【物理之窗】随机阅读

1991年

　　皮埃尔·德让纳（Pierre Gilles de Gennes, 1932~）因把研究简单系统中有序现象的方法推广到更复杂的物质态，特别是在研究液晶和聚合物方面所作的贡献，获得了1991年度诺贝尔物理学奖。

　　20世纪60年代末，德让纳（左图）组建了液晶研究小组，很快这个小组就在液晶研究领域占据了领导地位。德让纳对液晶知识的一个重要贡献就是解释了30年来一直未弄清楚的向列型液晶中的奇异光散射，他用复杂的方法证明了这种奇异光散射是由于取向有序中的自涨落产生的。德让纳另一个重要贡献是给出了在液晶上施加微弱交流电场时转变点产生的条件。1974年德让纳著的《液晶物理学》一书现在已成为液晶领域的一本标准著作。

　　德让纳对高分子聚合物的贡献主要有三方面。一是关于溶液中柔性链无规线团的构象及统计理论。他成功地完成了将聚合物的问题属相　变相联系的证明。从这个定理出发，他提出了高分子溶液的标度定律，从而大大发展了高分子的溶液理论。二是研究了高分子熔体的缠结线团动力学，提出了爬行模型，并已为科学界广泛接受。这个理论是高分子熔体的一切理论这基础，并且有重要的实际意义。三是研究了高分子聚合物界面的行为。

　　德让纳很善于处理复杂系统。他在研究中所涉及的一些系统在他之前很少有人认为有可能用普遍的物理描述并加以概括。德让纳证明了，在差异如此明显的物理系统中，如磁体、超导体、液晶和聚合物溶液的相变，可以采用令人惊叹的通用数学语言来描述。德让纳的工作表明，即使“不简单”的物理系统也能成功地用普遍方式来描述。他开辟了物理学的新领域，并激励大家在这些新领域中做了许多理论工作和实验工作。这些工作不仅是纯粹研究性的，也为液晶、聚合物的物质形态进行技术开发奠定更扎实的基础。也许就是因为他在极其广泛的不同物理系统中看出了有序现象的一般特性，并提出了这些系统从有序到无序的运动规律，因此有人把“当代的牛顿”这样高度赞扬的称号给予了德让纳。

1992年

　　乔治·夏帕克（Georges Charpak, 1924~）因对高能物理中和粒子探测器的发明和发展，特别是多丝正比室的发明和发展，获得了1992年度诺贝尔物理学奖。

　　科学家们通过研究粒子间的反应来提供粒子性质和粒子间的相互作用力的知识，这就需要记录反应中每个粒子的轨迹。在夏帕克（右图）发明多丝正比室以前，常用的记录方法是各种照相法，图片要靠特殊的测量工具进行分析，工作过程缓慢而又劳累。正比计数管确定粒子位置的精度大约是1厘米，不能满足粒子物理实验中记录粒子径迹的高精度和大面积覆盖的要求。夏帕克发明的多丝正比室解决了上述困难。这种装置由大量平行细丝组成，所有这些细丝都处于两块相距几厘米的阴极平面之间的一个平面内，阳极细丝的直径约为十分之一毫米，间距约为几毫米。夏帕克令人信服地证明了多丝正比室中的每根丝都可以像一根正比计数管一样工作，得到的空间分辨率可达到1毫米或更小。每根丝都可承受高达每秒数十万的计数率，性能指标非常突出。同时，多丝正比室的结构易于做成大面积，并能以模块方式组成所需要的各种体积和形状，适于进行不同规模和特点的实验。夏帕克还充分地利用现代电子技术，把探测器同计算机连接起来，用计算机来记录信号，并处理大量数据。70年代中期开始，他在多丝正比室的基础上发展了具有更高径迹定位精度的漂移室，进一步推动了粒子物理实验的发展。

