思想的基础上作了进一步的发展，1926 年初他写了一篇奠基性的论文，从而开创了波动力学。而在一年之前，海森伯就已经开始用不同的数学方法，即所谓的矩阵力学，得到了同样的结果（这是后来薛定谔证明的）。薛定谔和海森伯的新量子力学意味着从根本上脱离了原子经典轨道的原始图景，也意味着，要同时测量某些量在精确度上有自然限制。这就是海森伯不确定关系。

1932 年海森伯第一个因量子力学的发展获诺贝尔物理学奖，而薛定谔在第二年（1933 年）与狄拉克分享诺贝尔物理学奖。薛定谔和海森伯的量子力学只能在相对低速和低能的情况下有效，这相当于原子中价电子的“轨道”运动，有关它们的方程并不满足爱因斯坦为高速运动粒子定下的规则（我们将在后面提到）所提出的要求。狄拉克考虑了爱因斯坦狭义相对论效应，对量子力学的公式作了修改，并且证明这一理论不仅包含相当于电子内禀自旋的项（由此也就可以解释其内禀磁矩和原子光谱中观测到的精细结构），还预言有一种完全新的粒子存在，这就是具有同等质量却带相反电荷的所谓反粒子。第一个被发现的反粒子是电子的反粒子，是 1932 年由 C.D.安德森发现的，命名为“正电子”。1936 年 C.D.安德森获得诺贝尔物理学奖。

在以后的岁月里其他对量子理论作出的重要贡献也得到了诺贝尔物理学奖的嘉奖。海森伯 20 世纪 20 年代初的导师玻恩，在量子理论的数学表述和物理解释方面作了重要贡献，他由于在波函数统计解释方面的贡献于 1954 年获得诺贝尔物理学奖。泡利在玻尔旧量子理论的基础上提出了不相容原理。这个原理说的是在每个量子态中只能有一个电子。后来发现与这个原理关联着的是半整数自旋粒子的波函数的对称性。不相容原理在物理学的许多领域都有深远影响，泡利因此获得了 1945 年诺贝尔物理学奖。

电子自旋的研究不断展现物理学新的境界。斯特恩、拉比、布洛赫和帕塞尔在 20 世纪 30 年代和 40 年代发展了测定自旋粒子磁矩的精密方法，这种方法不但适用于原子，也适用于原子核。1947 年，他们达到了如此高的精确度，以至于库什有可能宣布电子的磁矩并不正好等于狄拉克预言的数值，而是有一小量偏差。与此同时，兰姆工作在类似的问题上，他研究的是电子自旋与电磁场的相互作用，采用分辨率极高的射频谐振法，研究氢辐射的可见光谱线的精细结构。他发现分裂的精细结构也不正好等于狄拉克的数值，而是偏离了一个相当大的量。这些结果激励人们重新考虑在量子理论应用于电磁学的背后蕴含着的基本概念。这是从狄拉克、海森伯和泡利就已开始的一个领域，但一直显得有某些不足。

在量子电动力学（QED）中，带电粒子是通过虚光子的交换而相互作用的，正如量子微扰理论所描述的那样。更老的模式只包含单个光子交换，而朝永振一郎、施温格和费因曼认识到情况实际上要复杂得多，因为电子-电子散射可以涉及多个光子交换。在他们的图像中，“裸”点电荷是不存在的，围绕着点电荷总有虚粒子-反粒子对的云产生，以至于其有效磁矩会有所改变，在短距离里库仑势也会因此有所改变。从这一图像出发进行的计算与库什和兰姆的实验数据符合到了令人吃惊的地步。现代量子电动力学目前公认是现有的最精确的理论。朝永振一郎、施温格和费因曼分享了 1965 年诺贝尔物理学奖。

量子电动力学这一进展成了描述高能现象最重要的理论工具。量子场（既可看成是虚过程，也可看成是粒子的真正物化）真空态生成对的概念在强相互作用的量子色动力学中，扮演着核心基石的作用。

量子力学和量子场论的另一基本方面是波函数和场的对称性。在恒等粒子的交换中显示的对称性，其实就隐藏在上述泡利不相容原理之中。但是相对于空间变换的对称性后来也起了同样重要的作用。1956 年李政道和杨振宁指出，物理学的相互作用相对于镜面的反射并不一定是对称的，也就是说，从左手坐标系看去和从右手坐标系看去，这一相互作用可能是不同的。这就意味着所谓宇称（以符号“P”表示）的波函数特性在系统暴露于这一相互作用下时是不守恒的，镜面反射特性有可能改变。李政道、杨振宁的工作是对这类效应进行集中研究的开端，不久就证明了，β 衰变和 π – μ 衰变，都是宇称不守恒的，它们属于所谓的弱相互作用。杨振宁和李政道于 1957 年获得诺贝尔物理学奖。

量子力学中其他的对称性关联于粒子和反粒子的置换，即所谓的电荷共轭（以符号“C”表示）。在李政道、杨振宁讨论到的情况，人们发现尽管放射性衰变中宇称是不守恒的，却仍然有其他的对称性，粒子和反粒子完全相反时破坏了宇称，可是把 C 和 P 联合起来，结果仍然保持对称性。但是这一论点并没有保持多久，克罗宁和菲奇发现“K 介子”的一种衰变模式破坏了这一原则，尽管只是很小的程度。克罗宁和菲奇是 1964 年作出这一发现的，直到 1980 年才被授予诺贝尔物理学奖。由他们的结果引申所得的结果，直至今日还在讨论之中。这涉及到理论物理学最深的某些基础，其中包括自然过程在时间反向时的对称性（以符号“T”表示），因为人们盼望 P – C – T 对称性是会经常有效的。

人们知道电磁场还有一种特性，就是所谓的“规范对称性”，这意味着场方程组即使在电磁势随某一量子力学相位因子或“规范”增加时，其形式仍保持不变。弱相互作用是否具有这一特性，并非不证自明的，但是在 20 世纪 60 年代末，格拉肖、萨拉姆和温伯格在他们的研究中却以此作为指导原则，当时他们提出了一个理论，能够在同一基础上描述弱相互作用和电磁相互作用。由于这一统一描述，特别是由于他们预言了一种特殊的弱相互作用，是靠所谓的“中性流”传递的。后来中性流在实验中找到，不久，他们获得了 1979 年诺贝尔物理学奖。

1999 年的诺贝尔物理学奖授予霍夫特和韦尔特曼。他们找到了使电弱理论重正化的方法，以使在量子力学的计算中移去趋向无穷大的各项，如同早先量子电动力学解决库仑相互作用的类似问题。由于他们的工作，才有可能详细计算弱相互作用在整个粒子相互作用中的贡献，他们证明了根据规范不变性所得的理论可以运用于一切基本的物理相互作用，

量子力学及其对粒子场论的扩展，是 20 世纪物理学的伟大成就之一。这段从经典物理学发展到近代量子物理学的历史，显示了对自然界各种不同的粒子和作用力进行基本的、统一的描述所走过的漫长道路，然而还有很多问题尚待解决，目标仍很遥远。例如，如何“统一”电弱力和强核力以及引力。但是这里应该指出，微观世界的量子描述还有另一方面的主要用途，即用于计算分子系统的化学特性，有时甚至可以延伸到分子生物学领域，还有就是用于计算凝聚态的结构。这些部门已经有多项获得了诺贝尔物理学奖和化学奖。我们下面列举有关量子理论的奖项来说明物理学在这些方面的发展。

