新闻中心

当前位置 > 新闻中心> 科学动态 > 物理化学 > 向前辈致敬!诺贝尔物理学奖的12个里程碑
向前辈致敬!诺贝尔物理学奖的12个里程碑
2012-10-11 10:21:25   编辑:上方文Q   点击可以复制本篇文章的标题和链接
 
让小伙伴们也看看:
收藏文章

在德国林道市举行的一年一度的聚会上,才华横溢的青年科学家和多位诺贝尔奖得主共聚一堂,相互交流、探讨,今年的会议主题是物理学。为了庆祝林道会议的举行,《环球科学杂志》摘录了12位诺贝尔物理学奖得主曾为《科学美国人》撰写的12篇文章,几乎每篇文章都报道了一个重大成就。

这些文章中,有些详细介绍了让作者获得诺贝尔奖的发现,有些对物理学的未来作出了预测,还有一些专注于那些永恒的疑问:宇宙是由什么构成的?我们在宇宙中是孤单的吗?虽然这里一些文章是在数十年前发表的,但令人吃惊的是,它们仍与当前正在进行的现代物理学前沿研究紧密相连。

每年夏天,诺贝尔奖得主都要在德国林道市汇聚一堂,同来自世界各地的新生代科学家交流讨论、相互学习。今年是第62届会议,以物理学为主题。为了庆祝这一盛会,我们摘录了一些诺贝尔奖得主在《科学美国人》上发表的经典文章,主题涵盖了从宇宙学、粒子物理学到新技术应用的各个方面。

在整理下面的这些经典文章时,我们惊奇地发现,困扰物理学家们几十年的很多问题依旧推动着今天的科学研究。诚然,与爱因斯坦(Albert Einstein)、狄拉克(P. A. M. Dirac)和费米(Enrico Fermi)这些大师所处的时代相比,物理学研究领域已经今非昔比了。物理学家获得过一些巨大进展(如粒子物理标准模型的建立与修正),也经历过出人意料的转变(如对“暗能量”的研究),但追根溯源,当前许多研究所关注的,仍是那些在过去一个世纪里推动着物理学发展的问题:为什么物质远远多于反物质?被普遍认为是亚原子粒子质量之源的希格斯玻色子真的存在吗?“幽灵般的超距相互作用”与我们这个世界现有的运行机制有何不同?

物质随处可见,你的手,你手中的这本杂志,甚至介于你的脸和这页纸之间的空气都是由物质构成的,而另一方面,反物质却极其罕见(对我们人类来说,这是件好事情,因为正反物质一旦接触就会湮灭),但在宇宙诞生初期,正反物质的量应该是相等的,只是由于某种未知原因,物质最终胜出,银河系、太阳系才得以形成,人类才能出现。物理学家一直都想知道是什么打破了这一平衡。

1956年,埃米利奥·塞格雷(Emilio Segrè)和克莱德·E·威甘德(Clyde E. Wiegand)在《科学美国人》杂志上撰文,详细地介绍了他们发现反质子的研究。反质子是人们熟知的、存在于每个原子核内部的质子的反粒子。在那篇文章发表的一年前,塞格雷和威甘德的研究组刚刚在美国加利福尼亚大学伯克利分校的高能质子同步稳相加速器(现已拆除)上发现了这个短寿命的反粒子。由于这项发现,塞格雷和同事欧文·张伯伦(Owen Chamberlain)分享了1959年的诺贝尔物理学奖。他们的发现是自1932年卡尔·D·安德森(Carl D. Anderson)发现反电子(即正电子)以来,又一个反物质存在的证据。1930年,狄拉克(Dirac)在对电子的理论描述中,就预言了反电子的存在。

从那时起,追随着狄拉克、安德森、张伯伦和赛格雷的足迹,物理学家迈出了合理的一步:将基本的反物质原子拼合起来,看它们与由普通原子构成的物质在一些关键特性上有什么不同。在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN),研究人员用反质子和正电子组成反氢原子。去年,一个研究组成功地让一个反原子在湮灭前存在了数分钟,这个时间长度,足以让科学家对反原子进行测量和研究了。如果能发现引力或辐射会对反物质造成的特殊影响,或许就能提供一些线索,解释现有物质为何丰富得多。