　　从80年代中期开始，夏帕克积极从事把多丝正比室这一系列探测器推广到粒子物理学以外的领域，使高能物理的技术成果直接为人类造福。在他的指导和参与下，这一技术已经有效地运用到几乎所有成像和精确显微的领域里，特别是在生物学和医学方面。由多丝正比室引发的一系列新探测器在实际应用方面取得的成就越来越引人注目，这门新技术显示出了广阔的前景。

1993年

　　约瑟夫·泰勒（Joseph H. Taylor, Jr, 1941~）和拉塞尔·赫尔斯（Russell A. Hulse, 1950~）因发现了一种新型的脉冲星，这一发现为研究引力开辟了新的可能性，获得了1993年度的诺贝尔物理学奖。

　　第一颗脉冲星是1967年在英国剑桥的射电天文实验室发现的，休伊什因此获得了1974年度的诺贝尔物理学奖。泰勒（左图）和赫尔斯（右图）在1974年发现了一种新的脉冲星――脉冲双星，其中每颗星的半径只有大约10公里，但是质量却与太阳相当；两者的距离甚近，仅为月球到地球距离的几倍。这种新型的脉冲双星有一个非常重要的特性，就是它的脉冲周期（0.05903秒）已被证明是极为稳定的，在一百万年之内增加不到5%，这就意味着脉冲双星可以当作钟来使用，其精确度与最佳的原子钟相当。

　　在人们对脉冲双星观察了几年之后，得到了一个非常重要的结果：其轨道周期不断减小，两颗星在越来越紧缩的轨道上越来越快地互相绕旋转着，但是变化是非常小的，只相当于轨道周期每年大约减小1秒的百万分之七十五，如果进行足够长的观测，它还是完全可以测量的。理论上根据爱因斯坦的广义相对论认为这种变化是因为脉冲双星正以引力波的形式发射能量，理论计算值与实验观测值相符在约千分之五之内，这可以看作是引力波存在的间接证明。

　　脉冲双星的发现对天体物理学和引力物理学有极大的意义，人们期望，当脉冲双星中的两颗星相当接近时，也许会直接观测到引力波。

1994年

　　伯特伦·布罗克豪斯（Bertram Niville Brockhouse, 1918~）因发展了中子谱学，克利福德·沙尔（Clifford Glenwood Shull, 1915~）因发展了中子衍射技术，共同分享了1994年度的诺贝尔物理学奖。

　　物质的特性可以分为两个方面，一是静态特性，指的是构成该物质的分子、原子在晶格中的位置，也就是通常指的原子结构和分子结构，以及磁矩的取向和结构的不均匀度等；另一方面是动态特性，指的是构成该物质的分子、原子在各种运动中的能量与动量的传递和转换关系。对凝聚态物质，原子间距大约为0.1nm~1nm，分子、原子和晶格的平均热运动能量以及由于晶格振动产生的声子能量大概都是10-3~10-1eV的数量级。要探测这两种特性，就必须用波长和能量都与被探深对象是同一数量级的“探头”。慢中子正好符合这一要求。而且中子不带电荷却又具有磁矩，质量接近质子，可以通过筛选单色化等特点，所以物理学家很快意识到，慢中子束是最理想的天然探头。

　　中子束打到物质靶上发生的衍射现象与x射线衍射现象在本质上是不同的。X射线衍射是x 射线的能量子与原子中的电子相互作用的结果，而中了衍射则是中子与原子核相互作用的结果，所以中了衍射可以观测到x 射线观测不到的物质内部结构。中子散射比中子衍射含义更广，泛指中子与物质的相互作用后中子向四面八方散射的各种效应。中子不带电而具有磁矩，对磁性有特殊的灵敏度，因此中子磁散射对分析物质的磁特性具有突出的意义，是x射线衍射无法取代的。

　　布罗克豪斯（左图）和沙尔（右图）用他们开发的中子散射技术，使原子结构和动态特性的研究成为可能。布罗克豪斯一直致力于中子非弹性散射技术的研究，他在原有的单轴和二轴中子谱仪的基础上设计了三轴谱仪。三轴谱仪的应用是如此广泛，已经成为研究凝聚态物理的基本工具，几乎大多数人事凝聚态物理研究的中子束反应堆实验室都拥有这一设备。在布罗克豪斯等人的努力下，慢中子谱学已经发展成为一门普遍采用的技术。

