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2012-10-16 14:06 上傳
插圖 約翰•亨德里克斯(John Hendrix)
導語：
自物理學的「黃金時代」以來，進行科學研究的方法日新月異，但是許多問題依舊待解
整理 約翰•馬特森(John Matson) 費里斯•賈布爾(Ferris Jabr)
翻譯 王棟
精彩速覽
在德國林道市舉行的一年一度的聚會上，才華橫溢的青年科學家和多位諾貝爾獎得主共聚一堂，相互交流、探討，今年的會議主題是物理學。
為了慶祝林道會議的舉行，我們摘錄12位諾貝爾物理學獎得主曾為《科學美國人》撰寫的12篇文章，幾乎每篇文章都報導了一個重大成就。
這些文章中，有些詳細介紹了讓作者獲得諾貝爾獎的發現；有些對物理學的未來作出了預測；還有一些專注於那些永恆的疑問：宇宙是由什麼構成的？我們在宇宙中是孤單的嗎？雖然，這裏一些文章是在數十年前發表的，但令人吃驚的是，它們仍與當前正在進行的現代物理學前沿研究緊密相連。
每年夏天，諾貝爾獎得主都要在德國林道市匯聚一堂，同來自世界各地的新生代科學家交流討論、相互學習。今年是第62屆會議，以物理學為主題。為了慶祝這一盛會，我們摘錄了一些諾貝爾獎得主在《科學美國人》上發表的經典文章，主題涵蓋了從宇宙學、粒子物理學到新技術應用的各個方面。
在整理下面的這些經典文章時，我們驚奇的發現，困擾物理學家們幾十年的很多問題依舊推動著今天的科學研究。誠然，與愛因斯坦(Albert Einstein)、狄拉克(P. A. M. Dirac)和費米(Enrico Fermi)這些大師所處的時代相比，物理學研究領域已經今非昔比了。物理學家獲得過一些巨大進展(如粒子物理標準模型的建立與修正)，也經歷過出人意料的轉變(如對「暗能量」的研究)。但追根溯源，當前許多研究所關注的，仍是那些在過去一個世紀里推動著物理學發展的問題：為什麼物質遠遠多於反物質？被普遍認為是亞原子粒子質量之源的希格斯玻色子真的存在嗎？「幽靈般的超距相互作用」與我們這個世界現有的運行機制有何不同？
物質隨處可見，你的手，你手中的這本雜誌，甚至介於你的臉和這頁紙之間的空氣都是由物質構成的。而另一方面，反物質卻極其罕見(對我們人類來說，這是件好事情，因為正反物質一旦接觸就會湮滅)。但在宇宙誕生初期，正反物質的量應該是相等的，只是由於某種未知原因，物質最終勝出，銀河系、太陽系才得以形成，人類才能出現。物理學家一直都想知道是什麼打破了這一平衡。
1956年，埃米利奧•塞格雷(Emilio Segrｅ)和克萊德•E•威甘德(Clyde E. Wiegand)在《科學美國人》雜誌上撰文，詳細地介紹了他們發現反質子的研究。反質子是人們熟知的、存在於每個原子核內部的質子的反粒子。在那篇文章發表的一年前，塞格雷和威甘德的研究組剛剛在美國加利福尼亞大學伯克利分校的高能質子同步穩相加速器(現已拆除)上發現了這個短壽命的反粒子。由於這項發現，塞格雷和同事歐文•張伯倫(Owen Chamberlain)分享了1959年的諾貝爾物理學獎。他們的發現是自1932年卡爾•D•安德森(Carl D. Anderson)發現反電子(即正電子)以來，又一個反物質存在的証據。1930年，狄拉克(Dirac)在對電子的理論描述中，就預言了反電子的存在。
從那時起，追隨著狄拉克、安德森、張伯倫和賽格雷的足跡，物理學家邁出了合理的一步：將基本的反物質原子拼合起來，看它們與由普通原子構成的物質在一些關鍵特性上有什麼不同。在瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心(CERN)，研究人員用反質子和正電子組成反氫原子。去年，一個研究組成功地讓一個反原子在湮滅前存在了數分鐘，這個時間長度，足以讓科學家對反原子進行測量和研究了。如果能發現引力或輻射會對反物質造成的特殊影響，或許就能提供一些線索，解釋現有物質為何豐富得多。
在物理學的另一個研究領域，馬蒂納斯•J•G•魏特曼(Martinus J. G. Veltman)於1986年，在《科學美國人》上發表了一篇關於「標準模型」里一個小問題的文章。除這個問題外，該模型在描述宇宙中基本粒子時，可以稱得上是一個極其完美的理論。魏特曼指出，標準模型里一個關鍵粒子還有待發現，那個粒子似乎在努力隱藏自己而不被人們找到。沒有它，其他粒子的質量來源將難以解釋。
或許你已知道，它就是傳說中的希格斯玻色子。在文章中，魏特曼寄希望於當時還處於規劃中的超高能超導對撞機(Superconducting Super Collider，簡稱SSC，位於美國得克薩斯州)能夠發現這種「缺失」的粒子。然而在25年後的今天，物理學家仍在期待這一最重要玻色子的「首秀」(2012年7月4日，歐洲核子中心宣佈他們發現了一種符合希格斯粒子屬性的新粒子。也許，希格斯粒子在眾位物理學家的期盼下終於現身了)。超高能超導對撞機最終未能建成，尋找希格斯玻色子的任務，轉移到了歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(Large Hadron Collider，LHC)上。從2009年開始運行起，歐洲核子研究中心已經將大型強子對撞機的對撞能量逐步提高，期待能於今年年底前收集到足夠的數據，並最終宣佈標準模型里的希格斯粒子是否存在。
