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李鼎︱做实验,得诺奖!——记物理诺奖史上的实验“大神”及其实验成果(上)
本文分上下两篇,共15000余字,具有较高的史料价值和教学参考价值,建议各位读者点击收藏。
2026年的物理诺奖有点罕见:获奖者只有一位。10月6日,瑞典皇家科学院宣布,把本年度物理学奖全部授予美国威斯康星大学麦迪逊分校的弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen),表彰他对冰立方中微子天文台(IceCube)的决定性贡献,以及发现来自天体物理源的高能中微子。这是继1992年的夏帕克(Georges Charpak)之后,物理学奖34年来第一次由一人独得。
说它罕见,其实只是就最近这三十多年而言。1901年到2025年颁出的119次物理学奖里,有47次都只授予了一个人,只是1992年之后,两人或三人分享成了惯例。
但2026年的物理诺奖又很平常:获奖成果靠的依然是实验,而且是一个拓展了人类观测宇宙方式的伟大实验。这在百余年物理诺奖史上实属“基操”——假若没有实验,哪还有物理学科?今天,让我们请出物理诺奖史上的一位位实验“大神”,重温一下他们的“神级”实验成果。
一、实验“大神”的定义
一般来说,实验工作的贡献可能是验证某一理论预言,可能是发现新的物理现象、粒子或规律,也可能是开发出开创性的材料、实验方法和仪器设备。凭借这些贡献获得诺贝尔物理学奖的科学家,就是我们所说的“做实验,得诺奖”的大神。
二、物理诺奖的七个时代
沿着百余年来物理学发展的宏伟征程,我们可以把1901年至2026年颁出的120次诺贝尔物理学奖(1916、1931、1934年和1940至1942年未颁奖),共231人次的获奖者分成7个时代。其中John Bardeen在1956年和1972年两度获奖,所以实际获奖人数是230位。
根据这7个时代的主要研究方向,可以梳理出一条包含“实验大神、开创性实验与诺奖成果”的历史脉络。下文按年份择要介绍,并未囊括每一届得主;同一年度如有理论家分享奖项,也会顺带提及。
0. 总览
百余年来,尽管实验之于物理学研究的意义始终未变,但实验在具体研究中的侧重点一直在变:从最初发现未知的射线和粒子,到后来验证理论预言,直至打开观测宇宙的新窗口。前辈们的成果累积起巨大的技术和工程动能,让后辈的实验能力和实验规模随之水涨船高,今天高精尖物理实验的门槛早已高过了“三、四层楼”。取得的成果,也是诺奖初期的大神们难以企及的。
1. 1901–1920,发现新世界的第一代“实验大神”
物理诺奖刚刚起步,一批在19世纪末、20世纪初做出重大发现的物理学家先后戴上桂冠。他们是拓荒者,通过实验直接为人类打开了一个全新的世界。
●1901年首届获奖者:Wilhelm Conrad Röntgen。获奖成果:发现X射线(1895年)。作为第一位诺贝尔物理学奖得主,伦琴建立了一个范式:我做实验→发现一个以前没人知道的自然现象→诺奖。
●1902年获奖者:Hendrik Lorentz 、Pieter Zeeman。获奖成果:研究磁场对辐射现象的影响。1896年,Zeeman发现磁场会使原子光谱线展宽、分裂并出现偏振,这就是后来著名的Zeeman Effect(塞曼效应)。Lorentz用他的电子理论解释了这一现象,并预言了谱线的偏振特征,随即得到Zeeman的实验证实。后来的量子理论进一步揭示了塞曼效应背后的原子能级和角动量量子化。两人建立了另一个经典的诺奖范式:实验发现→理论解释→诺奖。
●1903年获奖者:Henri Becquerel 、Pierre Curie、Marie Curie。获奖成果:发现放射性并研究放射现象。Becquerel在1896年发现了铀的自发放射性;居里夫妇随后对这一现象展开系统研究,并在1898年发现了钋和镭。这是现代核物理在实验上的起点之一。居里夫人由此成为第一位获得诺贝尔奖的女性,1911年她又凭借发现钋和镭,并且分离出镭,独得诺贝尔化学奖。
●1904年获奖者:Lord Rayleigh。获奖成果:官方颁奖理由是“对最重要的几种气体密度的研究,以及在这些研究中发现氩”。他在精密测量中发现,从空气中提取的氮气比从化合物中制得的氮气稍重一点,这个细微的差异指向了一种未知气体。1894年,他与化学家William Ramsay合作,确认并分离出了氩。1904年,Ramsay也因发现空气中的惰性气体元素并确定它们在元素周期表中的位置,获得了同年的诺贝尔化学奖。两人的获奖与伦琴相似,属于早期非常典型的“精密测量→发现新物质→诺奖”。
●1905年获奖者:Philipp Lenard。获奖成果:阴极射线研究。1890年代,他在放电管上开了一扇极薄的铝箔“窗口”,把阴极射线引到管外研究,发现它能穿透薄金属片、在空气中传播一段距离,为认清阴极射线的本质铺了路。至于阴极射线究竟由什么组成,答案要等1906年获诺奖的Thomson来揭晓。
●1906年获奖者:J. J. Thomson。获奖成果:官方理由是“对气体导电的理论和实验研究”。话说1897年,Thomson通过气体放电和阴极射线实验,证明阴极射线由带负电的微粒组成,并测定了这种微粒的荷质比,确立了电子作为一种普遍存在于物质中的基本粒子的地位。