　　沙尔对简单晶体的研究为近代中子晶体学者分析极其复杂的结构奠定了基础。在这些研究中，最有意义的是，用中子衍射技术可以显示氢原子在晶体中的位置。这样就可以更全面地了解许多无机和有机物质的晶体结构。在核散射的研究之后，沙尔研究了顺磁散射，这是中子磁矩与顺磁物质中的原子磁矩发生的散射，在这方面的研究工作导致了磁结晶学的发展。在进行了一系列对确定磁结构的基础研究之后，沙尔开发并探讨了极化慢中子辐射的应用。后来，沙尔又发明了中子干涉系统，这一方法为研究中子与物质之间相互作用而产生的各种基本效应提供了极其灵敏的工具。

　　布罗克豪斯和沙尔各自独立开发的中子散射技术，对凝聚态物理学的发展起了促进作用，取得了重大成果。

1995年

　　马丁·佩尔（Martin L. Perl, 1927~）因发现了t轻子，弗雷德里克·莱因斯（Frederick Reines, 1918~）因检测到了中微子，共同分享了1995年度的诺贝尔物理学奖。

　　1930年泡利进出了中微子的概念。但是，由于这种微小的中性粒子既不带电荷，又不参与强相互作用，质量微不足道，它的存在一直未能得到实验验证。人们只能从能量和角动量的分析来论证这一幽灵式的基本粒子的存在和所起的作用。1952年，美国的戴维斯应用我国科学家王淦昌提出的K俘获法，间接观测到了中微子的存在。与此同时，直接捕获中微子的工作也开始了。1953年美国洛斯阿拉莫斯科学实验室的莱因斯（右图）和考恩领导的实验小组按下列方案探测到了反中微子：

　　他们为了防止误判的出现，采用了同时探测中子和正电子的方法。来自反应堆裂变产物的反中微子，射入掺有大量氯化镉的水靶箱中。在0.2微秒内正电子与电子相遇而湮灭，同时发出g光子，g光子被两侧的闪烁器符合地探到。光子能量估计约为9MeV。中子则受到水的慢化，被镉核俘获。莱因斯和考恩的设计思想颇为巧妙，考虑到中子在产生后最多在10微秒内会被俘获，专门设计了延迟符合计数器。经过周密准备和认真测试，实验小组在预期的能量范围内和时间间隔内，得到了肯定的结果。中微子这个充斥宇宙的“幽灵”终于被捕捉到了。

　　1972年，SLAC在直线加速器近旁建造了一座正负电子对撞机，存储环直径约为80米，直线加速器提供的正负电子束注入存储环后，在磁场的作用下以相反的方向绕环道运行，最后在指定的地点作对头碰撞。佩尔（左图）领导的实验小组在这台设备上从1974年到1977年间进行了一系列的实验，终于在4GeV能区发现了一个比质子重两倍，比电子重3500倍的新粒子，其特性类似于电子和m子。经过反复检验，证明是在电子和m子之外的又一种轻子。新的轻子以希腊字母t表示，取自Triton（氚核）的第一个字母。至此，人们已经发现了三代轻子。

　　中微子和重轻子的发现使人们对于微观世界的认识大大跨越了一步，增添了人类关于基本粒子的知识。但是人类对物质世界的认识是没有止境的，有没有第四代基本粒子，仍是物理学家们正在追寻的问题。

1996年

　　戴维·李（David M. Lee, 1931~）（左图）、道格拉斯·奥谢罗夫（Douglas D. Osheroff, 1945~）（右上图）和罗伯特·理查森（Richard C. Richardson, 1937~）（右下图）因发现了氦3（3He）中的超流动性，共同分享了1996年度的诺贝尔物理学奖。