13.4.3 从宏观世界到微观世界和宇观世界

上一小节“从经典物理学到量子物理学”把我们从日常经验经常遇到的宏观世界的现象带到原子、分子和原子核的量子世界。以原子为出发点，进一步深入到原子以下的微观世界及其最小的已知成分，这一旅程可以用另外一些诺贝尔奖得主所做的工作予以说明。

早在 20 世纪前半叶人们就认识到，进一步通向新粒子和相互作用的微观世界之旅程也提供了理解宇宙浩瀚结构的组成与演变史所需的信息来源。在现阶段，基本粒子物理学和天体物理学及宇宙学已经牢牢地绑到了一起，我们下面就来看几个例子。

在我们的宇宙中连接最小物体和最大物体的纽带是爱因斯坦的狭义相对论。爱因斯坦是在 1905 年第一次提出了他的狭义相对论，其中包含了质能关系式 E = mc²。在下一个 10 年中，他继续研究广义相对论，这一理论把引力与空间时间结构连接起来。高能粒子有效质量的计算、放射性衰变中的能量变换以及狄拉克关于反粒子可能存在的预言，都是建立在爱因斯坦狭义相对论的基础之上的。广义相对论则是计算宇宙中大尺度运动的基础，其中包括黑洞特性的讨论，等等。爱因斯坦是在 1921 年获得诺贝尔物理学奖的，然而，这一届诺贝尔物理学奖是奖励他对光电效应的工作，并不涉及相对论的创建。

贝克勒尔、居里夫妇、卢瑟福等人的工作向世人提出了一些新问题：在放射性物质的原子核中，是什么能源维持 α，β，γ 等辐射在如此之长的时期中不断向外发射？重的 α 粒子和原子核是如何组成的？前一个问题似乎违反了最重要的一条物理学基本原理——能量守恒定律。但是卢瑟福和索迪（索迪获得 1921 年诺贝尔化学奖）提出的嬗变理论给出了解答。他们详细列出了多个不同的放射性衰变系，比较了发射的能量和母核与子核之间的质量差。还发现同一种化学元素的核可以有不同质量，这类样品就叫做同位素。1922 年的诺贝尔化学奖授给了阿斯顿，以奖励他用质谱仪方法分离出大量非放射性元素的同位素。居里夫人则于 1911 年获得第二次诺贝尔奖，这次是化学奖，奖励她发现了化学元素镭和钋。

人们发现，所有的同位素质量都几乎等于质子质量的整数倍。质子是卢瑟福在用 α 粒子轰击氮核时第一次“看”到的。但是不同的同位素不可能是完全由质子组成的，因为每一种特殊的化学元素，其总核电荷只有一个单一的值。实际上质子只占原子核一半不到的质量，这就说明核内还存在有某种中性的组成部分。查德威克第一次发现了这类粒子的决定性证据。这种中性粒子就是中子。他是在 1932 年研究这一核反应而在 1935 年获得诺贝尔物理学奖的。

查德威克作出发现之后不久，费米等人就开始利用它来作为诱导核反应的手段。这种核反应可能产生新的人工放射性。费米发现，当中子减速后，中子诱导产生核反应的概率大大增加，并且对重元素和对轻元素都一样有效，不像带电粒子诱导的反应那样只能对轻元素起作用。费米在 1938 年获得了诺贝尔物理学奖。

有了中子和质子作为原子核的构筑组件后，核物理学这一部门就开始建立了，它的一些主要成就都得到了诺贝尔奖的嘉奖。劳伦斯在 1939 年获得诺贝尔物理学奖，奖励他建造了第一台回旋加速器，这种加速器的特点是对在磁场中旋转的粒子连续增加少量的能量。劳伦斯用这种机器使带电核粒子加速到如此之高的能量，以至于可以诱导核反应并获得重要的新结果。考克饶夫和瓦尔顿则是用不同的方法，他们直接用极高的静电电压加速粒子，并于 1951 年由于对元素嬗变的研究获得了诺贝尔物理学奖。

斯特恩由于研究原子核磁特性的实验方法，特别是测量了质子本身的磁矩，获得 1943 年诺贝尔物理学奖。拉比发明了射频谐振技术，用之于核磁矩的测量，精确度可以提高两个以上数量级。由于这项技术，拉比于第二年获得了 1944 年诺贝尔物理学奖。从核的磁特性可以提供大量重要的信息，增进对质子和中子是如何构筑原子核的了解。后来在 20 世纪下半叶，又有一些理论家由于在这一复杂的多体体系方面进行理论模型研究而获奖。他们是维格纳、迈耶夫人和简森（1963 年获得诺贝尔物理学奖）以及阿格·玻尔、莫特尔逊和雷恩沃特（1975 年获得诺贝尔物理学奖），我们将在“从简单系统到复杂系统”一节中再作介绍。

早在 1912 年，赫斯发现，从外层空间也有穿透力极强的辐射不断地到达我们身边。这就是首先用电离室探测到的宇宙射线，很快用前面提到的威尔逊云室也探测到了。宇宙射线的粒子性从加磁场产生的粒子轨迹的曲线可以判断出来。C.D.安德逊就是用这一方法发现了正电子。C.D.安德逊还和布莱克特证明了正负电子对可以由 γ 射线产生（需要其光子的能量至少为 2m_ec²），而电子和正电子又可以相互淹没，同时产生 γ 射线。布莱克特由于进一步发展了云室和用云室作出了新发现而在 1948 年获得了诺贝尔物理学奖。

尽管加速器得到了进一步发展，宇宙射线仍然在以后的 20 年里继续成为甚强粒子的主要来源。到现在为止它在这方面仍旧超过了最强大的加速器，只是强度非常之低。宇宙射线给人们提供了一种特殊的条件，使人们可以通过它对原子以下的完全未知的世界进行初步探索。1937 年，一种名叫介子的新型粒子发现了，其质量约为电子的 200 倍，只有质子的十分之一。1946 年鲍威尔对这一情况作了澄清，他证明实际上有不止一种这样的粒子存在。其中之一叫做 π 介子，会衰变为另一种叫做 μ 介子的介子。鲍威尔获得了 1950 年诺贝尔物理学奖。

这时，理论家已经开始猜测把质子和中子保持在原子核中的力。汤川秀树 1935 年提出建议，认为这一“强”作用力应该是由某种交换粒子携带的，就如同在新的粒子场论中电磁力被假设成是由虚光子的交换所携带的那样。汤川秀树还坚持说，这种粒子必须有大约 200 个电子的质量，才能解释实验中所发现的强力的短程性。人们发现，鲍威尔的 π 介子正好具有这样的特性，可以起“汤川粒子”的作用。μ 介子（后来改名为 μ 子）则具有完全不同的特性。汤川秀树因此获得 1949 年诺贝尔物理学奖。尽管后来的进展证明强力的机制远比汤川秀树所描绘的复杂，但他仍然被看成是第一位指出了这个富有成果的方向，是他首先提出了粒子是力的携带者这一崭新的思想。

20 世纪 50 年代，更多新的粒子得到了发现，有的是从宇宙射线，有的是从加速粒子的碰撞。到了 20 世纪 50 年代末，加速器达到几吉电子伏的能量，这意味着具有质子质量的粒子对可以经能量-质量变换产生。这就是张伯伦和西格雷所用的方法。他们用这种方法在 1955 年第一次证实和研究了反质子，并于 1959 年获得诺贝尔物理学奖。高能加速器还允许对质子和中子的结构进行比过去更详尽的研究。霍夫斯塔特靠它观测这些核子是如何散射甚高能电子，从而对核子的电磁结构作了详尽的分析。他获得了 1961 年诺贝尔物理学奖的一半。