在物理学的另一个研究领域,马蒂纳斯·J·G·魏特曼(Martinus J. G. Veltman)于1986年,在《科学美国人》上发表了一篇关于“标准模型”里一个小问题的文章。除这个问题外,该模型在描述宇宙中基本粒子时,可以称得上是一个极其完美的理论。魏特曼指出,标准模型里一个关键粒子还有待发现,那个粒子似乎在努力隐藏自己而不被人们找到。没有它,其他粒子的质量来源将难以解释。

或许你已知道,它就是传说中的希格斯玻色子。在文章中,魏特曼寄希望于当时还处于规划中的超高能超导对撞机(Superconducting Super Collider,简称SSC,位于美国得克萨斯州)能够发现这种“缺失”的粒子。然而在25年后的今天,物理学家仍在期待这一最重要玻色子的“首秀”(2012年7月4日,欧洲核子中心宣布他们发现了一种符合希格斯粒子属性的新粒子。也许,希格斯粒子在众位物理学家的期盼下终于现身了)。超高能超导对撞机最终未能建成,寻找希格斯玻色子的任务,转移到了欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)上。从2009年开始运行起,欧洲核子研究中心已经将大型强子对撞机的对撞能量逐步提高,期待能于今年年底前收集到足够的数据,并最终宣布标准模型里的希格斯粒子是否存在。

甚至在标准模型完整建立前,物理学家就开始对该模型所描述的粒子行为提出异议了。1935年,爱因斯坦和两位同事发表了一篇文章指出,当时刚刚建立的量子力学理论会推导出一种很难理解的、被称为非定域性的现象。物理学家解释道,当观察者在一个地方测量一个粒子时,就会即时影响到其他地方的另一个粒子,无论它们两者相距多远。这一效应看起来很荒谬。爱因斯坦及同事认为,非定域性是一个“麻烦”,将对量子力学的可靠性提出挑战。

实验物理学家花费了数十年时间,来证明粒子之间确实可以通过一种被称为“量子纠缠”的现象保持非定域联系。现在,物理学家能够很熟练的制备出一对纠缠光子,它们之间共享一种状态,例如偏振方向。独立的原子,以及大尺度物体(例如人造钻石晶片)也已经制备出了纠缠态。纠缠并不仅仅是量子力学里的一个小把戏,或许有一天,它将使通信和计算能力大大超过当今电子设备所能达到的状态。

在这些研究里,关键是激光。它是一种量子光源,激光中受控的光子可以自我纠缠,或用来制备其他粒子的纠缠态。在1961年发表在《科学美国人》上的一篇文章里,亚瑟·L·肖洛(Arthur L. Schawlow)向我们展示了激光的美好前景。当时,激光器刚刚问世一年,被称为光量子放大器。由于发明激光,肖洛获得了1981年的诺贝尔物理学奖。他的后继者——那些操控激光来研究量子纠缠的光学物理学家们,常常被认为是近期诺贝尔奖得主的热门人选。

未来将获得诺贝尔奖的新一代物理学家(今年的林道大会中或许就有他们的身影)会将物理学带往何方?如果参照过去的历史,那么未来一些辉煌成就的线索,或许就隐藏在过去数十年里那些诺贝尔奖得主的工作(以及他们在《科学美国人》上发表过的文章)之中。

向前辈致敬!诺贝尔物理学奖的12个里程碑

一、天体物理:宇宙射线里的秘密信息

撰文 亚瑟·H·康普顿(Arthur H.Compton)

1927年诺贝尔物理学家奖得主,本文刊登于1933年7月《科学美国人》

宇宙射线的研究常常被描述成“现代物理学中的另类,因为其中包括微妙的现象、细致的观测、观测学家们探险似的旅行、精巧的分析以及宏伟壮观的结论”。我们相信,宇宙射线能带给我们一些重要信息:或许可以告诉我们这个世界是如何演化的,或者那些原子核最深处结构的秘密。目前,我们正在努力解码这些信息。

大约5年前,两位德国物理学家博特(Bothe)和科尔霍斯特(Kolhörster)使用计数管进行了一项实验,让我们确信宇宙射线其实是由带电粒子构成的。然而,如果这一结论是正确的话,就意味着在地球上的不同地点,宇宙线的强度应该有所不同。由于地球就像一个巨大的磁铁,这个巨型磁铁就会使射向地球的带电粒子发生偏转。这一效应应该在磁极处最弱,在赤道附近最强,那么如果我们从赤道向两极走,射线强度就应该不断增大。科学家设计了6个不同的系列实验来探测这一效应,然而并没有得出明确的结论。

