第一篇：解读2013年诺贝尔物理学奖
解读2013年诺贝尔物理学奖：何为希格斯粒
子
2013-10-09中国文化传媒网
2013年诺贝尔物理学奖揭晓。
新浪科技讯10月8日讯 2013年诺贝尔物理学奖授予彼得·W·希格斯(Peter W.Higgs)和弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)，以表彰他们对希格斯玻色子(又称“上帝粒子”)所做的预测。那么，到底什么是希格斯玻色子呢? 希格斯粒子是一种亚原子粒子，也就是说，理论上认为它应当是构成宇宙的最基本组成部件之一。但是它仍然有待实验观测证实。科学家们提出的物理学标准模型预言了这种粒子的存在，其作用是解释为何其它粒子会拥有质量。根据这一理论，在宇宙大爆炸之后，一种看不见的力，即希格斯场和与之相对应的粒子 ——希格斯-玻色子一同形成。正是这个场赋予其它基本粒子以质量的属性。
为何这一粒子如此重要？
希格斯场赋予整个宇宙中其它粒子以质量的方式可以用游泳者在水池中受到的水的阻力来做比喻。如果粒子没有质量，它们便可以在宇宙中以光速前进，因为质量的本质便是对物体改变其速度的制约性。
这种粒子最早是什么时候被提出来的？
有关这一粒子的理论最早是在1964年由6位物理学家共同提出来的，其中就包括英国爱丁堡的皮特•希格斯教授。他们当时提出这一粒子的目的就是为了解释质量的起源。理论上，这一粒子的存在将正好补全描述整个宇宙如何运行的物理学标准模型的缺陷，因此它便显得尤其重要。
如何对其进行搜寻？
欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)是人类有史以来建造的最强大的粒子加速器，它的工作原理是将两束质子流以接近光速的速度迎头相撞，在此过程中得到其它粒子。
在1989年至2000年之间，科学家们也曾使用同样位于欧洲核子中心的另一台加速器LEP进行搜寻工作，而由于经费不足被关停之前，美国的Tevatron加速器也进行过对这一神秘粒子的搜寻工作。
科学家们如何能知道自己究竟是否发现了这样的粒子呢? 如果在LHC加速器中进行的数以十亿计的对撞实验中真的产生了希格斯-玻色子，根据预测，它应当是不稳定的，会迅速衰变为更加稳定，质量更小的粒子。物理学家们需要对这些衰变产物进行分析，并且通过分析来推断这种被称为“上帝粒子”的神秘粒子是否存在。在分析过程中，希格斯粒子是否存在会从数据图形的峰值中体现出来。
六点重大影响： 1.揭开质量起源之谜
物体的质量是怎么来的?这个问题一直困扰物理学界，而希格斯玻色子恰恰被认为与宇宙中一切物体的质量起源有关。希格斯玻色子与一种场有关，那就是所谓的希格斯场，理论上认为这种场充斥着整个宇宙。当宇宙中的其它粒子在这一场中运行时便获得了质量的属性。这就有点像是大家都在一个游泳池里游泳，然后身上都会被打湿，在这里，被水打湿就像是物体获得质量一样。
美国哈佛大学物理学家杰奥•哥斯达(Joao Guimaraes da Costa)表示：“希格斯粒子的机制让我们能够理解粒子获得质量的途径和方式。” 哥斯达是去年欧洲核子中心宣布疑似希格斯粒子发现时，大型强子对撞机(LHC)所属ATLAS探测器设备的标准模型召集人。他说：“如果没有这种机制，那 么所有的一切物体都将失去质量。”
确认此次发现的粒子确实是希格斯粒子将证明我们设想的粒子获得质量属性的方式是正确的。美国加州理工学院物理学教授玛利亚•斯皮罗普鲁(Maria Spiropulu)表示：“这项发现从量子层面支持了我们对于质量来源的看法，而这正是我们当初建造大型强子对撞机的目的。这是一项无与伦比的成就。”
而后，这将进一步为一个更深层次的问题提供解决的线索，那就是：为什么这些粒子拥有这一质量数值?这个值是如何确定的?对此，哈佛大学物理学家 丽萨•兰德尔(Lisa Randall)表示：“这是一个大得多的问题。确认这的确是希格斯粒子只是整个过程的第一步，此后我们才能更往前走，这两者之间是相互联系的。”
2.完善标准模型 标准模型是当代粒子物理学的基石，它描述了整个宇宙中所有的粒子。所有被标准模型所预言的粒子此前都已经被找到了，除了希格斯粒子。就在去年宣布初步结果时，欧洲核子中心ATLAS实验设备科学家乔纳斯•斯兰德伯格(Jonas Strandberg)就曾表示：“这是标准模型中缺失的一环，因此如果这一发现得到最终确认，那么它将最终证明我们目前的认识是正确的。”
到目前为止，科学家们所发现的这一疑似希格斯粒子似乎和标准模型中预言的性质相吻合。但即便如此，标准模型本身也并不完整：例如它没有包括引力，也没有将被认为占据整个宇宙物质总量约98%的暗物质成分考虑进去。
美国费米国家实验室CMS中心的物理学家帕提•麦克布雷德(Patty McBride)在上周四表示：“即便有证据清晰地证明目前我们新发现的这一粒子确确实实就是标准模型所预言的希格斯玻色子，即便如此我们对宇宙的认识仍然模糊不清。”他说：“我们仍然不能理解为何引力如此微弱，我们还要面对巨大的暗物质的存在。不过，对于这一已经有48年历史的经典理论来说，迈出了完善的第一步仍然不失为一件令人高兴的事。”