新的介子伴随各自的反粒子一个接着一个出现了，有的以径迹的形式呈现在照相底片上，有的以数据的形式呈现在电子粒子探测器中。早在 20 世纪 30 年代就由泡利从理论上预言的“中微子”，到了 20 世纪 50 年代，它的存在得到了确认。中微子首次直接的实验证据是由考恩和莱因斯在 1957 年得到的，但直到 1995 年这一发现才获得诺贝尔物理学奖，这时考恩已于 1984 年去世。中微子是涉及弱相互作用的过程的参与者，例如，β 粒子衰变为 μ 子和 π 介子衰变为 μ 子的过程都有中微子参与。当粒子束的强度增大后，就有可能从加速器中产生中微子的二次束。20 世纪 60 年代莱德曼、施瓦茨和斯坦博格发展了这一方法，得到了如下结果：在 π 衰变中伴随 μ 发射所产生的中微子并不等同于在 β 衰变中伴随电子所产生的中微子。它们是两种中微子。一种起名为 μ 子中微子（ν_μ），另一种起名为电子中微子（ν_e）。他们三人在 1988 年获得了诺贝尔物理学奖。

物理学家现在可以开始把粒子整理出头绪了。电子、μ 子、电子中微子、μ 子中微子以及它们的反粒子分作一类，叫做轻子。它们之间没有强核力相互作用。有强相互作用的粒子分作另一类，其中有质子、中子、介子和超子，超子是一组比质子还要重的粒子。轻子这一组在 20 世纪 70 年代扩展了队伍，佩尔和他的合作者发现了 τ 轻子（τ 子）。τ 子是电子和 μ 子更重的亲属。佩尔在 1995 年与莱因斯分享诺贝尔物理学奖。

所有的轻子至今还被看成真正是基本的粒子，也就是说，它们是点状的、没有内部结构，但是对于质子之类的粒子来说，这方面却正好相反。盖耳曼等人设法把这些具有强相互作用力的粒子（也叫做强子）分类，为此盖耳曼获得了 1969 年诺贝尔物理学奖。他的分类法是基于这些粒子都由更基本的成分组成，盖耳曼称之为“夸克”。核子由夸克之类的物体组成的真正证据是由弗里德曼、肯德尔和理查德·泰勒得到的。当他们以比霍夫斯塔特所达到的高得多的能量研究电子与这些核子的非弹性散射时，他们“看见”了这些核子里面的硬粒。他们因此获得了 1990 年诺贝尔物理学奖。

所有强相互作用的粒子都是由夸克构成的，这一点已经不成问题了。到了 20 世纪 70 年代中期，两个小组独立地发现了一种寿命非常短的粒子。他们是里克特小组和丁肇中小组。这种粒子是夸克中的一种，取名为粲夸克。粲夸克正是基本粒子分类当中尚未找到的一种。里克特和丁肇中分享了 1976 年诺贝尔物理学奖。粒子物理学现在的标准模型把粒子分为三族，每族有两个夸克、两个轻子。第一族有“上”夸克、“下”夸克、电子和电子中微子；第二族有“奇”夸克、“粲”夸克、μ 子和 μ 子中微子；第三族有“顶”夸克、“底”夸克、τ 子和 τ 子中微子。每种粒子都伴随有各自的反粒子。弱电相互作用力的携带者分别是光子、Z⁰ 粒子和 W^± 玻色子，夸克之间强相互作用的携带者是所谓的胶子。1973 年帕利策尔、格罗斯和威尔查克提出“渐进自由”理论，很好地解释了夸克囚禁的事实。这一理论不仅深刻地改变了科学家们对自然界基本作用力作用方式的理解，也为量子色动力学理论奠定了基础。他们三人由于这一贡献于 31 年后获得了 2004 年诺贝尔物理学奖。1983 年鲁比亚小组用新的质子一反质子对撞机进行实验，证明了 W^± 粒子和 Z⁰ 粒子的存在，这台机器有足够的能量可以产生这些非常重的粒子。鲁比亚于 1984 年和范德梅尔分享了诺贝尔物理学奖。范德梅尔发明了一种“随机冷却”的方法，对这台对撞机的建造起了决定性的作用。也有人猜测，如果达到的能量比现有的加速器更高，也许能产生更多的粒子，但是迄今为止，尚未得到任何新的实验证据。

宇宙学是研究我们的宇宙及其中的大尺度对象之结构和演变的一门科学。其模型正是建立在已知的基本粒子及其相互作用之特性以及空间一时间和引力之特性的基础之上。“大爆炸”模型描述的是宇宙早期演变的一种可能方案。由这一模型出发，有一个预言得到了实验的证实，这就是彭齐亚斯和 R.威尔逊在 1960 年发现的宇宙微波背景辐射。为此他们分享了 1978 年诺贝尔物理学奖。人们设想在大爆炸的早期阶段突然爆发会留下余晖，这一背景辐射正是余晖存在的证据。实验还验证了这一余晖的平衡温度，正是根据宇宙现在年龄计算所得的 3 K。这一背景辐射几乎是各向同性的，即从不同的方向观测，都是几乎一样的。现在正在研究其与各向同性的微小偏离，这些偏离给我们带来宇宙最初的信息外层空间可以比作粒子各种相互作用的庞大竞技场，在这里自发地创造出了各种极端条件，这是在实验室里无法达到的。粒子可以加速到比地球上任何加速器所能达到高得多的能量。在恒星内部扩散着核聚变，而引力将粒子系统压缩到极高的密度。贝特第一个描述了氢循环和碳循环，在这些循环中，质子聚变为氦核，从而在恒星中释放出能量。由于这一成就，贝特获得了 1967 年诺贝尔物理学奖。

钱德拉塞卡尔从理论上描述了恒星的演变，特别是那些以“白矮星”作为归宿的恒星。在某些条件下，终端产物也可能是“中子星”。中子星是一种极端压缩的星体，所有的质子都转变成了中子。在超新星爆炸时，生成的重元素随着星体演变散布到广表空间。W.A.福勒详尽阐述了恒星中某些最重要的核反应和重元素的生成，不仅在理论上，还用加速器进行了实验。为此，W.A.福勒和钱德拉塞卡尔分享了 1983 年诺贝尔物理学奖。

从外层空间到达我们这里的电磁波不仅是可见光和宇宙背景辐射。射电天文学在更长的波段上提供了光学光谱学得不到的有关天文学对象的信息。赖尔发展了一种方法，可以把多个分离的射电望远镜所得到的信号综合在一起，大大增加了天空射电源图像的分辨率休伊什和他的小组用赖尔的射电望远镜在 1964 年作出了意想不到的发现：某种未知的天体竞极其有规律地重复发射射频脉冲。这种天体就叫做脉冲星。不久就证实它们也是中子星。由于它们也是强磁体，它们会像灯塔那样一边快速旋转，一边发射无线电波。赖尔和休伊什获得了 1974 年诺贝尔物理学奖。

到 1974 年，探索脉冲星已经成为射电天文学家的常规工作，但在这一年的夏天传来了又一件令人惊奇的消息。赫尔斯和小约瑟夫·泰勒注意到一颗新发现的取名为 PSR1913 + 16 的脉冲星，它发出的脉冲频率受到周期性的调制。于是他们发现了第一颗脉冲双星。之所以称为双星，因为正在发射的中子星偶然地成了紧密结合的双星系统之一员。双星的另一成员具有同样的大小。这一系统提供了长达 20 多年的连续观测，成了引力辐射第一个具体的证明。令人更为惊奇的是，其旋转频率的减少，如果看成是引力辐射的损失造成的，与基于爱因斯坦理论所作的预测符合得极好。赫尔斯和小约瑟夫·泰勒获得了 1993 年诺贝尔物理学奖。不过，在地球上直接探测引力辐射仍然有待实现。

