物理調(diào)研報(bào)告

諾貝爾獎(jiǎng)與物理學(xué)許自強(qiáng)，郎文秀指導(dǎo)教師：陳浩(沈陽師范大學(xué)物理與科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理學(xué))摘要:諾貝爾獎(jiǎng)是世界近代史上最久負(fù)盛譽(yù)的一項(xiàng)國際性大獎(jiǎng),從1901年頒發(fā)到2000年,已走過了整整一個(gè)世紀(jì)。百年來,無數(shù)科學(xué)家在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)為人類創(chuàng)造了寶貴的文化和科學(xué)財(cái)富。了解和研究這段歷程,可以使我們獲得許多重要的借鑒與啟迪。關(guān)鍵詞:諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);物理學(xué);一百年0引言 諾貝爾獎(jiǎng)是以瑞典著名化學(xué)家諾貝爾的名字命名的包括自然科學(xué)和人文科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)的綜合性、國際性大獎(jiǎng)。它以諾貝爾的遺產(chǎn)的一部分兌為現(xiàn)金(共計(jì)920萬美元),作為獎(jiǎng)勵(lì)基金,以其利息作為一年一度的獎(jiǎng)金。按照諾貝爾的遺囑,諾貝爾獎(jiǎng)分設(shè)物理學(xué)、化學(xué)、生理和醫(yī)學(xué)、文學(xué)、和平獎(jiǎng)5個(gè)單項(xiàng)獎(jiǎng)。到了1968年,瑞典銀行在成立300周年時(shí),決定設(shè)立諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)紀(jì)念獎(jiǎng)金,每年由這家銀行提供與當(dāng)年諾貝爾獎(jiǎng)金相同的金額,交給諾貝爾基金會統(tǒng)一使用。自1901年首次諾貝爾物理獎(jiǎng)?lì)C發(fā)以來,現(xiàn)已經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)。其間,除1916年、1931年、1940年、1941年、1942年,計(jì)五年停頒外,相繼共頒發(fā)了94次,有159人次獲此殊榮(巴丁一人獲兩次獎(jiǎng)),其中,女物理學(xué)家2人。獎(jiǎng)金由首次頒發(fā)的每項(xiàng)3.1萬美元增加到1999年的每項(xiàng)94萬美元。諾貝爾物理獎(jiǎng),是當(dāng)今舉世公認(rèn)的、物理領(lǐng)域的最高榮譽(yù)獎(jiǎng),起著評審和鑒定基礎(chǔ)研究成果的重大作用。在一定意義上說,一個(gè)國家,獲諾貝爾物理獎(jiǎng)人數(shù)的多少與其相應(yīng)綜合國力的大小密切相關(guān)。20世紀(jì),從物理學(xué)科的研究領(lǐng)域看、是個(gè)劃時(shí)代的微觀、宇觀世紀(jì),在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,建立了量子力學(xué)和相對論。由此,不但發(fā)展了量子化學(xué)、激光、半導(dǎo)體、等離子體、超導(dǎo)體、超級計(jì)算機(jī)、核能、宇宙學(xué)等。而且,給哲學(xué)還提供了深化和發(fā)展的素材。實(shí)驗(yàn),理論上的重大突破,必然要導(dǎo)致技術(shù)上的重大變革。當(dāng)今,人們的物質(zhì)文化生活,乃至思想觀念正在發(fā)生著翻天覆地的變化,人類已由電子、核能時(shí)代,進(jìn)入了信息化時(shí)代。在這一劃時(shí)代的歷史進(jìn)程中,諾貝爾物理獎(jiǎng)的獲得者,起了很重要的作用。因此,對百年來諾貝爾物理獎(jiǎng)作一回顧與評析,是個(gè)十分有意的工作,做這個(gè)工作,必然要涉及到許多學(xué)科的知識,我們深感力不從心,不妥之處難免,敬請相關(guān)學(xué)者指正。1諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)基本概況諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)自1901年到2000年的一百年間,共計(jì)162人次獲獎(jiǎng),見表1。表1諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)邍曳植脊灿?6個(gè)國家的物理學(xué)家曾獲此殊榮,其中美國人占44%,而南半球國家無一人獲獎(jiǎng)。我們從中還可以看到,在第二次世界大戰(zhàn)前的近40年間,德國共有11人獲獎(jiǎng),居世界之最,可見當(dāng)時(shí)世界科學(xué)研究的中心在德國。在第二次世界大戰(zhàn)以后的60年間,美國人有67人次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),占二戰(zhàn)后獲獎(jiǎng)中人數(shù)的58%。