3.电弱相互作用
确认希格斯粒子还将对电弱相互作用的构建产生重要影响。这种作用是对电磁作用与弱相互作用的统一描述，这两者都是自然界的基本力类型之一。电磁作用描述带电粒子之间的相互作用，而弱相互作用则描述放射性衰变过程。
自然界中所有力的作用都和某种粒子有关。比如与电磁力有关的粒子是光子，这是一种质量为零的特殊粒子。而弱相互作用力则和名为W和Z的玻色子有关，这两种粒子都拥有很高的质量值。而所有这些粒子的质量来源，便被认为是希格斯玻色子的作用造成的。
欧洲核子中心的斯兰德伯格表示：“如果引入希格斯场的概念，那么W和Z玻色子就会和这个场混杂在一起，在这一过程中它们便获得了质量。”他说：“这解释了为何W和Z玻色子会有质量，并将电磁作用和弱相互作用两种基本力统一了起来，构成电弱相互作用。”
4.超对称理论
超对称理论也将受到希格斯粒子发现的影响。这一理论认为任何一种已知的粒子都有一个“超级伙伴”粒子，这种伙伴粒子拥有轻微差异的性质。超对称理论拥有很大的吸引力，因为它可以统一自然界中的其它基本作用力，甚至有希望揭开暗物质构成之谜。然而到目前为止这一理论的前景黯淡，科学家们只找到了和标准模型预言的希格斯粒子性质极其相似的粒子，但是却没有能发现任何和超对称粒子有关的线索。
5.大型强子对撞机
大型强子对撞机(LHC)是世界上最大的粒子加速器。这一耗资约100亿美元的设备率属于欧洲核子研究中心(CERN)，其目的是创建地球上能级最强大的粒子加速器设施。而其中找出希格斯玻色子则被列为了该设备的最优先目标之一。此次最新宣布的结果为LHC此前的结果提供了强有力的证明，也是对此前一直在这里为达成这一目标而忘我工作的物理学家们所取得丰硕成果的最好证明。
斯皮罗普鲁在去年的一份声明中表示：“这项发现从量子层面支持了我们对于质量来源的看法，而这正是我们当初建造大型强子对撞机的目的。这是一项无与伦比的成就。”他说：“科学家们已经等待了整整一代人的时间，为的就是这一刻。来自全世界各地大学和研究机构的粒子物理学家，工程师和技术人员们已经为了达成今天的这一成就奉献了数十年的辛勤工作。现在是时候让我们暂时停下脚步，回过头去审视这项发现的意义了，然后再继续进行海量的数据收集和分析工作。”
希格斯玻色子最早是在1964年由英国物理学家皮特•希格斯和同事们提出的。而这个名字的后半部分则是为了纪念杰出的已故印度物理学家和数学家玻色，他与爱因斯坦一同给出了玻色子的定义。玻色子是一类基本粒子，主要包括胶子和引力子等。其负责传递费米子之间的相互作用，如夸克，电子和中微子等等。费米子是宇宙中的另外一种基本粒子类型。
6.宇宙的命运
希格斯玻色子的确认将为科学家们开启一扇大门，让他们得以进行此前无法进行的一些计算。其中一些计算的结果有关宇宙的命运。有一种观点认为宇宙将在未来数十亿年内毁灭。
在进行这样的计算时，希格斯玻色子本身的质量是一个非常关键的参数，它预示了时空的未来命运。目前的测量值显示，希格斯玻色子的质量约为质子的126倍，这一质量值几乎已经处在了一个临界点上，它将有可能让宇宙在未来数十亿年内走向毁灭。
约瑟夫•林肯(Joseph Lykken)是美国费米国家实验室的物理学家，他表示：“计算的结果告诉我们，在数十亿年之后宇宙将可能面临灾难。”他说：“这或许意味着我们所生活于其中的这个宇宙本身存在着内在的不稳定性，在数十亿年之后这一切都将归于瓦解。”
基本粒子质量之源
若没有希格斯粒子，其他基本粒子就会仍以光速运行，宇宙将仍然是一锅沸腾的基本粒子汤，不能组成物质，生命无从谈起希格斯粒子究竟是什么?为什么找到它如此重要? 早在2000多年前，人类便开始追问，我们所生活的世界是怎样形成的?从德谟克利特的“原子说”到如今被科学家普遍接受的标准模型理论，从朴素的形而上学概念到标准模型所预言的粒子陆续被证实，人类似乎越来越接近这一问题的答案。
在标准模型里，宇宙由62种不可再分的基本粒子构成，通过强力、弱力及电磁力这三种基本作用力组合成各种复合粒子，进而构成物质世界。基本粒子可以分为两大类：自旋为半整数的费米子(fermion)和自旋为整数的玻色子(boson)。费米子是构成物质“实体”的粒子，也称之为物质粒子，而玻色子则传递基本相互作用，也可称为载力粒子。
然而在标准模型建立过程中，有一个问题却一直困扰着科学家：按照标准模型理论，基本粒子并没有质量，但实验结果却又清楚表明，除了光子以外的基本粒子都是有质量的。
1964年，希格斯等人提出了“希格斯机制”的概念，在理论上解决了这个问题。希格斯们认为宇宙间遍布“希格斯场”，基本粒子在与希格斯场的相互作用下获得了质量，而形成希格斯场的就是一种新的粒子，被命名为希格斯粒子。
根据对希格斯粒子性质的预言，希格斯粒子的自旋为零，是一种玻色子，所以又把希格斯粒子称为希格斯玻色子。
希格斯理论提出，在宇宙诞生的最初，并没有希格斯粒子的存在，其他的各种基本粒子都如光子一般，以光速横冲直撞。宇宙诞生十几秒后，希格斯粒子 诞生，形成了“希格斯场”。除了光子，其他的基本粒子与希格斯粒子发生碰撞后，就如同轻巧的棉花吸饱了水分一般，获得了质量，而速度就慢下来了。