　　在自然界，存在着3He和4He两种同位素。4He的原子核有两个质子和两个中子，称为玻色子；而3He只有一个中子，称为费米子。20年代30年代末期，卡皮查发现4He的超流动性。朗道从理论上解释了这种现象，他认为当温度在绝对温度2.17K时，4He原子发生玻色爱因斯坦凝聚，成为超流体，而像3He这样的费米子即使在最低能量下也不能发生凝聚，所以不可能发生超流动现象。金属的超导理论（BCS理论）的提出使得人们认为在极低温度下3He也可能会形成超流体。但是人们一直未能在实验上发现3He的超流动性。20世纪70年代，戴维·李领导的康奈尔低温小组首次发现了3He的超流动性，不久，其它的研究小组也证实了他们的发现。

　　3He超流体的发现在天体物理学上有着奇特的应用。人们使用相变产生的3He超流体来验证关于在宇宙中如何形成所谓宇宙弦的理论。研究小组用中微子引起的核反应局部快速加热超流体3He，当它们重新冷却后，会形成一些涡旋球。这些涡旋球就相当于宇宙弦。这个结果虽然不能作为宇宙弦存在的证据，但是可以认为是对3He流体涡旋形成的理论的验证。3He超流体的发现不仅对凝聚态物理的研究起了推动作用，而且在此发现过程中所使用的核磁共振的方法，开创了用核磁共振技术进行断层检验的先河，今天核磁共振断层检验已发展成为医疗诊断的普遍手段。
　　

1997年

　　朱棣文（Stephen Chu, 1948~）、克洛德·科恩－塔努基（Claude Cohen Tannoudji, 1933~）和威廉·菲利普斯（William D. Phillips, 1948）因在发展用激光冷却和陷俘原子的方法方面所作的贡献，共同分享了1997年度的诺贝尔物理学奖。

　　当正在行进中的原子被迎面而来的激光照射时，只要激光的频率和原子的固有频率一致时，就会引起原子的跃迁，原子会吸收迎面而来的光子而减小动量。与此同时，原子又会因跃迁而发射同样的光子，不过它发射的光子是朝四面八方的，因此，实际效果是原子的动量每碰撞一次就减小一点，直至最低值。这种在激光的作用下使原子减速就叫做激光冷却。但是实际上由于多普勒效应的存在，只有适当调低激光的频率，使之正好适合运动中的原子的固有频率，才能使原子产生跃迁，从而吸收和发射光子，达到使原子减速的目的。因此这种冷却的方法称为多普勒冷却。

　　朱棣文（左图）和他的同事们在激光冷却和陷俘原子的技术中取得了突破性的进展，发明了光学粘胶和磁光陷阱技术。他们让真空中的一束钠原子先是被迎面而来的激光束阻止了下来，然后把钠原子引进两两相对，沿三个正交方向的六束激光的交汇处。这六束激光都比静止钠原子吸收的特征颜色稍有红移，其效果就是不管钠原子企图向何方运动，都会遇上具有恰当能量的光子，并被推回到六束激光交汇的区域。在这个小区域里，聚集了大量的冷却下来的原子，组成了肉眼看去像是豌豆大小的发光的气团。由六束激光组成的阻尼机制就像某种粘稠的流体，原子陷入其中会不断降低速度。这种机制就叫做“光学粘胶”。但是处于光学粘胶中的原子会由于重力而往下掉落。为了真正陷俘原子，就需要有一个陷阱。朱棣文和他的小组在光学粘胶装置的基础上再加上两个磁性线圈，设计了一种根有效的陷阱，叫做磁光陷阱。磁光陷阱会产生一个比重力大的力，从而把原子拉回到陷阱中心。后来，他们又设计了一个很有意义的实验“原子喷泉”，借助原子喷泉可以对原子的能级进行极为精确的测量，因此有可能在这一基础上建立最精确的原子钟。目前许多个科学集体正在试制这种原子钟。