特別是80年代以后,大部分年份都有美國人獲獎(jiǎng)。表2諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)吣挲g分布諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)咂骄挲g為52歲。其中英國物理學(xué)家布拉格于1915年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí),年僅25歲,至今還保持著獲諾貝爾獎(jiǎng)年紀(jì)最輕的紀(jì)錄。1978年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的前蘇聯(lián)物理學(xué)家卡皮察已84歲高齡。此外,1903年,居里夫婦獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),成為諾貝爾獎(jiǎng)歷史上首次雙雙獲獎(jiǎng)的夫婦。并且,居里夫人還于1911年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。美國物理學(xué)家巴丁以在半導(dǎo)體器件和超導(dǎo)領(lǐng)域做出的杰出貢獻(xiàn),分別于1956年和1972年兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),成為世界上至今唯一一位在同一領(lǐng)域內(nèi)兩次獲諾貝爾獎(jiǎng)的偉大人物。在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)歷史上,還有象布拉格、玻爾等父子雙雙獲諾貝爾獎(jiǎng)的傳奇故事。在諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)名錄中,一些世界著名的高等學(xué)府尤其引人注目,見表3。表3獲獎(jiǎng)較多的著名高校自1957年以來,先后共有5位華裔物理學(xué)家登上諾貝爾領(lǐng)獎(jiǎng)臺:1957年,31歲的李政道和35歲的楊振寧;1976年,40歲的丁肇中;1997年,49歲的朱棣文;1998年,59歲的崔琦。這是全球華人的驕傲。2百年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)與20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展史2.1近代物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)閱讀百年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的輝煌成就,似乎就是在閱讀一部20世紀(jì)的物理學(xué)發(fā)展史。1901年,德國物理學(xué)家倫琴,因發(fā)現(xiàn)X射線而獲得首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),從此開始了現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的光輝歷程。到20世紀(jì)末,物理學(xué)看起來已達(dá)到相當(dāng)完善的地步,一般物理現(xiàn)象似乎都能從相應(yīng)的理論中得到說明。因此,相當(dāng)多的人認(rèn)為,物理學(xué)的基本框架已經(jīng)構(gòu)成,剩下的工作只是把一些物理常數(shù)測得更準(zhǔn)確一些,把一些基本規(guī)律應(yīng)用到各種具體的問題上去而已。1900年,著名物理學(xué)家開爾文在總結(jié)近百年來物理學(xué)所取得的成就時(shí)說:“在已經(jīng)建成的科學(xué)大廈中,后輩物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。但是,在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處,還有兩朵小小的令人不安的烏云?！边@兩朵烏云是指以太漂移和黑體輻射兩個(gè)用已有的物理學(xué)理論無法解釋的十分重要的現(xiàn)象。物理學(xué)發(fā)展的事實(shí)表明,由于相對論和量子論的建立,導(dǎo)致物理學(xué)發(fā)生了一場革命,提出了與以往經(jīng)典物理學(xué)理論完全不同的物理理論。19世紀(jì)末,這場物理學(xué)革命風(fēng)暴來到之前,連續(xù)發(fā)生了三個(gè)重大事件,這就是X射線、放射性和電子的發(fā)現(xiàn),它們被稱為物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)。1901年,德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線而獲獎(jiǎng)。1903年,法國物理學(xué)家貝克勒爾和居里夫婦因發(fā)現(xiàn)天然放射性元素鈾、釙、鐳而獲獎(jiǎng)。