中微子天文学和 X 射线天文学的创立对于研究天体物理学有重要意义。这是 20 世纪后半叶发展起来的新课题。20 世纪 60 年代，戴维斯把一个装有 615 吨液态四氯乙烯罐放置在一个金矿中。罐中共有大约 2×10³⁰ 个氯原子。他算出每个月应有大约 20 个中微子与氯核发生反应，也就是说，应有 20 个氩原子产生。戴维斯改进了提取及计数这些氩原子的方法。他向四氯乙烯液体中通以氦气，以使氩原子附在氮气上。实验数据的收集工作一直持续到 1994 年，总共提取了约 2 000 个氩原子。然而，这个数字比预期的小。根据实验中所采用的控制方法，戴维斯证明没有氩原子离开氯罐。这就说明了要么是我们还未正确认识太阳上的反应过程，要么是有一些中微子在路上遗失了。

日本物理学家小柴昌俊对中微子物理学作出了另一个开创性的工作。他和他的小组研制的中微子探测器（神冈中微子探测实验装置）放置在日本的一个矿井中，由一个很大的装满水的罐构成。当中微子穿过这个罐时，它们会与水中的原子核相互作用。这个反应导致释放电子，产生了微弱的闪光。包围在罐四周的光电倍增管捕捉到这些闪光，记录下来。调节探测器的灵敏度，可以证明中微子的出现。小柴昌俊的神冈探测器不但可以记录反应发生的时间，并且能识别出方向，从而首次证明中微子来自太阳。1987 年 2 月神冈探测器接收到名为 1987A 的超新星爆发所产生的中微子脉冲。小柴昌俊的研究小组观察到通过探测器的约 10¹⁶ 个中微子中的 12 个。1996 年小柴昌俊研制的更大更灵敏的探测器——超级神冈实验装置观测到了全新的中微子振荡现象，这意味着中微子具有非零质量。戴维斯和小柴昌俊的发现以及他们对仪器的改进为中微子天文学奠定了基础。

贾科尼领导研制了世界第一个宇宙 X 射线探测器，在世界上第一次发现了太阳系外的 X 射线源，第一次证实宇宙存在着 X 射线背景辐射。由于这些贡献，贾科尼、戴维斯和小柴昌俊分享了 2002 年诺贝尔物理学奖。

13.4.4 从简单系统到复杂系统

即使我们掌握了基本粒子的特性及其相互作用力所有的细节，我们也无法预测这些粒子所组成的所有系统的行为。粒子数及系统的相互作用越来越多，由此组成的复杂系统的行为实际上是无法计算的。所以，复杂的多粒子系统必须以粒子成分和相互作用最

基本的特点作为出发点建立简化模型，才能作出适当的描述。

1．原子核

第一个复杂系统也许是核子，即由夸克和胶子组成的中子和质子。第二个是原子核，原子核在一次近似的情况下可以看成是由分离核子组成的。第一个改进了的原子核结构模型是核壳模型，是 20 世纪 40 年代末由迈耶夫人和简森提出的。他们认识到，至少对于近于球形的核，外层核子有可能像原子中的电子一样地填充能级，但是从另一方面，它们又必须服从不同的势和由核力的自旋一轨道耦合所决定的顺序。他们的模型解释了为什么当核中的质子或中子正好是所谓的“幻数”时，这个核特别稳定。他们在 1963 年和维格纳一起获得了诺贝尔物理学奖。维格纳提出了基本对称原理，这一原理在核物理学和粒子物理学中都很重要。

核子数远离幻数时，原子核就不是球形了。尼尔斯·玻尔曾经把液滴模型用于研究原子核变成椭圆球形的情况。1939 年，人们发现这种变形的核受到激发时可能导致核裂变，即分裂成两大碎片。哈恩 1944 年由于发现这一新过程获得诺贝尔化学奖。非球形的变形核允许新的集体的、旋转的自由度。还有，核子也可能作集体的振动。雷恩沃特、尼尔斯·玻尔的儿子阿格·玻尔和莫特尔逊，由于提出了描述这类行为的核模型而获得了 1975 年诺贝尔物理学奖。上述核模型不仅是建立在普遍的原理上，而且是建立在核谱学不断增加的信息上。尤里发现了氢的重同位素氘，为此，他获得了 1934 年诺贝尔化学奖。上节提到的费米、劳伦斯、考克饶夫和瓦尔顿发展了生成不稳定核同位素的方法。麦克米伦和西博格把这一方法延伸到最重的元素，发现了一系列超铀元素，为此他们获得了 1951 年化学奖。1954 年博特由于发展了符合方法，从而使光谱学家有可能从核衰变产生的各种生成物中选择所需要的产物，因此，博特和上面提到的玻恩分享了 1954 年诺贝尔物理学奖。他的方法对后来核技术的发展有重要意义，特别是对核的激发态及其电磁特性的研究。

下面我们列表说明有关核物理学的奖项，如表 13 – 5，其中 23 人获得物理学奖，12 人获得化学奖。

一些物理学家获得化学奖有两个原因：当时核物理学往往被看成是化学问题，而核物理学在化学中的应用往往引起突破性的成果。

2．原子

如果把原子看成多体系统，原子的电子壳层是比核更容易了解的。原子核实际上不仅含有质子和中子，还比原子多了其他的短寿命虚粒子。这是因为电磁力比把核约束在一起的强力要弱得多和简单得多。用薛定谔、海森伯和泡利发展起来的、后来又经狄拉克推广的量子力学，原子性电子的主要性质均可得到推证。然而，仍有一个问题长期得不到解决，这就是当考虑到正核对电子的吸引时电子间相互作用的数学问题。1998 年的诺贝尔化学奖得主柯恩发展了量子化学中的密度函数方法，这一方法既可用于自由原子，也可用于分子和固体中的电子。

20 世纪初，元素周期表尚未完善。诺贝尔奖的早期史包括了某些当时还未找到的元素。斯特拉特（即瑞利勋爵）注意到从我们周围大气中直接提取的氧和氮样品，比从化学化合物分析得到的在原子量上有所不同。他于是得出结论，我们周围的大气中一定是有某些尚未发现的成分，这就是原子质量为 20 的氩元素。瑞利获得了 1904 年诺贝尔物理学奖，同年，拉姆赛由于创造分离氦元素的方法获得了诺贝尔化学奖。

在 20 世纪的后半叶，原子波谱学有了巨大的发展，其精确度大大提高，可以用于测量微波和光波波段的原子或分子能级之间的跃迁。卡斯特勒和他的合作者在 20 世纪 50 年代证明了用偏振光可以把原子中的电子提升到人们所选择的子激发态。经过辐射衰变，可以使原子回到基态某一自旋取向。由此导致的射频跃迁使人们有可能以从未有过的精细程度测量原子中电子的量子态特性。还有一条平行的发展路线是发明了微波激射器和激光器，其基础分别是在强微波和光场中“受激辐射的放大”。这些效应从原理上说，在爱因斯坦1916年提出的公式中就预见到了，不过直到 20 世纪 50 年代初，还没有人讨论如何予以实现。