为此,在卡内基协会的资助下,我们芝加哥大学的一个研究团队在过去18个月里组织了9次探险,在地球上的不同地点测量宇宙射线——从海平面到6400多米高的安第斯山和喜马拉雅山顶,均有研究人员前去测量。在美国阿拉斯加巨大的麦金利山侧的冰川上,两位出色的登山员卡培(Carpe)和科文(Koven)甚至献出了自己的生命,换回了在如此接近极点的纬度上,迄今海拔最高的测量数据。

将这些探险所获得的数据整合起来后,我们发现极地附近的宇宙射线强度比赤道附近高15%。此外,正如预计的那样,由于地球磁场对入射带电粒子的作用,宇宙射线强度还随着纬度变化而变化。此外,在高海拔地区,地球磁场的效应要海平面上强数倍。

这些结果显示,宇宙射线中至少有相当一部分是由带电粒子构成的。然而,某些宇宙射线不会受到地球磁场的丝毫影响。而通过其他一些测量实验,例如皮卡德(Piccard)和雷金纳(Regener)的高空气球实验、博特和科尔霍斯特的计数测量实验,我们得出了一个结论:在这些射线中,只有极少一部分是以光子的形式存在(就像普通的光那样),但相当数量的辐射可能是以轻原子或轻原子核构成。

特别值得一提的是,某些宇宙射线能量惊人。用电子伏作为能量单位的话,一个氢原子的燃烧能释放大约两电子伏的能量。镭辐射出α粒子时,会释放200万电子伏的能量。然而,宇宙射线的能量高达百亿电子伏。如此惊人的能量从何而来?在这个问题的答案里,或许隐藏着宇宙如何形成的秘密。

二、X射线之星

撰文 里卡多·贾科尼(Riccardo Giacconi)

2002年诺贝尔物理学奖得主,本文刊登于1967年12月《科学美国人》

星际空间里,充斥着各个波段的电磁辐射,从超短波的伽马射线和X射线,到波长很长的无线电波,无所不包。但是,由于我们的大气层屏蔽掉了大部分波长的宇宙射线,它们中能到达地球表面的只是很少一部分。特别是对波长短于2 000埃(1埃=10-10米)的电磁辐射来说,地球大气是一层不可穿过的障碍。因此,科学家只能用气球或火箭,将探测仪器送到大气层之外来探测来自宇宙的X射线。

随着火箭发射越来越频繁,将仪器送到太空的机会也越来越多,美国麻省理工学院的布鲁诺·B·罗西(Bruno B. Rossi)建议,对天空中的X射线进行扫描,而我们这个来自美国科学和工程公司(American Science and Engineering)的研究团队,就承担了这项任务。

1962年6月18日,载有探测仪器的Aerobee探空火箭在美国白沙导弹靶场发射升空。这项实验是在罗西的帮助下,由我和赫伯特·古尔斯基(Herbert Gursky)、F. R. 泡利尼(F. R. Paolini)一起合作准备的。在火箭到达最大高度225千米之前,火箭会在一个特定时刻将舱门打开,暴露出探测仪器。随着火箭沿自身轴向旋转,探测仪器就能扫描120度张角的带状天区,其中包括月球的方向。

来自探测仪器的遥测信号显示,仪器没有探测到任何来自月球的X射线辐射。然而,在南方天空的天蝎座方向上,探测仪器发现了一个很强的X射线源。根据计数器的记录,这个X射线源的强度是人们预料中的、来自任何遥远宇宙射线源的(根据太阳X射线辐射强度估算)100万倍。

对数据进行了三个月的仔细研究后,结果证实上述辐射确实是X射线(波长为2到6埃),来自于太阳系外,射线源大约在银河系中心的方向。究竟是哪一种天体能够辐射出如此高能的X射线流呢?

我们又在一年中的不同时段进行了两次火箭探测(1962年10月,以及1963年6月),利用三角测量法缩小了这个强X射线源的位置范围。我们发现,其实它并不在银河系中心。同时,美国海军研究实验室的赫伯特·弗里德曼(Herbert Friedman)及其同事,成功将该射线源定位在了2度弧(2度圆心角所对应的弧长)的天区范围内,这意味着该X射线源是一颗单独恒星,而不是大量恒星的集合。

现在,该射线源是一个独立天体的证据已经很充分了,所以我们将它命名为Sco X-1(取自天蝎座,Scorpius)。人们或许会想,能以X射线的形式辐射出如此多的能量,该天体应该是清晰可见的,至少也应是一颗相当明亮的恒星。然而,那一天区里并没有什么显眼的恒星。

