物理,被認(rèn)為是最基本的自然科學(xué),它試圖對(duì)物質(zhì)的行為進(jìn)行統(tǒng)一描述,盡可能覆蓋多種類型的現(xiàn)象。它與天文學(xué)研究密不可分;它的一些應(yīng)用接近經(jīng)典化學(xué)的范疇;而依照目前趨勢(shì),它還與微生物學(xué)的一些部分緊密相連。物理學(xué),正是這些獨(dú)立學(xué)科在處理各自領(lǐng)域問(wèn)題時(shí)的概念、工具,以及基礎(chǔ)。
在諾貝爾獎(jiǎng)已走過(guò)的一個(gè)世紀(jì)里,物理學(xué)經(jīng)歷著學(xué)科的革命與隨之而來(lái)的無(wú)數(shù)偉大思想的碰撞。尼爾斯?玻爾說(shuō):“與普通真理相對(duì)立的是錯(cuò)誤;與偉大思想相對(duì)立的,則是另一種偉大的思想?!蔽覀兪欠窨梢赃@樣講,正是因有這樣的發(fā)展與爭(zhēng)論、演繹與碰撞,物理學(xué)才得以日趨完善和縝密,從而成就了它在諾獎(jiǎng)百年中的榮光。
從經(jīng)典物理到量子物理
1901年,當(dāng)?shù)谝粚弥Z貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)時(shí),經(jīng)典物理學(xué)領(lǐng)域看上去正棲息在一個(gè)異常堅(jiān)實(shí)的平臺(tái)上——早在1687年,牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》就奠定了經(jīng)典力學(xué),到十九世紀(jì)末,它已發(fā)展到相當(dāng)完美的地步。
不過(guò),“在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處,還飄著兩朵小小的令人不安的烏云”(語(yǔ)自開(kāi)爾文1900年報(bào)告)。這是指當(dāng)時(shí)物理學(xué)還無(wú)法解釋的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:熱輻射實(shí)驗(yàn),以及邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)。正是這小小兩朵“烏云”,讓經(jīng)典物理學(xué)的局限性開(kāi)始暴露,同時(shí)醞釀出了物理學(xué)20世紀(jì)的革命風(fēng)暴。牛頓創(chuàng)立的經(jīng)典力學(xué)至此,已是順理成章的要發(fā)展到量子力學(xué)。
量子力學(xué)的創(chuàng)立者是1918年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的普朗克。而量子力學(xué)的集大成者,被認(rèn)為是1933年拿到諾獎(jiǎng)的狄拉克,1930年,他的《量子力學(xué)原理》完成了量子力學(xué)的普遍綜合。
但在經(jīng)典物理向量子物理過(guò)渡的時(shí)期,也引發(fā)了物理學(xué)界一場(chǎng)意義深遠(yuǎn)的辯論。在此段公案中,玻爾、玻恩、海森堡、泡利屬于一派,在他們對(duì)面站著的,則有愛(ài)因斯坦、薛定諤及德布羅意。這些大師,因其各自對(duì)量子物理的杰出貢獻(xiàn)而先后榮膺諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
1999年,20世紀(jì)的最后一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),頒給了荷蘭的胡夫特和韋爾特曼,同樣是以表彰他們?cè)诹孔訉W(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)——闡明了物理學(xué)中弱電相互作用的量子結(jié)構(gòu)。
微觀世界與宏觀世界
量子力學(xué)讓我們知道,微觀粒子具有波粒二象性,它們的運(yùn)動(dòng)不能用通常宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)描述。
在20世紀(jì)的上半葉,人們已認(rèn)識(shí)到,深入觀察微觀世界中的新粒子及其相互作用,是了解宏觀結(jié)構(gòu)的必要過(guò)程——包括我們所在的世界以及更大尺度上的宇宙。時(shí)至今日,粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)、宇宙學(xué)已被牢牢綁定在一起。
以原子為起點(diǎn),亞原子的微觀世界和人類已知的最小成分,也在過(guò)去的一百年里逐步的“滲透”到了諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的“作品”之中。