英國物理學(xué)家湯姆生,測出電子的荷質(zhì)比而獲1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),成為一位最先打開通向基本粒子物理學(xué)大門的科學(xué)家。2.2相對論的創(chuàng)立第一個(gè)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的美國物理學(xué)家是1907年諾貝爾物理學(xué)得主邁克爾遜。他因創(chuàng)造精密的光學(xué)儀器和用以進(jìn)行光譜學(xué)、度量學(xué)的研究,并精密測出光速而獲獎(jiǎng)。1882年,他和美國化學(xué)家、物理學(xué)家莫雷進(jìn)行了著名的麥克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn),按預(yù)期的效果,能夠計(jì)算出地球相對于“以太”的絕對運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù),但測量結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)任何顯著的移動(dòng)。這一結(jié)果使人們對關(guān)于宇宙的靜止以太假說和關(guān)于光學(xué)的光行差假說產(chǎn)生了懷疑,從而為科學(xué)史上否定“以太”存在的概念提供了重要的根據(jù),并促進(jìn)了愛因斯坦狹義相對的建立。1904年,第二屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主荷蘭物理學(xué)家洛倫茲提出了高速運(yùn)動(dòng)的參考系與靜止的參考系之間的時(shí)間空間坐標(biāo)變換形式—“洛倫茲變換”。他提出的光速在不同媒質(zhì)中具有不同數(shù)值和光在運(yùn)動(dòng)和靜止物體中消失的時(shí)間不同等看法,為愛因斯坦創(chuàng)立相對論做了某些準(zhǔn)備。1905年,德國物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)表了《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》,提出了以光速不變原理和狹義相對性原理為基礎(chǔ)的狹義相對論。通過洛倫茲變換,愛因斯坦得到一系列重要結(jié)論,如運(yùn)動(dòng)的尺子縮短,運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢,光速不可逾越等。他還提出了質(zhì)量和能量之間的重要關(guān)系式:E=mc2,把質(zhì)量與能量統(tǒng)一起來,并在理論上預(yù)示了原子能利用的可能性。1916年,愛因斯坦發(fā)表了《廣義相對論的基礎(chǔ)》,最后完成了廣義相對論的創(chuàng)立。1921年,他因光電效應(yīng)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在討論為愛因斯坦授獎(jiǎng)時(shí),物理學(xué)界對相對論尚有爭論,但瑞典皇家學(xué)會決定:“不管相對論與引力理論有何價(jià)值,將1921年的獎(jiǎng)金授予物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)作出過重要貢獻(xiàn)的愛因斯坦”。2.3量子論的建立量子理論的突破首先出現(xiàn)在黑體輻射能量密度隨頻率的分布規(guī)律上。1900年,德國物理學(xué)家普朗克了解到維恩(1911年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者)的半經(jīng)驗(yàn)公式在長波段與觀測有明顯偏離,他提出了一個(gè)兩參數(shù)公式。普朗克作出如下假定:物體吸收或發(fā)射電磁輻射,只能以“量子”的方式進(jìn)行,打破經(jīng)典物理學(xué)的連續(xù)性觀念,滿意地解釋了他提出的輻射公式,解決了“紫外災(zāi)難”問題。這標(biāo)志著量子論的誕生。但在相當(dāng)長一段時(shí)間中,這個(gè)假設(shè)并沒有引起人們的重視。1905年,愛因斯坦卻看到了它的重要性,提出了光量子假說,成功地解釋了光電效應(yīng)。1904年,湯姆生提出了著名的“葡萄干蛋糕”原子結(jié)構(gòu)模型。1911年,湯姆生的學(xué)生盧瑟福的a粒子散射實(shí)驗(yàn)使他提出了與導(dǎo)師截然不同的核式模型。但這個(gè)模型卻遇到經(jīng)典理論分析上的極大困難。1913年,盧瑟福的學(xué)生玻爾把普朗克的量子化假設(shè)引進(jìn)了盧瑟福的原子模型,提出了量子化軌道理論,即玻爾的氫原子理論。玻爾的理論一舉解釋了熱輻射和光譜學(xué)的基本定律。1924年,法國物理學(xué)家德布羅意提出了實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性即物質(zhì)波的概念,一切客體都具有波粒二象性。他用這種物質(zhì)波理論解釋了玻爾的模型和量子條件,并預(yù)言電子束在穿過小孔時(shí)也會出現(xiàn)衍射現(xiàn)象。