慢下来的基本粒子“夸克”在强相互作用下，抱团组成了质子、中子等粒子，质子和中子又组成了原子核，原子核与电子在电磁力作用下又形成了原子，原子构成分子，由此形成了我们所见到的大千世界。
如果没有希格斯粒子，其他的基本粒子就会仍然以光速运行，不能聚合在一起，我们的宇宙将仍然是一锅沸腾的基本粒子汤，根本不能组成物质，生命也无从谈起。
希格斯玻色子的存在是希格斯机制的必然结果之一，假若实验证实希格斯玻色子存在，则可给予希格斯机制极大的肯定。更重要的是，它的发现弥补了标准模型的缺漏，奠定了标准模型的基础。
由于希格斯粒子一直未被发现，这些重要的问题一直悬而未决。这个标准模型理论预言的最后一个粒子便一直成为科学家们苦苦追求的目标。
等等，万一希格斯理论被证明是错误的，希格斯粒子根本就不存在呢? 曾获诺贝尔奖的著名粒子物理学家莱德曼表示，如果这样，标准模型理论将被推翻，至少需要进行修改。他表示，“这就像哥伦布启程去寻找印度群岛一样，他和他的信徒们相信，如果没有达到目的，他也会发现一些别的东西，这些东西可能会更有意义。”
在这个意义上来说，很多科学家反倒有些失望，毕竟找到一个48年前就被预言了的“老粒子”多少有些无趣，他们期盼的是更为颠覆性的发现：假如标准模型被推翻，整个物理世界的理论都有可能要重新改写。寻找希格斯粒子历程艰难花费惊人
上帝粒子之所以取名为希格斯，是因为它是英国科学家彼得•希格斯(Peter Higgs)于1964年提出的(与他差不多同时提出希格斯这一机制的还有其他几个人，一旦希格斯粒子的存在最后被确认，他们将分享诺贝尔物理奖)。
寻找希格斯的工作早在上世纪90年代的LEP对撞机上就开始了。LEP似乎看到了希格斯的小尾巴，可惜LEP对撞机由于要让位于LHC的修建而过早关闭了，从此便与希格斯擦肩而过(现在看来，LEP的能量再提升一点就有能力看到希格斯了)。
接下来前赴后继的是美国费米实验室的Tevatron对撞机，这一领世界风骚近20年的对撞机也对希格斯进行了大力追捕，也模模糊糊看到了希格斯的娇容，可惜这一对撞机正值壮年就被关闭了(被关闭的原因是在能量和亮度两方面都竞争不过欧洲人的LHC对撞机)。
其实在LHC建造之前，美国人已经开始建造超级超导对撞机SSC，按照设计它将是真正的巨无霸对撞机，其能量比LHC还要高3倍，目标也是寻找希格斯。可惜，SSC由于花费惊人(被称为“吞噬金钱的无底洞”)而被美国国会终止了，已经挖好的地洞也被填平(很多第三世界国家的人为此叹息，这些花巨资挖的地道可以作防空洞或地道战用啊)。
但是，欧洲人并没有因此而停顿建造LHC的步伐，欧共体成员国共同出钱如期完成了LHC工程(世界上其他大国包括中国在内，也不同程度地出了钱)。LHC对撞机是人类历史上投资最大的科学研究机器，造价高达100亿美元，这一人类历史上最高能量对撞机的主要目标就是寻找上帝粒子——希格斯。由于LHC涉及到几十个国家和几百个大学，它的发言人在7月4日的发布会做最后总结时说，LHC是全球的力量、全球的成功!
第二篇：1979年诺贝尔物理学奖——弱电统一理论
1979年诺贝尔物理学奖——弱电统一理论
1979年诺贝尔物理学奖——弱电统一理论
1979年诺贝尔物理学奖授予美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学莱曼实验室的格拉肖（Sheldon L.Glashow，1932—）、英国伦敦帝国科技学院的巴基斯坦物理学家萨拉姆（Abdus Salam，1926—1996）和美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学的温伯格（Steven Weinberg，1933—），以表彰他们在发展基本粒子之间的弱电相互作用理论的贡献，特别是预言了弱中性流①
有人说，相对论和量子力学是20世纪物理学最重要的成果，而把电磁力和弱力统一在一起的弱电相互作用理论则是20世纪的最高点，这无疑是恰当的评价。
格拉肖1932年12月5日出生于美国纽约。父亲为了躲避沙俄对犹太人的迫害，年轻时从俄国移居到美国，当了一名管钳工。格拉肖有两个哥哥，比他大十几岁。父母和哥哥都很喜欢他，给他创造了较好的条件，让他学习科学。他在家里的地下室有自己的化学实验室，从小就对科学有强烈的兴趣。1947年格拉肖进纽约的布朗克斯理科中学，温伯格是他的同窗好友。从这时起就开始了他们之间的共同追求。格拉肖酷爱读书，并组织了一个科学幻想俱乐部，出版了中学科学幻想杂志。1950年格拉肖和温伯格一起进入康奈尔大学。格拉肖对这里的本科教学不大满意，因为有名的教授都去给研究生开课，于是就在三四年级时选修了经典电磁理论、量子场论之类的研究生课程。他还经常参加学术报告会。和中学时期一样，他喜欢和同学们讨论问题。1954年大学毕业，格拉肖来到哈佛大学，选择了著名物理学家施温格当自己的导师。在施温格的指导下，格拉肖选取了“基本粒子衰变中的矢量介子”作为自己的博士论文题目。1958年获博士学位。后得到一笔美国科学基金会资助来到丹麦的理论物理研究所。在这里做了两年的研究工作，就在这段时期，他发现了关于弱电统一理论的SU（2）×U（1）模型。
