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诺贝尔物理奖12个里程碑:激光是关键

导读: 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。

  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,我们摘录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,我们惊奇的发现,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。

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