1927年,美國科學(xué)家戴維遜等物理學(xué)家證實(shí)了電子衍射。波粒二象性的揭示,開創(chuàng)出一門專門研究微觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律的統(tǒng)一理論-量子力學(xué)。量子力學(xué)和相對論的結(jié)合,構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。1926年,奧地利物理學(xué)家薛定諤發(fā)展了德布羅意的物質(zhì)波思想,建立了描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)力學(xué)方程。這個(gè)方程在量子力學(xué)中的地位,相當(dāng)于經(jīng)典力學(xué)中的牛頓方程。同年,德國物理學(xué)家波恩對波函數(shù)做出了統(tǒng)計(jì)解釋,認(rèn)為微觀粒子的波動(dòng)性是一種幾率波。德國物理學(xué)家海森堡1925年沿著另一條途徑為量子力學(xué)的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ)。他建立了與薛定諤的波動(dòng)力學(xué)在本質(zhì)上一致的矩陣力學(xué)。1927年,他推出了測不準(zhǔn)原理和測不準(zhǔn)關(guān)系式。1928年,英國科學(xué)家狄拉克把相對論同量子力學(xué)結(jié)合起來,建立了相對論量子力學(xué)。量子力學(xué)建立后,圍繞對量子力學(xué)的理論解釋展開了激烈的哲學(xué)爭論。1927年,玻爾提出了著名的互補(bǔ)原理,從哲學(xué)上對測不準(zhǔn)關(guān)系加以概括,用以解釋量子力學(xué)的基本特征-波粒二象性,成為量子力學(xué)的正統(tǒng)解釋。相對論的創(chuàng)建人愛因斯坦的名字家喻戶曉,然而發(fā)展量子理論的物理學(xué)家的名字只有科技界人士才知曉,原因之一是由于量子理論并非主要由一位物理學(xué)家所創(chuàng)立,而是許多物理學(xué)家共同努力的結(jié)晶。在這征程中閃爍著普朗克、愛因斯坦、玻爾、海森堡、波恩、泡利、德布羅意、薛定諤等光輝的名字。因?yàn)樵诹孔游锢韺W(xué)所做出的杰出貢獻(xiàn),他們都分別獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。20世紀(jì)量子物理學(xué)所碰到的問題是如此復(fù)雜和困難,以至沒有可能斯望一位物理學(xué)家能單獨(dú)把它發(fā)展成一個(gè)完整的理論體系,量子物理學(xué)的建立可以認(rèn)為是物理研究工作方式的轉(zhuǎn)變。2.4原子核物理學(xué)和基本粒子物理學(xué)19世紀(jì)末的三大發(fā)現(xiàn)使人類從原子“實(shí)體”破門而入,隨之而來的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的秘密逐層被揭開,給人類展示出微觀領(lǐng)域的豐富多采的自然圖景。原子核物理學(xué)和基本粒子物理學(xué)相繼建立起來了。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)尤為重視基礎(chǔ)理論研究,從英國科學(xué)家查德威克因發(fā)現(xiàn)中子而獲1935年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以來,有關(guān)高能物理學(xué)方面獲諾貝爾獎(jiǎng)的占全部物理獎(jiǎng)人數(shù)的近70%。1938年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者,意大利物理學(xué)家費(fèi)米以從事原子物理和人工放射現(xiàn)象的研究而聞名于世。他因查明了用中子轟擊產(chǎn)生的新放射性元素,并發(fā)現(xiàn)了用慢中子實(shí)現(xiàn)核反應(yīng)而獲獎(jiǎng)。成為在核物理方面第一個(gè)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家。1949年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者,日本科學(xué)家湯川秀樹用數(shù)學(xué)的方法預(yù)見介子的存在。1950年英國物理學(xué)家鮑威爾因發(fā)現(xiàn)介子而獲獎(jiǎng)。1957年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者,美籍華人楊振寧、李振道提出在弱相互作用下的宇稱不守恒定律,在理論上指出τ、θ是一種粒子,只是在弱相互作用領(lǐng)域其宇稱不守恒。1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者,美國物理學(xué)家費(fèi)曼、施溫格、日本物理學(xué)家朝永振一郎對量子電動(dòng)力學(xué)的研究,對基本粒子物理學(xué)有深刻影響,他們又假設(shè)了一種理論上的粒子稱為夸克。