这项重要工作实际上在做博士论文时就已有准备，他在论文附录中就提到了弱电统一的思想，而这一思想正是他的导师施温格首先倡导的。
1956年施温格就已开始考虑弱电统一理论。这件事的由来还应追溯到李政道和杨振宁对弱相互作用中宇称不守恒的发现。这一发现促使人们认识到弱相互作用是普适的V－A型理论，并使人们注意到弱相互作用和电磁相互作用之间有某种共同点，从而进一步考虑两者之间的统一性。施温格在1957年发表的论文中提出弱相互作用是由光子和两个矢量玻色子传递的，这三种粒子应该组成三重态。这个理论虽然因为本身的缺陷：是张量型的而不是V-A型的，又没有考虑到弱中性流，因此没有成功。
1958年格拉肖把他的博士论文附录扩展为以“矢量介子相互作用的可重正性”为题的论文，他主张弱电统一理论应以杨振宁和米尔斯（R.L.Mills）的规范理论为基础。在这篇论文中他还试图证明杨-米尔斯理论是可重正的。
这一年格拉肖到英国就他自己对弱电统一理论的看法作了一次学术报告，听
227 1979年诺贝尔物理学奖——弱电统一理论
众中有来自巴基斯坦的萨拉姆。萨拉姆也是受施温格的启发正在研究统一弱电相互作用的问题，并对重正化大伤脑筋，因为他和他的合作者还一时无法克服无穷大的问题。当他听格拉肖说到自己的理论是可重正化时，竟大为惊奇。于是仔细研究了格拉肖的做法，结果发现格拉肖的论文有错误。
格拉肖并没有因为这件难堪的事灰心，他继续进行弱电统一理论的研究。1960年，格拉肖发现描述弱电相互作用的规范群必须大于SU（2）。由此他想出了一条通向可重正化的方案，即在SU（2）×U（1）群中有两个电中性的传播子，一个是无质量的光子，另一个是有质量的中性矢量介子。格拉肖把这个想像中的中性矢量介子称为B。他把这些思想写成论文“弱相互作用的部分对称性”。这篇论文与1958年写成的那一篇不同之处在于，他假设弱电统一规范粒子是四个，而前一篇假设的是三个，即一个矢量玻色子的三重态。他现在假设应该在三重态之外再引入一个中性矢量玻色子。也就是说，还存在有一种全新的弱相互作用，是由假设中的中性矢量玻色子传播的。这一矢量分子B多年后才得到证实，人们称之为Z°。
然而，格拉肖的理论仍然没有得到人们的响应，主要的原因当然是他假设的B矢量介子一时得不到证实，而且他的理论仍然是不可重正的，他把量子电动力学和杨-米尔斯的规范理论这两种理论联合成一体，可是电磁作用力宇称守恒，而弱相互作用宇称不守恒，有点自相矛盾。
格拉肖没有气馁，1961年又写了一篇论文讨论弱电统一理论。他的同学温伯格和正在英国的萨拉姆继续推进这项研究使之达到完善。
温伯格和格拉肖一样也是出生于美国纽约，他比格拉肖小几个月，是1933年5月3日出生的。和格拉肖一样，温伯格也是从小热爱科学，后来两人一起念中学和大学，在他们的集体中还有一位物理学家，名叫费恩伯格（G.Feinberg）。费恩伯格和温伯格后来还一起研究过μ介子物理，并联名发表过几篇论文。三人从小要好，都是中学科学幻想俱乐部的成员，经常聚会，讨论科学问题。在大学期间，温伯格就选定理论物理学作为自己的专业。1955年他进入普林斯顿大学，在特莱曼（S.Treiman）的指导下做博士论文，选题就是重正化理论在弱作用过程中强相互作用效应的应用，题名“强相互作用在衰变过程中的作用”。可见，重正化在他的工作中占有重要地位。
1957年—1959年，温伯格在哥伦比亚大学当博士后，以后又到伯克利加州大学工作。他的研究对象相当广泛：从量子场论到宇宙学中的中微子问题、流代数问题和量子色动力学。弱相互作用则是他工作的重点，多年来，他和其他人合作写过多篇很有影响的论文。
对于弱电统一理论，温伯格开始得比较晚，大约在1965年—1967年，他涉足手征对称性问题。他导出了π介子散射长度的一般结果，解决了计算形状因子的问题。他研究了强相互作用破坏SU（2）×U（2）对称性的含义。他认为SU（2）×U（2）对称性也许不仅是整体对称性，很可能是定域对称性。也就是说，强相互作用有可能用像杨-米尔斯理论之类的形式来描述。在此基础上他提出了
228 1979年诺贝尔物理学奖——弱电统一理论
一个模型，模型中起传播作用的是介子三重态。在研究中他发现了谐函数求和规则。然而，SU（2）×U（2）理论不是规范不变的，因此不能重正化。要使理论满足规范不变性，轴矢量介子应为重粒子，ρ介子是无质量的，π介子应该不存在。可是，这样似乎又与实验相矛盾。
1967年秋季的一天，温伯格在开车时偶然地闪现出一道思想火花。为什么不可以把强相互作用的数学工具用在弱相互作用和中间矢量玻色子的问题上。没有质量的粒子不是ρ介子，而应该是光子，随伴着它的不是轴矢量介子，而应该是有质量的中间玻色子。而中间玻色子是传递弱相互作用的。这样一来，弱相互作用和电磁相互作用就可以在规范对称性的思想下统一地描述。于是，温伯格就开始构筑弱电统一规范理论，并利用对称性自发破缺机制（黑格斯机制）解释了光子和中间玻色子的质量差异。