甚至在標準模型完整建立前，物理學家就開始對該模型所描述的粒子行為提出異議了。1935年，愛因斯坦和兩位同事發表了一篇文章指出，當時剛剛建立的量子力學理論會推導出一種很難理解的、被稱為非定域性的現象。物理學家解釋道，當觀察者在一個地方測量一個粒子時，就會即時影響到其他地方的另一個粒子，無論它們兩者相距多遠。這一效應看起來很荒謬。愛因斯坦及同事認為，非定域性是一個「麻煩」，將對量子力學的可靠性提出挑戰。
實驗物理學家花費了數十年時間，來証明粒子之間確實可以通過一種被稱為「量子糾纏」的現象保持非定域聯繫。現在，物理學家能夠很熟練的製備出一對糾纏光子，它們之間共享一種狀態，例如偏振方向。獨立的原子，以及大尺度物體(例如人造鑽石晶片)也已經製備出了糾纏態。糾纏並不僅僅是量子力學里的一個小把戲，或許有一天，它將使通信和計算能力大大超過當今電子設備所能達到的狀態。
在這些研究里，關鍵是激光。它是一種量子光源，激光中受控的光子可以自我糾纏，或用來製備其他粒子的糾纏態。在1961年發表在《科學美國人》上的一篇文章里，亞瑟•L•肖洛(Arthur L. Schawlow)向我們展示了激光的美好前景。當時，激光器剛剛問世一年，被稱為光量子放大器。由於發明激光，肖洛獲得了1981年的諾貝爾物理學獎。他的後繼者──那些操控激光來研究量子糾纏的光學物理學家們，常常被認為是近期諾貝爾獎得主的熱門人選。
未來將獲得諾貝爾獎的新一代物理學家(今年的林道大會中或許就有他們的身影)會將物理學帶往何方？如果參照過去的歷史，那麼未來一些輝煌成就的線索，或許就隱藏在過去數十年里那些諾貝爾獎得主的工作(以及他們在《科學美國人》上發表過的文章)之中。
諾貝爾物理獎12個裡程碑：解密超新星爆發(2)
一、天體物理
宇宙射線里的秘密信息
撰文 亞瑟•H•康普頓(Arthur H.Compton)
1927年諾貝爾物理學家獎得主，本文刊登於1933年7月《科學美國人》
宇宙射線的研究常常被描述成「現代物理學中的另類，因為其中包括微妙的現象、細緻的觀測、觀測學家們探險似的旅行、精巧的分析以及宏偉壯觀的結論」。我們相信，宇宙射線能帶給我們一些重要信息：或許可以告訴我們這個世界是如何演化的，或者那些原子核最深處結構的秘密。目前，我們正在努力解碼這些信息。
大約5年前，兩位德國物理學家博特(Bothe)和科爾霍斯特(Kolhörster)使用計數管進行了一項實驗，讓我們確信宇宙射線其實是由帶電粒子構成的。然而，如果這一結論是正確的話，就意味著在地球上的不同地點，宇宙線的強度應該有所不同。由於地球就像一個巨大的磁鐵，這個巨型磁鐵就會使射向地球的帶電粒子發生偏轉。這一效應應該在磁極處最弱，在赤道附近最強，那麼如果我們從赤道向兩極走，射線強度就應該不斷增大。科學家設計了6個不同的系列實驗來探測這一效應，然而並沒有得出明確的結論。
為此，在卡內基協會的資助下，我們芝加哥大學的一個研究團隊在過去18個月裡組織了9次探險，在地球上的不同地點測量宇宙射線──從海平面到6400多米高的安第斯山和喜馬拉雅山頂，均有研究人員前去測量。在美國阿拉斯加巨大的麥金利山側的冰川上，兩位出色的登山員卡培(Carpe)和科文(Koven)甚至獻出了自己的生命，換回了在如此接近極點的緯度上，迄今海拔最高的測量數據。
將這些探險所獲得的數據整合起來後，我們發現極地附近的宇宙射線強度比赤道附近高15%。此外，正如預計的那樣，由於地球磁場對入射帶電粒子的作用，宇宙射線強度還隨著緯度變化而變化。此外，在高海拔地區，地球磁場的效應要海平面上強數倍。
這些結果顯示，宇宙射線中至少有相當一部分是由帶電粒子構成的。然而，某些宇宙射線不會受到地球磁場的絲毫影響。而通過其他一些測量實驗，例如皮卡德(Piccard)和雷金納(Regener)的高空氣球實驗、博特和科爾霍斯特的計數測量實驗，我們得出了一個結論：在這些射線中，只有極少一部分是以光子的形式存在(就像普通的光那樣)，但相當數量的輻射可能是以輕原子或輕原子核構成。
特別值得一提的是，某些宇宙射線能量驚人。用電子伏作為能量單位的話，一個氫原子的燃燒能釋放大約兩電子伏的能量。鐳輻射出α粒子時，會釋放200萬電子伏的能量。然而，宇宙射線的能量高達百億電子伏。如此驚人的能量從何而來？在這個問題的答案里，或許隱藏著宇宙如何形成的秘密。
來源 香港新浪科技
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