1969年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者,美國物理學(xué)家蓋爾曼提出“夸克”粒子理論而獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1976年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者,美籍華人丁肇中和美國物理學(xué)家里克特分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)J/Ψ粒子,使當(dāng)時(shí)處于搖晃狀態(tài)的夸克理論又獲新生。1990年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者,美國物理學(xué)家杰羅姆、肯德爾、加拿大物理學(xué)家泰勒首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)夸克的存在。1995年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者,美國物理學(xué)家珀?duì)枴⒗锥魉?發(fā)現(xiàn)了τ輕子和成功觀察到電子反中微子,為建立輕子—夸克層次上的物質(zhì)結(jié)構(gòu)圖像做出了重大貢獻(xiàn)?？淇耸遣皇沁€可再分,即它是否還有更深的內(nèi)部結(jié)構(gòu),這正是科學(xué)家們進(jìn)一步研究的課題,工作還正在進(jìn)行中。人們對物質(zhì)微觀世界的認(rèn)識是永無止境的。3啟示與展望歷史是一面鏡子,回顧百年來諾貝爾物理獎(jiǎng)的歷程,僅管啟示很多,但最主要的還是培養(yǎng)人才、吸引人才、留住人才。諾貝爾物理獎(jiǎng)榮獲者幾乎都是來自世界一流的大學(xué)和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。因此,辦好重點(diǎn)大學(xué)、建設(shè)好重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要舉措。人才培養(yǎng)出來了,關(guān)鍵還要留住人才,而要留住人才,最重要的是營造一個(gè)有利于人才成長與發(fā)展的環(huán)境。這就需要全社會共同參與。平等競爭,按德才、政績、成果取酬,是營造這種環(huán)境的基礎(chǔ)。這樣既可留住人才、又可吸引人才。百年來諾貝爾物理獎(jiǎng)雖與我們無緣,但在基礎(chǔ)研究方面我們已取得了很大成績,再有十幾年就有可能實(shí)現(xiàn)諾貝爾物理獎(jiǎng)零的突破。從鴉片戰(zhàn)爭到八年抗戰(zhàn),中華民族之所以會經(jīng)受百年欺凌,一個(gè)重要的原因就是自己落后,當(dāng)侵略者用槍炮瞄準(zhǔn)我們的胸膛的時(shí)候,我們卻只能揮舞大刀長矛去抵抗!這是一個(gè)深刻的歷史教訓(xùn)。新中國剛一成立,就面臨著核大國的核恐怖、核訛詐。于是,我們針鋒相對,把基礎(chǔ)研究與高科技融為一體,集中了一流的科學(xué)家,用不到20年的時(shí)間就先后研制成功了原子彈、氫彈、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、核潛艇。從而使我們的國威大振,受人欺凌的時(shí)代一去不復(fù)返了。這些成果的價(jià)值與諾貝爾物理獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目成果的價(jià)值相比并不差。改革開放以來,我國的基礎(chǔ)研究有了更大的突破。例如,1989年李新洲教授首次在理論上證明了,觀測的宇宙必定是四維的,這是宇宙學(xué)研究中的一個(gè)突破性進(jìn)展?？茖W(xué)家潘建偉撰寫的《量子態(tài)隱形傳輸實(shí)驗(yàn)研究》論文,發(fā)表在1997年12月11日出版的《自然》雜志上,并于1999年11月入選了該雜志的世紀(jì)百年經(jīng)典之作。這一成果是量子信息科學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。1998年湖南醫(yī)科大學(xué)夏家輝院士經(jīng)過20多年有研究,終于在我國本土上克隆出第一個(gè)遺傳疾病基因,做出了世界一流的成果。另外,從論文的數(shù)量上來看,近十幾年來,每年有4000多篇論文發(fā)表在SCI上,其中10%是在物理學(xué)頂級刊物上發(fā)表,比15年前增加了一個(gè)數(shù)量級。當(dāng)然,我國科學(xué)家所取得的這些成果還需時(shí)間去驗(yàn)證。由于諾貝爾物理獎(jiǎng)項(xiàng)目獲獎(jiǎng)的時(shí)間滯后于項(xiàng)目完成的時(shí)間。所以,在今后15年里,我們就有可能拿到諾貝爾物理獎(jiǎng)或其它科學(xué)獎(jiǎng)。展望未來,令人振奮。參考文獻(xiàn):[1]郭保章.諾貝爾獎(jiǎng)的由來[J].知識就是力量,2000,(2):8.[2]不列顛百科全書[M].北京:國際中文版卷12,1999.[3]王士