舉幾個(gè)例子。1921年物理學(xué)獎(jiǎng)得主是著名的愛(ài)因斯坦,得獎(jiǎng)理由是他對(duì)理論物理學(xué)的成就——特別是光電效應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn);
1935年英國(guó)的查德威克因發(fā)現(xiàn)中子而獲獎(jiǎng),中子自此“投身”到物理學(xué)科研工作中;在此基礎(chǔ)上,費(fèi)米證明了可由中子輻照而產(chǎn)生的新放射性元素的存在,并發(fā)現(xiàn)慢中子引發(fā)的核反應(yīng),榮膺1938年物理學(xué)獎(jiǎng);
1939年,美國(guó)的勞倫斯因?qū)匦铀倨鞯陌l(fā)明和發(fā)展,以及有關(guān)人工放射性元素的研究成果獲獎(jiǎng);正是這種機(jī)器的問(wèn)世,1951年,考克饒夫以及沃吞憑借在用人工加速原子產(chǎn)生原子核嬗變方面的開(kāi)創(chuàng)性工作捧得當(dāng)年的獎(jiǎng)杯……
類似的發(fā)現(xiàn)與傳承,在20世紀(jì)50年代更多的新粒子被發(fā)現(xiàn)后,簡(jiǎn)直不勝枚舉。接近世紀(jì)之末,美國(guó)的佩爾與萊因斯1995年獲獎(jiǎng),二人分別發(fā)現(xiàn)了τ輕子以及中微子,對(duì)輕子物理學(xué)進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)研究。
物理理論與實(shí)用技術(shù)
理論與基礎(chǔ)研究當(dāng)然會(huì)對(duì)技術(shù)設(shè)備產(chǎn)生重要影響,但其中有一些,卻是劃時(shí)代的。
一個(gè)顯眼的例子發(fā)生在1965年。三位美國(guó)科學(xué)家——肖克利、巴丁及布喇頓因?qū)Π雽?dǎo)體的研究和發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)獲得諾獎(jiǎng),正是他們的發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致電子晶體管的革命。
1964年,巴索夫、湯斯和普羅霍羅夫同獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),理由是在量子電子學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究做出突出貢獻(xiàn),他們的理論成果導(dǎo)致了基于激微波—激光原理建造的振蕩器和放大器。
還有前文提到的粒子加速器的問(wèn)世,除作物理學(xué)研究之用,現(xiàn)也是材料科學(xué)和醫(yī)學(xué)的重要工具。
此外,有不少受諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)青睞的“作品”,都在當(dāng)時(shí)那個(gè)年代表現(xiàn)出了相當(dāng)直接的技術(shù)應(yīng)用實(shí)力。
早期的例子如1912年瑞典的達(dá)倫,因發(fā)明用于控制燈塔和浮標(biāo)中氣體蓄積器的自動(dòng)調(diào)節(jié)閥而獲獎(jiǎng);1953年獲獎(jiǎng)的荷蘭的塞爾尼克,其對(duì)相襯法的證實(shí)導(dǎo)致發(fā)明了相襯顯微鏡;1986年,魯斯卡憑借第一臺(tái)電子顯微鏡獲獎(jiǎng),同年和他分享這一獎(jiǎng)項(xiàng)的,還有賓寧與羅雷爾。
這些實(shí)用技術(shù)類的發(fā)明,意義之深遠(yuǎn)并不亞于理論上的突破。要知道,核物理和粒子物理領(lǐng)域的研究進(jìn)展,就一直強(qiáng)烈地依賴于先進(jìn)的技術(shù)——有時(shí)甚至成為其背后的驅(qū)動(dòng)力。
近年來(lái),有些技術(shù)類發(fā)明,業(yè)已被證明是當(dāng)代重要的通信和信息設(shè)備:新世紀(jì)的第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的得主之一基爾比,他的發(fā)明就為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。在1958年,基爾比制作了第一塊集成電路——后來(lái)被稱為“芯片”,徹底地開(kāi)辟了電子電路小型化和大批量生產(chǎn)的道路。正是他與這一獎(jiǎng)項(xiàng)的另兩位得主阿爾費(fèi)羅夫和克勒默,共同創(chuàng)造了一場(chǎng)人們耳熟能詳?shù)摹癐T革命”。
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