　　与此同时，菲利普斯（右图）和他的同事研究了在光学粘胶中缓慢运动的中性钠原子冷云团。他们发现，钠原子的温度约为40mK，比预计的多普勒极限240mK低得多。他们还发现，最低的温度是在与理论多普勒极限的条件下得到的。不久科恩塔努季的实验小组与朱棣文的实验小组就证实了菲利普斯的发现是真实的，并且他们两个小组几乎同时对这一理论和实验之间的分歧作出了解释。原来多普勒冷却和多普勒极限的理论是假设原子具有简单的二能级谱。可是实际上真正的钠原子都具有好几个塞曼子能级，激光能够把钠原子转变为按子能级布居的不同分布，并引起新的冷却机制。这种布居分布的细节依赖于激光的偏振态，而在光学粘胶中，在光学波长量级的距离里偏振态会发生快速的变化。人们把这种新的冷却机制称为“偏振梯度冷却”。

　　1989年菲利普斯访问巴黎，他与科恩塔努基（左图）的实验小组合作，共同证明了中性铯原子可以冷却到2.5mK。他们发现，和多普勒冷却一样，其它类型的激光冷却也有相应的极限。以从单个光子反冲而得到速度运动的一团原子所相当的温度就叫反冲极限。单个光子的反冲能量之所以会有一个极限值，是因为不论对多普勒冷却还是偏振梯度冷却，两者都会发生连续的吸收和发射的循环过程。每个过程都会给原子以微小但却不能忽略不计的反冲能量。如果原子几乎是静止的，免去了吸收发射循环，原则上就可以在稀薄原子蒸气中达到比反冲冷却极限还要低的温度，这就叫亚反冲冷却。20世纪70年代，比萨大学就已经发现，可以用光泵方法使放在强激光场中的原子激发到无吸收的相干叠加状态，即所谓的“暗态”。科恩塔努季的实验小组在一系列的实验中证明了利用多普勒效应可以使最冷的原子最终达到暗态。这个方法被称为速度相干布居陷阱法。

　　朱棣文、科恩塔努基和菲利普斯在激光冷却和陷俘原子的技术所做的研究打开了通向更深入地了解气体在低温下的量子物理行为的道路。

1998年

　　罗伯特·劳克林（Robert B. Laughlin, 1950~）、霍斯特·斯特默（Horst L. Stormer, 1949~）和崔琦（Daniel C. Tsui, 1939~）因发现了一种具有分数电荷激发状态的新型量子流体，共同分享了1998年度的诺贝尔物理学奖。

　　1980年德国物理学家克劳斯·冯·克利青在实验中发现了量子霍尔效应，即霍尔电阻随磁感应强度的变化不是线性的而是台阶式的，出现台阶处的电阻值与材料的性质无关，而是由一个常数h/e2除以不同的整数，他也因此获得了1985年度的诺贝尔物理学奖。两年之后，斯特默（左图）、崔琦（右上图）及其同事们在实验中采用更低的温度和更强的磁场对霍尔效应进行了细致的研究，发现了分数量子霍尔效应。他们在霍尔电阻中发现了一个使他们非常惊奇的新台阶，这些新台阶的高度都能表示为h/e2除以不同的分数。

　　分数量子霍尔效应发现一年后，劳克林（右下图）提出了理论解释。他指出，在量子霍尔效应情形下，电子体系凝聚成了某种新型的量子流体。而且，他还提出一个多电子体系的波函数，用以描述电子间有相互作用的量子流体的基态。劳克林还证明，在基态和激发态之间有一能隙，激发态内存在分数电荷的“准粒子”。

　　分数量子霍尔效应本身就是对新型的量子流体理论的一个间接检验。后来，几个研究小组成功地观察到了这种新粒子。

1999年

　　赫拉尔杜斯·特霍夫特（Gerardus’t Hooft, 1946~）和马丁努斯·韦尔特曼（Martinus Veltman, 1931~）因解释了物理学中的电弱相互作用的量子结构，共同分享了1999年度的诺贝尔物理学奖。