当温伯格向公众发表自己的新理论时，萨拉姆也提出了相同的理论。
萨拉姆1926年1月29日出生于原属印度的旁遮普邦农村的书香门第家庭，从小受严格的良好教育，他是个神童，6岁半就进了小学四年级，14岁以优异的成绩中学毕业，得奖学金上了旁遮普大学，1946年获数学硕士学位。同年进入英国剑桥大学，并从数学转修物理。他对狄拉克十分崇拜，打算做一名理论物理学家。同时他也注重实验，一度进入卡文迪什实验室学习和工作。不过最后还是回到理论方面。
1950年，萨拉姆发表了论文“三场重正化问题中的微分恒等式”，开始引起人们注意。他发展了重正化方法，并用之于介子场。1957年，萨拉姆独立地提出了中微子的二分量理论。1967年，萨拉姆独立于温伯格提出了中性流相互作用的概念，并由此建立了弱电统一理论。
萨拉姆1996年11月21日逝世于英国牛津的寓所里。
① 始末态粒子有相同的流称为中性流。
229
第三篇：1989年诺贝尔物理学奖——原子钟和离子捕集技术
1989年诺贝尔物理学奖——原子钟和离子捕集技术
1989年诺贝尔物理学奖——原子钟和离子捕集技术
1989年诺贝尔物理学奖的一半授予美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学的拉姆齐（Norman F.Ramscy，1915—），以表彰他发明了分离振荡场方法及用之于氢微波激射器及其它原子钟；另一半授予美国西雅图市华盛顿大学的德默尔特（Hans G.Dehmelt，1922—）与德国波恩大学的保罗（Wolfgang Paul，1913—1993），以表彰他们发展了离子捕集技术。
1989年三位诺贝尔物理学奖获得者都是在原子物理实验技术方面作出过杰出贡献的物理学家，他们创造性地发展了精确的计量方法，大大改进了实验的技术条件，使许多以前无法进行的实验得以实现，并达到前所未有的精确程度。由于他们的工作，科学界有可能对一些基本物理定律进行更深入的检验，从而提高了人类认识物质世界的能力。
拉姆齐在1950年提出分离振荡场方法，解决了原子钟设计里的关键问题，创制了铯原子钟。1960年又提出并建造了原子氢微波激射器。也就是氢原子钟，使计时的不确定度下降到1×10-12。保罗1951年设计了由六个磁极构成的聚焦磁场，可以使中性分子聚集，对分子束研究极为有用。后来他又设计了一种射频四极电场，能够把带电粒子囚禁在电场中，这一电场就相当于一个捕捉粒子的陷阱。这项工作成为以后带电粒子存储技术的先驱。德默尔特1958年就开始研究用电磁场形成的陷阱把电子或其它带电粒子存储在隔绝状态的实验方法。他和合作者不断改进实验原理和实验装置，历经二、三十年，终于在80年代取得了重大成果。他设计的离子陷阱实验装置，可以把单个自由电子长期地（几天或几周，甚至更长）存储在所谓的彭宁（Penning）陷阱里，让它作受迫运动，并不断从电子的运动提取有关电子特性的各种讯息。他的小组测到的电子g因子，比别的方法精确得多，达到了十三位数字，是基本物理常数中最精确的一个。
值得一指的是，这三位杰出的物理学家，他们的工作都与原子束方法有渊源关系，都曾长期在这个领域作过许多工作，有所发现和发明。德默尔特早在1949年就因受到核磁共振发现的激励，发现了核四极共振（简称NQR）。拉姆齐在导师拉比（I.I.Rabi）的指导下，1940年第一个对分子的旋转磁矩进行过精确测量，并首次观测到这类磁矩随核的质量变化的关系。这时他还不过是正在做博士论文的研究生，显示出了惊人的才干。后来他受聘留在哥伦比亚大学任教，并从事研究原子束共振。1947年转哈佛大学，在那里他发明了铯原子钟。
说起铯原子钟的发明，这里有一段引人深思的轶事。
早在1940年，拉比就预料到铯133的超精细结构有可能作为频率测量的基准。拉姆齐记得当时在拉比小组中就讨论过这个问题。他们打算用这一跃迁测引力红移①条件尚未成熟，这一建议只好束之高阁。第二次世界大战中由于雷达的广泛应用，微波电子学有了长足发展，用感应法和吸收法相继发现了核磁共振，人们认识到，263 1989年诺贝尔物理学奖——原子钟和离子捕集技术
用原子钟来计时的日程已经不远了。
原子束实验装置素以结构复杂，设备庞大著称，因为它既需加热，又需抽高真空，还要有强大的射频场和特殊要求的磁场，使分子束或原子束发射、聚焦、选态、激发和检测。怎样才能简化这些设备呢？这是使物理学家大伤脑筋的问题。特别是为了减小谱线宽度，还必须采取某些特殊的措施，这使事情更复杂化。根据理论分析，得知谱线宽度与振荡场区的长度成反比。这个振荡场区要求保持均匀的微波场和磁场。振荡场区的长度越长，谱线宽度就越窄，频率测量的精度就越高。但是，实践的结果并不尽如人意。振荡场区加长，又会遇到新的问题，射程长了，原子束的强度大减，而且难以保证磁场均匀，所以加大长度，谱线反而增宽。