接下来的任务就是,从已确定区域里的那些可见的恒星中,找出X射线星。Sco X-1的位置已经被缩小到了1度弧的范围内,在那一区域的天空里,每平方度(半径为R的球体上,面积为π2R2/1802)的天空里约有100颗13等星。在对新获得的数据进行了详细分析后,我们得到了更精确结论:目标恒星必定位于两处候选位置中的一个。

根据这一结果,日本东京天文台、美国威尔逊山天文台和帕洛玛天文台将望远镜对准了那两个方向,希望找到Sco X-1。东京天文台的天文学家立即发现了这颗X射线星。一个星期之内,帕洛玛天文台证实了这一发现。

现在,科学家可以用光学天文望远镜来观测Sco X-1了,它那令人震惊的新特性也逐渐展露在了我们面前。最令人震惊的事实是,这颗恒星辐射出的X射线的能量,比其发出的可见光的能量高1000倍,这是天文学家们没有想到的,因为根据对已知多种恒星的了解,这种情况是不应该出现的。有迹象表明,Sco X-1辐射出的X射线的能量,相当于太阳在所有波段上辐射出的能量的总和。

三、解密超新星爆发

撰文 汉斯·A·贝蒂(Hans A. Bethe) 杰拉尔德·布朗(Gerald Brown)

贝蒂是1967年诺贝尔物理学奖得主,本文刊登于1985年5月《科学美国人》

超新星爆发是从恒星坍缩(即向心聚爆)开始的。那么,它又是怎么改变方向,将大部分的恒星质量向外抛射出去的呢?在某一阶段,恒星物质的向内运动肯定会停止,然后反向运动,由向心聚爆转变成向外爆发。

结合计算机模拟和理论分析,关于超新星爆发机制的整套理论开始慢慢浮出水面。看起来,反转过程中的关键步骤是形成了向外传播的冲击波。

当恒星核心的密度达到原子量级时,坍缩会突然停止。这会在恒星核介质中引发朝着反方向传播的声波,就像锤头砸到铁砧上时锤柄产生的振动。当声波从均匀的恒星核心传播出来时,声波的传播速度会逐渐减慢。这由两个原因造成,一是由于它的局部速度降低;二是它在迎着越来越快的坍缩物质“逆流而上”。到达音速点(传播速度达到声速时所在的区域)时,声波完全停下来。同时,更多的物质还在不断向着恒星核心的核物质硬球坍缩,激发更多的声波。在几分之一毫秒的时间里,声波在音速点汇聚,不断产生压力。坍缩物质通过音速点时,这种压力延缓了物质的坍落速度,造成了速度断层。这种不连续的速度变化触发了激波。

在恒星核心,向内坍缩的物质落到“硬球”的表面后急停,但不是瞬间完全停止。动量会让坍缩超越平衡点,让核心密度达到甚至超过原子核的密度,我们把这一时间点称作“最大压缩”时刻。在最大压缩之后,核物质会反弹回去,就像一个被压缩了的橡胶球。这种反弹会产生更多的声波,汇入不断增强的激波里。

激波有两个特性与声波不同。首先,声波不会对媒介造成永久性的影响,声波通过之后,物质就恢复到先前的状态。而激波的通过会导致密度、压力和熵的巨大变化。其次,正如其名,声波以声速传播,而激波的速度更快,速度值由波的能量决定。因此,一旦音速点上累积的压力形成了激波,向内坍缩的物质就无法把激波限制在音速点了,它会不断向外传播,直达恒星外层的物质。计算机模拟的结果表明,激波的传播速度很快,在30000千米/秒~50000千米/秒之间。

恒星外层发生爆炸后,恒星核的命运仍不甚明了。据推测,较轻恒星的爆发会留下一个稳定的中子星。根据威尔逊的计算,超过20个太阳质量的恒星将会留下一个超过两个太阳质量的致密残骸。这种残骸会成为一个黑洞,里面物质的密度会被压缩到无穷大。

文章纠错

微信公众号搜索"驱动之家"加关注,每日最新的手机、电脑、汽车、智能硬件信息可以让你一手全掌握。推荐关注!【微信扫描下图可直接关注

阅读更多:科技科普

好文共享:
收藏文章
首页上一页1234下一页尾页点击阅读余下全文

文章观点支持

当前平均分:0(0 次打分)
热门评论
热门文章