1958 年汤斯发展了第一台微波激射器。有关微波激射器原理的理论工作是由巴索夫和普罗霍罗夫做出的。第一台微波激射器用的是氨分子的受激跃迁。它发射出强烈的微波辐射与自然发射的不一样，是相干的，也就是所有的光子都是同位相的。其频率的尖锐性很快就使它成为技术上的重要工具，用于计时等等。为此，汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫分享了 1964 年诺贝尔物理学奖。

在光波波段的辐射方面，后来好几个实验室研制了各种激光器。布洛姆伯根和肖洛由于他们在原子和分子精密激光光谱学方面的工作于 1981 年受到奖励。他们和曼尼·西格班的儿子凯·西格班分享了那年的诺贝尔物理学奖。凯·西格班利用在能量极其精细的 X 射线打击下，从电子壳层的内层发射出的电子，发展了另一种高精确度的原子分子能谱学方法。他的光电子和俄歇电子能谱仪作为分析仪器广泛用于物理学和化学的其他一些领域。

原子性电子和电磁场的受控相互作用不断提供有关原子中电子能态结构越来越详尽的信息。拉姆齐根据原子束中自由原子对外来射频信号的响应研制出了极其精确的计时方法，而保罗发明了原子陷阱。这种陷阱是由作用在采样空间的电场和磁场组成。德梅尔特的小组首先把正电子之类的单个粒子甚至单个原子隔离在这样的陷阱里面。实验者第一次可以用微波信号或激光信号与单个原子“对话”。这就进一步加强了对量子力学行为新特性的研究，大大提高了原子特性和计时的精确度。保罗、德梅尔特和拉姆齐因此获得了 1989 年诺贝尔物理学奖。

这方面最近的发展是在陷阱中让原子的运动减慢到这样的程度，以至于可以使它的温度降到微开（μK）的数量级。用温度来表示原子的状态是假设原子处于气体的热平衡状态下。朱棣文、科恩-塔诺季和菲利普斯运用所谓的“激光冷却”方法做到了这点。他们以巧妙的设计把这种方法付诸实现，他们的小组通过激光光子的撞击操纵原子。这些工作在测量技术上得到了重要应用，并且使测定原子特性的精确度越来越提高。1997 年朱棣文、科恩-塔诺季和菲利普斯获得了诺贝尔物理学奖。

在激光冷却方法的基础上，科内尔和威依曼 1995 年第一次实现了铷原子的玻色-爱因斯坦凝聚。随后凯特勒也实现了钠原子的玻色-爱因斯坦凝聚。玻色-爱因斯坦凝聚是一种宏观量子现象，从玻色和爱因斯坦 1924 年在理论上作出预言以来，七十年过去了，人们终于在实验中观测到了这一现象，这件事情在凝聚态物理学的发展中当然意义非凡。为此，2001 年的诺贝尔物理学奖授予了科内尔、威依曼和凯特勒。

3．分子和等离子体

分子是由原子组成的。如果把分子看成是多体系统，它们就形成了复杂性的第二个层次。但是分子现象传统上是当作化学的一个组成部分。例如，1936 年德拜获得的是诺贝尔化学奖就是因为这个缘故。也就是这个缘故，在诺贝尔物理学奖中极少关注这个层次。一个例外是对范德瓦耳斯的表彰，1910 年他获得了诺贝尔物理学奖，理由是他提出了以他的名字命名的气体分子状态方程。他考虑到分子间的相互作用和由于分子本身所占有的体积而使自由空间减少。范德瓦耳斯方程是描述气体凝聚为液体这一过程的重要出发点。还有就是佩兰，他研究了水中悬浮微粒的运动，为此获得了 1926 年诺贝尔物理学奖。他的研究对验证爱因斯坦的布朗运动统计理论和重力影响下悬浮微粒的平衡定律创造了条件。

1930 年拉曼获得诺贝尔物理学奖，得奖的原因是他观测到在分子的散射光中，有一个成分相对于入射的单色光发生频移。频移是由于分子改变其转动或振动状态时有一定能量的增益或损失。拉曼光谱学迅速成为获取分子结构和分子动力学有关信息的重要来源。

等离子体是原子或分子都处于强烈电离状态的一种气态物质。这时电磁相互作用力起着主导作用，其中有正离子之间的相互作用和离子与电子之间的相互作用，这种状态比起中性原子或分子要复杂得多。20 世纪 40 年代阿尔文证明在这类系统中有可能出现一种新型的集体运动，叫做“磁流体力学波”。这种波不仅对实验室里的、也对地球大气层里和宇宙间的等离子体的行为起有决定性的作用。阿尔文在 1970 年获得了诺贝尔物理学奖。

4．凝聚态

在普通的温度和压力条件下原子可以组成不同状态的固体，而晶体结构则是最稳定的一种状态。20 世纪 30 年代布里奇曼发明了多种方法，可以向不同的固体施加极高的压力，再观测其结晶状态、电、磁和热特性。许多晶体在这种极端环境下发生了相变。在某些确定的压力下原子的几何排列会发生突变。布里奇曼由于在高压物理学领域的发现，获得 1946 年诺贝尔物理学奖。

20 世纪 40 年代由于裂变反应堆的发展，实验者有可能大量获得低能中子。人们发现，这类中子如同 X 射线，对测定晶体结构很有用处，因为与其关联的德布罗意波长也正好落在固体的典型原子间距的范围内。沙尔对中子衍射技术作出了重要贡献，他把这一技术用于晶体结构的测定，并且证明，有序磁性材料中原子磁矩的有规则排列，有可能产生中子衍射图像，从而为测定磁性结构提供了一种很有用的新工具。

沙尔 1994 年与布罗克豪斯共获诺贝尔物理学奖。布罗克豪斯是从另一方面把中子散射运用于凝聚态的研究，他发现当中子在晶格中激发振动模（声子）时，能量损失大大减少。为此布罗克豪斯发明了三轴中子谱仪，用以获得全色散曲线（把声子能量作为波矢量的函数所作的曲线）。磁性点阵的振动（磁子模），也可以用类似的曲线来记录。

在量子力学建立以后的年代里，范扶累克对凝聚态物质中的磁性理论作出了巨大贡献。他计算了化学键对顺磁性原子的作用，解释了温度和外加磁场对磁性的影响。特别是，他发展了晶体场影响过渡金属化合物磁性的理论，这个理论对了解激光物理学中的化合物活动中心和生物分子的作用具有重要的意义。他和 P.W.安德森及莫特分享了 1977 年诺贝尔物理学奖。

每个磁畴中磁性原子的磁矩都可以沿同一方向有序排列（铁磁性），有的以同样大小的“向上”和“向下”磁矩交替排列（简单的反铁磁体），或者以更复杂的花样排列，其中包括各种不同的磁性次晶格（铁磁体等）。奈耳提出了各种基本模型来描述反铁磁物质和铁磁物质。这些问题后来用上面提到的中子衍射技术作过深入探讨。奈耳获得了 1970 年诺贝尔物理学奖

晶体性固体中原子的几何有序以及各种不同的磁性有序都是自然界普遍的有序现象的例证，这时只要选择某种对称状态，系统就可以进入某种特殊偏爱的排列状态。当接近不同对称态之间的转变时，会出现临界状态，例如温度变化时，就会出现物态变化。对于不同的转变，临界状态有很大程度的普适性，其中包括磁性的转变。K.威尔逊针对与相变有关的临界现象发展了一个所谓的重正化理论，这个理论甚至在粒子物理学的某些场论中也找到了应用。为此，K.威尔逊获得了 1982 年诺贝尔物理学奖。