拉姆齐和大家一样，也在为这个问题作各种探讨。他当时正在哈佛大学上物理光学课，正当他百思不得其解之际，迈克耳孙的测星干涉仪的设计思想启发他找到了一条绝妙的办法。迈克耳孙的测星干涉仪是20世纪20年代初颇引人注目的一项工作，他在加州威耳逊山天文台的 100英寸（2.54 m）天文望远镜上加了两道反射镜，形成两翼，相距6m，利用两翼的光束互相干涉，用以测星体的角直径，结果把望远镜的角分辨率加大了几十倍，从而第一次测出了星体的角直径，解决了过去用望远镜一直无法解决的问题。相距6m的反射镜相当于把望远镜的口径加大为6m，实际上即使做成这样庞大的望远镜，也可能无法保证干涉条纹的清晰度。后来，迈克耳孙的设计方案被人们写进了教科书，拉姆齐在教光学课时当然会碰到这个问题。
拉姆齐想，可不可以也用类似的办法来改造原子束的振荡场呢？经过推算，证明在振荡场两端用两条狭窄的振荡区即可代替整个振荡场，只要两端的驱动微波同位相，整个场的不均匀性就不会影响共振曲线的宽度，反而可以使宽度窄40%。
这一设计思想立即使铯原子钟的制造获得了成功的希望。1952年第一台应用分离振荡场方法的铯原子钟在美国国家标准局问世，频率宽度比原来的方法小了10倍。接着，英国的国家物理实验所也于1955年得到了精确的结果，三年后他们发表的结果是：铯133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射频率为 9192.631770MHz。这一频率后来在1967年被第13届国际计量大会正式被用来定义时间的基准。
如果说铯原子钟为科学的发展提供了精确的计量标准，那么离子陷阱实验方法就为探索微观粒子的特性开辟了一条新途径。
所谓离子陷阱是一个专用名词。它的主体是三个电极组成的电场区（图89-1），中间是一双曲旋转面电极（称环电极），上下各有一罩电极，也呈双曲旋转面形。在环电极与罩电极间加 10V左右的直流电压，中间形成四极电场区。再在沿轴线方向加一均匀磁场，于是就形成一个可以囚禁电子的陷阱。再在下电极加一射频驱动电压，使电子作受迫轴向振荡。电子在磁场中还要作回旋加速器运动和磁控管运动，这些运动的频率可以经上电极的谐振电路检测（图89-2）。
264 1989年诺贝尔物理学奖——原子钟和离子捕集技术
电子被隔绝在电极和磁体所控制的陷阱里，都安置于地球上，与地球构成一个整体，就好像电子是被地球束缚住了似的，于是德默尔特最初给它起了一个代号叫地球素（geonium），实际上就是地球原子的意思。陷阱的尺寸极其精巧，环电极的最小直径仅为0.325 cm，整套装置封在真空度达到10-12Pa的真空管内，插入超导线圈，并一起浸于液氦之中。超导线圈产生的磁场强达5T，环境温度大约4K。在这样低的温度下，电子的状态只能用量子化的能级来描述。可以说，它是在最低的几个能级上跃迁，同时不断地改变自旋取向，能级跃迁和自旋反转都可经轴向感生电压的频率变化反映出来。
经过复杂的检测，可以从自旋运动的频率ν与回旋加速器频率νC之比求出电子的g因子，1984年，德梅尔特小组测量的结果是：
g因子是表征电子或其它微观粒子特性的重要参数，把这个参数测量得如此之精确，对认识物质世界规律有十分重要的意义。
首先，可以通过量子电动力学计算精细结构常数α，根据1984年的测量结果，德默尔特小组计算得
α-1＝137.035 994 2（5）（89）其中第一项误差来自实验，第二项误差来自理论计算，他们得到的α值比别的方法精确好几倍。
其次，如果把从g因子计算出的α值跟其它方法得到的α值比较，就可以对量子电动力学理论进行检验。这个比较一直在进行，可以说，不同途径得到的α值高度符合，证明了量子电动力学的正确性。
还有，比较不同的微观粒子的g因子，可以检验某些重要的物理规律。例如，1987年德默尔特小组测量出正电子的g因子为：
用同一方法测得负电子g因子为：
两者相比，得：
265 1989年诺贝尔物理学奖——原子钟和离子捕集技术
这不能说不是对CPT定理最严格的一次检验！
离子陷阱实验方法还可用于质子和重离子。经过补偿的彭宁陷阱可以当作高分辨率的质谱仪测量电子和质子的质量比，其精确度超过以往的任何方法，1986年德默尔特小组的成员戴克（R.S.Van Dyck）等人测得：mp/me＝1836.152 701（37），不确定度仅为2×10-8。
用陷阱的方法研究微观粒子的特性具有重大的科学价值，多少年来，人们研究电子及其它粒子，对它们有了许多了解，但是过去做的许多实验，都无法排除电子之间和电子与外界之间的相互作用，因此人们对电子的知识都是统计性的。地球素实验第一次突破这一局限，可以把电子和其它粒子单个存储在特定的区域里，长期与外界隔绝，这就为人们进一步探索微观粒子的基本性质提供了崭新的手段。作为这一方法的创始人和推动上述研究的带头人，德默尔特的贡献值得倍加推崇。
拉姆齐1915年8月27日出生于美国华盛顿特区，母亲是德国移民，曾是大学数学教师，父亲是西点军校毕业生，当过美军军官。由于父亲工作没有固定地点，他小时常随家周游世界，学习不按常规，基本上靠自学，居然在15岁上以优异成绩从高中毕业。