　　电弱统一理论是20世纪最伟大的科学成就之一。在建立电弱统一理论之时，需要解决三个基本问题：其一，不同于看待电磁理论的对称性，对电弱统一理论，选什么样的对称性合适？其二，像光子那样的规范粒子是没有静止质量的，怎样使传递弱力的粒子获得很大的质量？其三，这样的理论能否像量子电动力学（QED）一样实现量子化和重整化？

　　前两个问题，被格拉肖、温伯格和萨拉姆（这三人获得在1979年获得了诺贝尔物理学奖）解决了。第三个问题，则是由特霍夫特（右图）和韦尔特曼（左图）在1971年至1972年解决的。他们提出了一个适用于非阿贝尔规范理论的方案，证明了对称性自发破缺不破坏该规范理论的可重整性。他们不仅阐明了非阿贝尔规范场是有物理意义的，而且为这种理论提供了一种计算量子修正的方法。他们取得的是一个突破性的发现，使得很多物理过程可以计算，并且其结果能与实验观测相比较，从而能做物理预言。例如，弱作用中间传播子W和Z早就被电弱统一理论预言，但是，更加精确地预言W和Z粒子性质的物理量却只能通过特霍夫特和韦尔特曼的工作才能开始进行。在欧洲核子中心（CERN）的LEP加速器上测量W和Z粒子性质的实验结果与他们理论上的预言非常一致。再如，用特霍夫特和韦尔特曼的计算方法预言了顶夸克的质量，1995年，在美国费米国家实验室首次观察到了这个夸克，测得的质量与他们的理论预言值相符。

2000年

　　泽罗斯·阿尔弗罗夫（Zhores I. Alferov, 1930~）和赫伯特·克罗默（Herbert Kroemer, 1928~）因发展了用于高速光电子学的半导体异质结结构，杰克·基尔比（Jack S. Kilby, 1923~）因在发明集成电路中所作出的贡献，共同分享了2000年度的诺贝尔物理学奖。

　　第一个关于异质结结构晶体管的建议是赫伯特·克罗默于1957年提出的，他的理论研究工作表明，异质结结构晶体管比传统的晶体管要优越，尤其是在电流放大器和高频中的应用。在异质结结构晶体管中已经有了高达600GHz的频率，它要比最好的普通晶体管高出大约100倍。另外，由这些元件组成的放大器是低噪音的。异质结结构在半导体激光器的发展中起到了重要作用。1963年，泽罗斯·阿尔弗罗夫（右图）和赫伯特·克罗默（下图）各自独立地提出了异质结结构激光器的原理，这是一项和异质结结构晶体管同样重要的发明。

　　异质结结构在技术中非常重要。在卫星通信中，应用由异质结结构晶体管制成的低噪音高频放大器，改善了移动通信中的信噪比。根据异质结结构制成的半导体激光器可应用于光纤通信中的光数据存储，如CD激光唱机、条形码识别器、激光标识器等。异质结结构对科学研究也具有非常重要的意义，在半导体接触层中形成的2维电子气所具有的特性是研究量子霍尔效应的出发点。

　　使用越来越多的电子管增加了系统的复杂性，这就意味着使用电子管的数目是有限制的，最高限度大约是1000个电子管。1947年圣诞节前夕晶体管的发明是现代半导体技术发展的开端。采用比电子管更小、更可靠、而且能耗更低的晶体管作为元件，使得电子管失去了它的重要性。通过把很多晶体管焊接在一块印刷电路板上，就可使系统的晶体管数目增加到1万以上。但是，晶体管的数目显然是计算机产业的制约因素。早在20世纪50年代初，就有在组合半导体块中制造晶体管、电阻器和电容器，即集成电路的设想和意见。证明集成电路具有实际可能性的是两位年轻的工程师杰克·基尔比（左图）和罗伯特·诺伊斯，他们是各自独立完成的。