液晶组成了一族特殊的物质，它有许多有趣的特性。这些特性不仅涉及凝聚态物质的基本相互作用，而且涉及技术上的应用。德热纳为液晶的行为及其在不同的有序相之间的转变提出了一个理论。所谓的有序相，包括向列相、层列相等。他还用统计力学描述聚合物链的排列和动力学，从而证明了，从简单系统的有序现象发展的方法可以推广到“软凝聚态物质”中出现的复杂系统。为此，他获得了 1991 年诺贝尔物理学奖。

另外一种受到注意的特殊液态是液氦。在标准压力下，这种物质保持液态，一直到能够达到的最低温度。它还显示出强烈的同位素效应，因为 ⁴He 在 4.2 K 凝聚为液体，而其更稀少的同位素 ³He 保持气态，一直到 3.2 K。氦是卡麦林-昂纳斯在 1909 年首先液化的。他于 1913 年获得诺贝尔物理学奖，是因为他生产了液氦，并研究了物质在低温下的特性。朗道提出了有关凝聚态物质中多体效应的概念，例如朗道液体等，并且把它们运用到液氮理论，解释了 ⁴He 中发生的一些特殊现象，例如超流动性（下面还要讲到）、“旋子”的激发，以及某些声学现象。他获得了 1962 年诺贝尔物理学奖。

卡皮察在 20 世纪 20 年代和 30 年代发展了一些用于低温现象的产生和研究的实验技术。他研究了液态 ⁴He 的许多性质，证明它在 2.2 K 以下会变成超流体，也即流动时没有阻力。超流体状态后来被理解为玻色一爱因斯坦凝聚中出现了宏观量子相干性。超流动性在许多方面都与某些导体中电子处于超导态具有共同的特点。卡皮察获得了 1978 年诺贝尔物理学奖。

液态 ³He 有一些性质非常特殊。和 ⁴He 的核不一样，它的核具有非零的自旋。因此，它是一种费米子，不能参加玻色-爱因斯坦凝聚，只有玻色子才能有这样的特性。然而，正如在超导体中那样，半自旋粒子对可以组成“准玻色子”，并凝聚为液相。³He 超流动性的转变温度比 ⁴He 低了上千倍。³He 超流动性是戴维·李、奥谢罗夫和 R.C.里查森发现的，他们获得了 1996 年诺贝尔物理学奖。他们观测了三种不同的超流体相，证明了复杂的漩涡结构和有趣的量子行为。

凝聚体中的电子可以像在绝缘体中那样约束在各自的原子里，也可以在原子之间自由运动，就像在导体中和半导体中那样。20 世纪初，人们就知道，当加热到高温时，金属会发射电子，但是不清楚这是由于电子受热激发还是由于和周围的气体发生了化学作用。通过高真空下进行的实验，O.W.里查孙最终确定了，电子发射是一种纯粹的热离子效应，并且根据电子在金属中速度分布建立了一个定律。为此，O.W.里查孙获得了 1928 年诺贝尔物理学奖。

电子结构决定了固体的电、磁和光的特性，对于其力学和热学行为也有重要意义。20世纪物理学家的主要任务之一就是测量电子的状态和动力学并且模拟它们的行为，从而了解在不同类型的固体中它们是如何组构起来的。很自然，电子行为中那些最令人难以预料的一些极端表现曾经吸引固体物理学界最强烈的兴趣。这也反映在诺贝尔物理学奖中，有一些奖的颁发与超导电性的发现有关，有一些是和某些半导体材料所显示的一些特殊效应有关。

超导电性是早在 1911 年就由卡麦林-昂纳斯发现的。他注意到当把汞冷却到转变温度之下时，汞的电阻降到小于平常值的十亿分之一。汞的转变温度 T_c 约为 4 K。前面已经说过，他获得了 1913 年诺贝尔物理学奖。然而，后来又过了很长的时间仍不了解为什么低温下的电子在某些金属中会无阻力地流动。

1950 年，金茨堡与朗道一起，在朗道二级相变理论的基础上，提出了所谓的金茨堡-朗道理论。这个理论选择描述超导电子的有效波函数作为有序度参量，得出了两个重要的联立方程，从这两个基本方程出发，金茨堡和朗道成功地获得了超导体的许多特性，特别是超导体为薄膜形状时的一些特性。为此，金茨堡在他 87 岁时获得了 2003 年诺贝尔物理学奖。

金茨堡和朗道提出的是一种唯象超导理论，能够很好地说明超导电性，但他们只注意到在超导相和正常相之间界面能为正的情况。早在 20 世纪 50 年代初，朗道的学生阿布里科索夫在研究当时的玻璃底板上镀金属薄膜的实验数据时，发现这一理论与实验结果不符，于是大胆假设界面能为负的条件，计算结果显示，有可能出现磁通线形成周期性“格子”的“混合态”（第二类超导体）。但他的研究没有得到导师朗道的认可，阿布里科索夫自己也还没有充分认识这一理论的意义，于是论文就被搁了下来，直到 1957 年才正式发表第二类超导体的理论。阿布里科索夫由于发现第二类超导体而于 2003 年获得诺贝尔物理学奖。

与此同时，莱格特由于在 1975 年建立了能够成功描述 ³He 超流性质的理论而与金茨堡及阿布里科索夫一起获得了 2003 年的诺贝尔物理学奖。

完整的超导理论是在 20 世纪 60 年代库珀、巴丁和施里弗建立的。他们的突破是由于提出了库珀电子对理论。所谓库珀电子对，是指具有相反自旋和运动方向的一对电子，它们在运动时可以有更低的能量。这些库珀对可以看成是玻色子，因此可以像相干流体一样地运动。这个理论就叫做 BCS 理论，为此，他们三人获得了 1972 年诺贝尔物理学奖。

这一建立在量子力学基础上的突破，导致了超导体线路和元件的重大进展。约瑟夫森分析了用常规导电材料隔开的两片超导金属之间超导载荷子的输运过程。他发现，决定输运特性的量子位相是加在这个结上的电压的振荡函数。约瑟夫森效应在精密计量中有重要应用，因为由此可以在电压和频率之间建立联系。约瑟夫森获得了 1973 年诺贝尔物理学奖的一半。贾埃沃发明了“隧道结”，这是根据超导电性做成的一种电子器件。他还详细研究了这一器件的特性。江崎玲於奈则对半导体中的超导现象作了研究。他们两人分享了那年诺贝尔物理学奖的另一半。江崎玲於奈的工作我们下面还会提到。

在卡麦林-昂纳斯的发现之后的 75 年间，尽管也发现了一些新的超导合金和化合物，但是似乎超导电性将永远属于一种低温现象，其转变温度的极限只稍微高于 20 K。所以，当柏诺兹和缪勒提出，如果掺入少量的钡，铜镧氧化物有可能在 35 K 以上变成超导体，这一报导成了令人大吃一惊的新闻。不久，其他的实验室报告说，类似结构的铜化合物可以在 100 K 左右成为超导体。“高温超导体”的发现，激发物理学家致力于探讨在这些特殊物质中超导电性的机制，柏诺兹和缪勒也因此获得了 1987 年诺贝尔物理学奖。