拉姆齐早年对科学的兴趣是由阅读一篇关于原子的量子理论而激发的。当时他并不认为物理可作为自己的职业。父母曾指望他步父亲的后尘去西点学军事，可是当时他还太小，于是就申请了一项奖学金到堪萨斯大学哥伦比亚学院上学，专业是数学。由于他每年都获得竞赛优胜奖，在高年级时竟得到了只有研究生才能从事的教学助理的荣誉。1935年拉姆齐从哥伦比亚大学毕业。由于兴趣转向，逐攻读物理。
接着。拉姆齐又得奖学金到英国剑桥大学卡文迪什实验室学习。这里群英汇集，他第一次接触到分子束方法，后来又回到哥伦比亚大学跟随拉比做博士论文，正好拉比发明了分子束磁共振方法，使他认识到这是一种很有潜力的新途径。幸运地，就在当研究生期间，他和库什（Kusch）等人，共享了发现氘核四极矩的荣誉。
第二次世界大战期间，拉姆齐领导了3cm波长雷达的试制小组，还到华盛顿当军事主管部门的雷达顾问，并于1943年参加过曼哈顿计划。
战争结束后，拉姆齐回到哥伦比亚大学当了教授，在拉比的领导下恢复分子束实验室，并带领研究生测量一系列的核磁数据，还积极筹备布鲁克海文国家实验室，1946年拉姆齐成了该实验室的物理部第一届主任。
1947年拉姆齐转到哈佛大学，在那里一直工作了40年，建立分子束实验室，以便精确地进行磁共振实验。当时遇到的主要困难是没有足够均匀的磁场。这促使他发明了分离振荡场方法。分离振荡场方法不但为铯原子钟的建立奠定了基础，还使他们有可能测量许多不同分子的分子特性和磁特性，其中包括核自旋、核磁矩和电四极矩，分子旋转磁矩、自旋-旋转相互作用、分子中电子的分布等等。
进入90年代，拉姆齐还在进行分子束和中子束研究。他主持建设哈佛回旋
266 1989年诺贝尔物理学奖——原子钟和离子捕集技术
加速器实验室，并用这台加速器进行质子-质子散射研究。
拉姆齐虽然基本上是一位实验物理学家，但他对理论也十分喜爱，曾经建立核磁共振化学位移理论、分子核的相互作用的理论和负绝对温度下的热力学和统计物理学的理论。
拉姆齐已于1986年从哈佛大学退休，但他现在仍活跃在物理学界，与各大学及中心实验室建立有广泛的联系。
德默尔特1922年9月9日出生于德国的哥利兹（Gorlitz），父亲曾在柏林大学学习过法律。第一次世界大战中当过炮兵军官。1940年，德默尔特中学毕业后，应召入伍。1943年在柏林郊区当过高射炮兵。1943年-1944年出于军事需要，被送往布雷斯劳（Breslau）工业大学学习物理，后来又回到部队参加迫击炮团。1945年初被美军俘虏，次年释放后进格丁根大学学习。1948年及1950年分别获学士学位和博士学位。1950年-1952年在格丁根大学当博士后。1955年到美国，1956年成为西雅图华盛顿大学的助理教授，1961年升正教授，1978年被选为美国科学院院士。
保罗1913年8月10日出生于德国萨克森州洛仑兹基希（Lorenzkirch）的一个农村里，父亲曾是慕尼黑大学药物化学教授，所以保罗小时候在慕尼黑受过良好教育，并很熟悉化学实验室里科学家是如何工作的。可惜其父在他15岁时就去世了。他厌烦中学偏重拉丁文和古希腊文的教学方式，决心成为物理学家。他接受他父亲好友索末菲的建议，先当了精密机械工艺的学徒。1932年秋，进入慕尼黑工业大学学习。他听到名师讲物理课，丰富的表演实验激起了他对物理学的兴趣。两年后保罗转到柏林工业大学学习，在那里很幸运地遇到了一位物理教授，对他像慈父一般地关怀，这位教授正工作于超精细光谱学和磁矩领域。保罗和他一起工作了16年，另外还有一位理论物理学家贝克尔（Becker），对他也有深刻影响，不仅在科学方面，甚至于他的思想，包括待人接物和政治态度。
1937年保罗转到基尔（Kiel）大学读博士学位。论文题目选的是从超精细光谱测定钡的核矩。他利用原子光源以减小多普勒效应。正当要做实验时，却被应征入伍，不久就爆发了世界大战。所幸后来请到了假，完成了博士考试。1940年，保罗脱离军队，回到导师身边继续做科学研究，从事的是质谱学和同位素分离。后来还与医学系的同事合作，做放射生物学和电子癌症治疗工作。
① 测量引力红移，可以验证广义相对论，从广义相对论可以得出，在强引力场中时钟要走得慢些，因此从巨大质量的星体表面发射到地球上的光的谱线，会向光谱的红端移动，这就是所谓的谱线引力量移效应。
267
第四篇：2014诺贝尔物理学奖希格斯的获奖感言
希格斯现年84岁，在英国爱丁堡大学担任名誉教授。
在这所大学发布的声明中，希格斯说：“接受这个奖项令我不知所措，感谢瑞典科学院……我要祝贺所有为发现这种粒子作出贡献的人，感谢我的家人、朋友和同事对我的支持。”
希格斯还说：“我希望，这种对基础科研的认可会有助于提升对这种‘没用’研究价值的认知度。”
对于“希格斯玻色子”的名字，据说希格斯本人表达谦逊，自认不配。但因坚称自己是无神论者，更反对“上帝粒子”的叫法。
第五篇：对诺贝尔物理学奖获得者的统计与分析
对诺贝尔物理学奖获得者的统计与分析