自从量子力学出现以来，金属常规导电状态中的电子运动在理论上采用了越来越复杂的模型。早期主要的一步是引进了布洛赫波的概念。布洛赫是 1952 年诺贝尔物理学奖得主。另一个重要概念是由朗道引进的，叫做“电子流体”。P.W.安德森对金属系统中电子结构的理论作出了重要贡献，特别是涉及合金中的不均匀性和金属中磁性杂质原子的效应。莫特研究了固体中电子导电性的普遍条件，并且提出了成分或外界参数改变时绝缘体变成导体的转变点所遵守的规则。这个转变点就叫莫特转变。由于对磁性系统和无序系统的电子结构所作的理论研究，P.W.安德森、莫特和上面提到的范扶累克分享了 1977 年诺贝尔物理学奖，

早期的一项诺贝尔物理学奖（1920 年）曾授予纪尧姆，奖励他发现了某些镍钢（也称“殷钢”合金），其热膨胀系数几乎等于零。这次授奖主要是因为这些合金对物理学和大地测量学的精密计量非常重要，特别是涉及到巴黎的标准米原器。殷钢合金已经广泛用于各种高精度机械、钟表等。然而，这一温度无关性的理论背景只是在最近才得到解释，特别是由于量子化学的发展。1998 年诺贝尔化学奖授给了柯恩，他是一位从事量子化学的物理学家。柯恩在揭示材料的电子结构方面作出了突出的贡献。他创立并发展了分布密度理论，使科学家们在探知物理、化学和材料科学中的原子、分子和固态物质的电子结构中，所使用的方法发生了根本性的改变。

在半导体中，因为有“能隙”存在，电子的迁移率大大减低，所谓“能隙”，也就是参与导电的电子能量有一些禁区。只有在对超纯硅或其他导电材料掺杂的基本作用得到认识之后，半导体才有可能当作电子工程的器件来使用。肖克利、巴丁和布拉顿对半导体进行了基础研究，发明了第一只晶体管。这是固体电子学时代的开始。他们分享了 1956 年诺贝尔物理学奖。随后，江崎玲於奈发明了隧道二极管，这是一种具有负差分电阻的电子器件，因此在技术上有很奇异的特性。它是由两层高度掺杂的 N 型和 P 型半导体组成，结的一侧电子过剩，另一侧电子亏欠。当偏压大于半导体的能隙时，就会发生隧道效应。

用近代技术就有可能把不同的半导体材料制作成极薄和十分规范的构件，互相直接接触。在这一系统上加以适当的电极电压，就可以组成反向层，反向层里载荷子基本上只能在二维中运动。这种运动显示出了意想不到的有趣特性。1980 年冯·克利青由此发现了量子霍尔效应。当强磁场垂直加在准二维反向层平面上时，磁场的增大并不能使样品两端的电压作线性增加，而是台阶式的。这是一种量子化的条件。在这些台阶之间，霍尔电阻等于 h/ie²，其中 i 是一整数。由于这项发现使极其精确地测量两项基本常数的比值成为可能，因此对计量技术有重要意义，冯·克利青获得了 1985 年诺贝尔物理学奖。

当崔琦和施特默不久后用超高纯度材料中的反向层对量子霍尔效应作更精细的研究时，更大的惊奇出现了。霍尔效应的平台不仅出现在相当于一倍、二倍、三倍电子电荷的磁场，而且出现与相当于分数电子电荷的磁场。这一现象只有用一种新型的量子流体才能理解，在这种流体中，带电荷 e 的独立电子被多粒子系统所代替，其在强磁场中的行为就好像电荷是 e/3，e/5 一样。克劳林发展了描述这一新型物质状态的理论，为此，他和崔琦与施特默分享了 1998 年诺贝尔物理学奖。

有时物理学一个领域里的发现后来对截然不同的其他领域有重要的应用。其中的一个例子与固体物理学有关，就是穆斯堡尔在 20 世纪 50 年代末观测到的一种核效应。吸收体原子中的原子核可以被适当选择的发射体原子所发射的 γ 射线谐振激发，只要这两个原子都束缚得无法反冲。处于固体内电场和内磁场的原子核的量子化能量由此得以测量，因为它们相当于谐振的不同位置，而这些谐振是极其尖锐的。这对于测定许多物质的电子结构和磁性结构有重要意义。为此，穆斯堡尔获得了 1961 年诺贝尔物理学奖的一半。

13.4.5 物理学与技术

上面提到的许多发现和理论都曾对技术的发展有深远影响：开辟物理学新领域或者提出新思想，从而发展新技术。引人注目的事例就是肖克利、巴丁和布拉顿的工作，导致了晶体管的诞生、引起了电子学的革命，而汤斯、肖洛、巴索夫和普罗霍罗夫的基础研究则导致了微波激射器和激光器的发展。还可以提到粒子加速器，它现在是材料科学和医药学方面的重要工具。其他还有一些获得诺贝尔奖的工作，对技术有直接的推动作用，也对通信和信息事业的发展有特别的重要性。

早期（1912 年）有一项诺贝尔物理学奖授予了达伦，原因是他发明了自动的太阳阀，可广泛用于灯塔和灯浮标。其原理是基于反射物体和黑体的辐射之间的差异。他的器件上有三根平行棒，其中有一根被涂黑，于是在太阳光照射期间，几根棒的热吸收和热膨胀都会有所不同。这一效应可用于在白天时自动关闭气源，免去了海上看守的大量杂务。

光学仪器和技术也有几次成为授奖主题。大约是在 19/20 世纪之交，李普曼发明了一种彩色照相的方法，是利用光的干涉。取一块镜片叠在照相乳胶上面，光照射镜片由于反射在乳胶里引起驻波。显影之后就把图像保存在乳胶里，再用光照上去就可以显示真实色彩。1908 年诺贝尔物理学奖授予了李普曼。遗憾的是，李普曼的方法要求很长的曝光时间，后来被其他的技术取代。不过，在高质量的全息技术中它找到了新的应用。

在光学显微镜方面，泽尔尼克证明即使非常弱的（几乎是透明的）吸光物质也有可能在显微镜下变成可见的，只要它是由不同折射率的区域组成的。用泽尔尼克的相衬显微镜可以观察到由于这类不均匀性造成不同相变而引起的光斑。这种显微镜对于观察生物样品的细节曾经起过非常重要的作用。为此，泽尔尼克获得了1953 年诺贝尔物理学奖。20 世纪 40 年代，伽博提出了全息原理，他预见到，如果一束入射光可以跟空间二维点阵反射的光发生干涉，就有可能重建物体的三维图像。然而，这一思想的实现只有等到激光器发明之后，因为激光器可以提供这类干涉现象所必需的相干光。伽博获得了 1971 年诺贝尔物理学奖。

电子显微镜对自然科学的许多领域都有巨大影响。在戴维森和 G.P.汤姆孙阐明电子的波动性之后，人们认识到，高能电子的短波长有可能得到比光学显微镜高得多的放大倍数和分辨率。鲁斯卡早在 20 世纪 30 年代就对电子光学进行了基础研究，并且建造了第一台电子显微镜。然而，过了 50 多年才得到诺贝尔物理学奖的认可。1986 年鲁斯卡获得诺贝尔物理学奖的一半，另一半分给了宾尼希和罗雷尔，他们以极高的分辨率通过完全不同的途径获得了图像。他们的方法可以用于固体表面，其原理是非常细的金属针尖贴近固体表面（离开大约 1 nm）移动时，会有电子从针尖通过隧道达到固体表面。令隧道电流保持不变，探针沿着表面移动，就可通过扫描绘制表面的形貌。他们发明了扫描隧道显微镜，用这种方法，可以看见表面上的单个原子。