物理是一门神奇的学科，在努力学好规定课程外，还应该多了解一些课外知识，随着2012年诺贝尔奖揭晓仪式将于10月8日起陆续举行，物理学奖于2012年10月9日揭晓。我们对历届诺贝尔物理学将获得者是否有一些共性产生了兴趣，为此组成了课题组对历届诺贝尔物理学奖获得者进行了统计与分析。
诺贝尔物理学奖是根据诺贝尔遗嘱而设立的五个基本奖项之一，旨在奖励那些在物理学领域里做出突出贡献的科学家。自1901年首届诺贝尔物理学奖颁发至2012年112年间，除了1916 年因第一次世界大战，1931年和1934 年因世界经济大萧条，以及1940～1942年因第二次世界大战未颁发外，一共授奖106次，共有192人次，191人获得此项殊荣。其中美国科学家巴丁是唯一一位两次荣获诺贝尔物理学奖的物理学家。他分别在1956年因发明晶体管及对晶体管效应的研究以及时隔16年后与库伯、施里弗创立BCS超导微观理论而两次获此殊荣。获奖者中有2名女科学奖。她们是法国的居里夫人1903年因发现自发放射性和在放射学方面的深入研究和杰出贡献而获奖，以及美国的迈耶夫人1963年因对原子核和基本粒子理论所做的贡献，特别是对称性基本原理的发现和应用获得该奖，其余186人皆为男性。对女性科学家的关注不够是造成这种现象的重要原因。而居里夫妇也是这112年中唯一一对获得该奖的夫妻，更令世人对他们的甜蜜爱情和同登科学高峰的研究精神羡慕钦佩。在这112年中，最年轻的物理学奖得主是1915年获此殊荣的英国物理学家劳伦斯·布拉格，时年25岁；最年长的物理学奖得主是2002年获得该奖的美国物理学家雷蒙德·戴维斯，他得奖时已是85岁高龄。112年中曾出现过布拉格父子、汤姆孙父子、玻尔父子和西格班父子等四对父子获得诺贝尔物理学奖，他们父子情深、追求卓越、同攀科学高峰的精神彪炳史册，为世人学习和铭记。
一、诺贝尔获奖者所处的环境
影响诺贝尔物理学奖获得者的环境因素很多，经过查阅资料发现诺贝尔物理学奖获得者所处的环境的几个共同点是：开放的国家环境、稳定的社会环境、激发创造活力的教育环境与和谐的人际关系。以马克斯·玻恩为例（1954年获奖），在获奖前,他的主要经历是1907年哥廷根大学获得博士，1908年剑桥大学学习物理知识，1909年至1915年先后在哥廷根大学，及印度科学院学习和工作。后来在爱丁堡大学工作17年。许多获奖物理学家都有相似的经历,而这样的经历又只有在开放的国家环境中才能实现。稳定的社会环境是科学家潜心 研究的必要条件战争和**是对科学研究的最大干扰,对科学家的身心也是极大的磨损和消 耗。以德国为例，1933年希特勒上台后，德国在22年里无一人获奖，其中奥托·斯特恩、马克斯·玻恩、贝蒂、加波等四位科学家是在希特勒执政时离开德国分别在美英继续研究。可见一个稳定的社会环境对科学研究时多么的重要。富有创造活力的教育环境是科学幼苗 成长为科学巨匠的适宜土壤。因发现泡利不相容原理而于1945年获诺贝尔物理学奖的泡利其成长经历就是一例，证上中学时18岁的泡利就写了一篇关于相对论的论文讨论了引力场动量一能量张量的能量分量，他把论文带到了慕尼黑经过著名物理学家索末菲的推荐发表在 德国期刊上，此后他继续研究了广义相对论问题发表的论文引起了同行们的注意。随后又和数学家克莱因合作编写《数理科学全书》第五卷，不久泡利就写出了一篇250页左右的综述文章。克莱因看完文章后，把著作权给了泡利。这篇稿子成了全面论述爱因斯坦的数学思想和物理观念的最早论著之一,而且至今仍是有关相对论的重要经典。
192位获奖者不仅在物理学研究领域有很高的造诣而且大多表现出了高尚的人格魅力和处理人际关系的艺术，师生关系和谐、合作伙伴关系和谐、家庭，和谐是科学家研究取得突破的重要基础。例如居里夫妇，劳伦斯·布拉格父子等等。
二、诺贝尔获奖者的年龄
其中获得诺贝尔物理学奖时最年轻的当数英国的劳伦斯·布拉格，年仅25岁就获得这项殊荣，而最年长的获奖者是2002年得奖的美国科学家雷蒙德·戴维斯，他以88岁高龄登上诺贝尔奖的领奖台，距他发表成果足足40年之久，不禁让人唏嘘不已。他在获奖四年之后，便与世长辞。经过查找资料获得，获奖者得奖的平均年龄在53岁，而获奖者作出代表性贡献的平均年龄却在36岁相差了17年，说明这些新的物理学成果，都必须经过试验或实践检验，才能得到物理学界的公认，从而体现出它的价值。然而延迟年限有长有短，幸运的物理学家发表成果一年之后即可获此殊荣，英国的赖尔、中国的李政道和杨振宁等几位科学家就是这幸运的人。当然，也有几十年后才获得世界公认的科学家。2003年获奖的美国科学家维塔利·金兹堡为此竟苦苦等待了53年之久，长时间的滞后，也导致有些杰出的物理学家，无法在有生之年等到这姗姗来迟的物理最高荣誉，遗憾地离开人世。所有的获奖科学家都经历的漫长的等待，才获得物理最高荣誉。不难看出获得诺贝尔物理学奖的科学家他们有着很多相似的地方，如果说他们有什么共性，那么他们的共性就是所处的环境相同，从做出成果到被认可都经历的很长时间。刻苦研究也是不可少的。创新−求是−献身的科研精神也是192位获奖者所具有的共性。最后我们殷切希望，在诺贝尔物理学奖的名单中，会有越来越多的不同国家、地区的科学家，也会有更多的中国物理学家的光辉印迹。
点击咨询 