无线电通信是 20 世纪重大技术进步之一。马可尼在 19 世纪 90 年代用新发现的赫兹波做实验。他第一个把振荡器的一端接地，另一端接到垂直的天线；在接收站也有同样的装置。H.赫兹的原始实验是在实验室里做的，而马可尼则可把信号传到几 km 的远处。布劳恩在赫兹振子里引进了谐振线路。调谐和无衰减地发射振荡波使得传输距离大大增加，1901 年马可尼成功地跨越大西洋建立了无线电联系。1909 年马可尼和布劳恩分享了诺贝尔物理学奖。布劳恩也是阴极示波器的发明者，早期的阴极示波器也叫“布劳恩管”。

当时，人们尚未了解为什么无线电波能够到达“地球的另一端”。也不知道无线电波和光波都是电磁波，它们有相同的特性，而光在自由空间是以直线传播的。阿普顿最终用实验证明肯涅利（A.E.Kenelly）和亥维赛（O.Heaviside）早先提出的建议是正确的，他们认为无线电波是被大气中不同的导电层反射。阿普顿测量了不同波长时直接传送的波和反射的波相互之间的干涉，由此确定了亥维赛层的高度。另外他还发现了在更高处的电离层，该电离层一直到现在仍以他的名字命名。阿普顿获得了 1947 年诺贝尔物理学奖。

核物理学和粒子物理学的进步强烈地依赖于技术的进步，有时又是技术发展的推动力。从考克饶夫和瓦尔顿以及劳伦斯的工作中可以得到例证。他们分别发展了线性静电加速器和回旋加速器。高能粒子的探测也是一种技术上的挑战，其成功得到好几项诺贝尔奖的嘉奖。

1958 年诺贝尔物理学奖授予切伦科夫、弗兰克和塔姆，奖励他们发现和解释了切伦科夫效应。当粒子的速度超过该介质中的光速时，围绕带电粒子通道的角锥空间里会发射一束特殊的光，叫做切伦科夫辐射。这三位物理学家的工作不久就成为发展探测器的基础，取得了有效的成果。

为了正确解释高能物理中的事件，有必要使参加反应的粒子能显示其径迹。早先在相对低的能量下做实验，利用的是在照相底片中留下的痕迹。C.T.R.威尔逊发明了一种腔室，可以显示粒子的径迹，因为粒子通过之处会留下电离气体的痕迹。威尔逊云室使用时，是让室内的气体突然膨胀，温度随之降低，导致电离点附近的蒸气凝聚，然后在强光下将这些点子拍摄下来。由于这项贡献，C.T.R.威尔逊获得了 1927 年诺贝尔物理学奖的一半。

沿着同一方向的又一进展是格拉塞发明的泡室。20 世纪 50 年代加速器的能量达到了 20 GeV ~ 30 GeV，早期的方法已经不适用了，对于威尔逊云室，气体中的径迹长度太长了。泡室一般充有氢气，泡室内的原子核当作靶子，由此可以追踪生成粒子的径迹。在操作温度下液体处于过热状态，任何不连续性发生，例如有一电离区域，都会导致小气泡的形成。后来阿尔瓦雷茨又对泡室方法作了重要改进，特别是在纪录技术和数据分析方面。由于他的工作，使当时已知的基本粒子，特别是所谓的“共振态”数目急速增加。后来知道，共振态实际上是由夸克和胶子组成的系统的激发态。格拉塞获得了 1960 年诺贝尔物理学奖，而阿尔瓦雷茨获得了 1968 年诺贝尔物理学奖。

直到 20 世纪 80 年代末，泡室都是高能物理学实验室离不开的主要设备，后来才被电子探测系统超过。最近的一项有关探测器的诺贝尔奖项是在 1992 年授予夏帕克的，他对气体中的电离过程作过详细的研究，并且发明了“丝室”。所谓丝室，是一种充气的探测器，其内布满了导线，导线从电离点附近收集电信号，用这个办法跟踪粒子的轨迹。由丝室及其后续设备：时间投影室及多个大丝室一闪烁器一切伦科夫探测器联动装置，组成复杂的系统，使得藏在其他信号强背景中的极端罕见的事件有可能筛选得到。重夸克的生成就是这样一类的事件。

在诺贝尔奖的历史上，把物理学奖颁给新技术的开发，虽然屡见不鲜，但是 2000 年正逢诺贝尔奖一百年，全世界都在关注这一年诺贝尔奖的颁发。通常，诺贝尔物理学奖都是颁给那些在纯物理研究中做出贡献的人，这一年却授予了从事信息技术的三位物理学家，奖励他们在信息技术方面所做的基础性工作。其中一半奖给了俄罗斯圣彼得堡约飞物理技术学院的阿尔费罗夫和美国加州圣巴尔巴拉加州大学的克勒默，获奖的原因是在半导体异质结构研究方面的开创性工作；另一半授予美国得克萨斯州得克萨斯仪器公司的基尔比，奖励他在发明集成电路中所作的贡献。之所以把20世纪最后一项物理学奖授予在信息技术科学领域里的科学家，是因为信息科学和信息技术对人类的影响太大了。在半个世纪内，以晶体管和集成电路为基础孕育了巨大的计算机工业，并且把人类社会带入了信息时代。

现代信息和通信技术是最重要的全球技术之一，对人类有着深远影响。它是把工业社会改变成以信息与知识为基础的社会的推动力。其重要性可与书籍的印刷相比拟。然而，其传播要快得多，其影响在几十年就可见效，而书籍则要历经数百年。仅仅在过去的十年里，个人计算机就变得普及在各个角落，家庭、办公室、学校、工厂、医院。因特网把全世界联系到了一起。移动电话和高速光纤宽频网络在最近的几年里迅速覆盖全球，必将掀起一场更大规模的社会变革。电子革命确实改变了，也正在改变着世界的面貌，导致新经济的出现，这就是所谓的电子经济，伴随而来的是电子商务、电子邮件、电子书籍、电子新闻、电子拍卖等等，似乎什么都要跟电子发生联系。

我们很难找到有哪个领域，其最重要的发现和发明以及发现者和发明者能在如此之短的时间里改变社会和世界经济，并且进行了如此巨大的投资。技术进步往往是一点一点地前进，而且还会被商业秘密隐藏起来。然而，人们普遍认同的是，最近几十年的变革是由微电子学领域里的发展推动的。这些发展反过来又是由于许多领域的进步才有可能，而这些领域大多数又和物理学有关，例如，半导体材料的提纯、用于高频和低噪声的新型晶体管、单芯片上组件的集成、半导体激光器、新型信息储存介质等，这些只不过是与微电子学有关的许多领域中的一小部分。而微电子学实际上是半导体物理学衍生出来的一门应用学科。

根据物理学的新原理在技术上作出创新，并在社会经济发展上或人类生活质量上发生重大影响而获得诺贝尔奖委员会奖励的项目还应该包括许多化学奖和生理学或医学奖，下面我们列表作一简要的统计，如表 13 – 6：

在结束本章时，我们要再次说明，诺贝尔奖的数目是有限的，按照现在的规则，每年每种奖最多由 3 人分享。到 2004 年底为止，共有 174 人次获得诺贝尔物理学奖。还有一些人作出的是物理学的成就，获得的却是化学奖。即使是这样，仍然无法覆盖全部重要贡献。诺贝尔奖委员会在选择过程中往往不得不放弃某些重要的，接近诺贝尔奖价值的其他贡献。但是这些诺贝尔奖得主的贡献，他们的思想和实验，足以代表整个物理学在一个多世纪里走过的光辉道路。

发布时间：2024/6/2 下午11:11:00  阅读次数：246