●1907年获奖者:Albert A. Michelson。获奖成果:官方理由是“他的光学精密仪器,以及借助这些仪器开展的光谱学和计量学研究”。他是第一位获得诺贝尔科学类奖项的美国人,也是一位非常典型的“实验大神”。他与Morley在1887年完成的Michelson–Morley实验,没有测到预想中的“以太风”,后来成为相对论发展史上的经典实验之一。不过,颁奖理由里既没有提这个实验,也没有提他著名的光速测量。
●1913年获奖者:Heike Kamerlingh Onnes。获奖成果:对低温下物质性质的研究,其中包括制得液氦。他在1908年首次把氦气液化,1911年又发现汞在约4.2 K时电阻突然消失,这就是超导现象。此后一百多年的超导研究,都可以追溯到他的实验室。
●1914年获奖者:Max von Laue。获奖成果:发现晶体对X射线的衍射。1912年,Friedrich和Knipping按照他的设想,用晶体拍出了X射线衍射图样,一举证明X射线是一种波,也证明了晶体内部的原子是周期性排列的。
●1915年获奖者:William Henry Bragg 、William Lawrence Bragg。获奖成果:用X射线分析晶体结构。这对父子开创了X射线晶体学,后来DNA双螺旋结构的解析也得益于这一方法。小布拉格获奖时年仅25岁,至今仍是最年轻的物理学奖得主。
2. 1921–1940,打开量子世界的第二代“实验大神”
这是物理实验史,乃至整个物理学史上最精彩的时期之一。本阶段头两届物理诺奖得主其实名头更响:一位是Albert Einstein(1921年度,奖项于1922年补发),另一位是Niels Bohr(1922年度)。按照学科地位,称两人为“超神”也不为过。但他们获奖主要依靠理论,不属于本文归纳的实验大神,只好在本节开头致敬。爱因斯坦获奖的主要理由是发现光电效应定律,而在实验上把这条定律坐实的,正是下面这位。
●1923年获奖者:Robert Millikan。获奖成果:官方理由是“对基本电荷以及光电效应的研究”。他用巧妙的油滴实验测出了电子电荷的可靠数值,又用多年的精密实验验证了爱因斯坦的光电效应方程,并据此测出普朗克常数。他起初并不相信光量子假说,实验数据却处处站在爱因斯坦一边。这构建了实验物理学的又一个经典范式:设计一个极其聪明的实验→把一个举世瞩目的基本常数测出来→诺奖。
●1924年获奖者:Manne Siegbahn。获奖成果:X射线光谱学方面的发现和研究。他发展出一整套高精度测量X射线谱线的技术,系统测定了各种元素的X射线谱。这项成果的基础不仅是实验,而且是一条精密实验技术路线。
●1925年获奖者:James Franck 、Gustav Hertz。获奖成果:发现电子撞击原子的规律,也就是著名的Franck–Hertz实验(1914年)。实验发现,电子与汞原子碰撞时,能量交换并不是连续的,只在特定能量处才出现明显的激发。这为原子能级的离散化提供了直接的实验证据,证明原子只能吸收特定份额的能量,有力地支持了玻尔的原子模型。
●1926年获奖者:Jean Perrin。获奖成果:官方理由是“对物质不连续结构的研究,特别是发现沉降平衡”。他研究液体中微小颗粒的布朗运动和沉降平衡,用一系列精密实验测定了阿伏伽德罗常数,验证了爱因斯坦1905年的布朗运动理论。更关键的是,多种不同实验方法得到的结果彼此吻合,为“物质由原子和分子构成”的理论提供了强有力的支持。
●1927年获奖者:Arthur Compton、C. T. R. Wilson。获奖成果:Compton发现康普顿效应(1923年)。他发现X射线被电子散射后波长会变长,这为光具有粒子性提供了非常直接的实验证据。Wilson发明了用他名字命名的云室,对应着诺贝尔官方所说的“用蒸汽凝结使带电粒子径迹可见的方法”。 Wilson云室让人能够用肉眼直接“看见”单个带电粒子的轨迹,此后几十年的粒子物理实验都受惠于这一技术。
●1930年获奖者:C. V. Raman。获奖成果:光散射研究和发现拉曼效应(1928年):光被物质散射后,会出现频率发生改变的散射光。今天的Raman Spectroscopy(拉曼光谱)就源自这个实验发现。拉曼也是第一位获得诺贝尔科学类奖项的亚洲人。他的获奖形成了一个诺奖范式:通过实验发现一个新现象→形成一个全新的实验工具→诺奖。
●1935年获奖者:James Chadwick。获奖成果:发现中子(1932年),这是核物理史上超级关键的实验。此前,原子核的质量数通常是电荷数的两倍以上,多出来的质量从何而来一直是个大问题。1930年,Bothe和Becker发现用α粒子轰击铍会产生一种穿透力极强的中性辐射;1932年初,约里奥-居里夫妇又发现这种辐射能从石蜡中打出质子。他们都把它当成了高能γ射线。Chadwick测量了这种辐射撞出的反冲核,证明它其实是一种质量与质子相近的中性粒子,从而证实了其导师卢瑟福在1920年提出的中子设想。
●1936年获奖者:Victor Hess、Carl Anderson。获奖成果:发现宇宙射线和正电子。1912年,Victor Hess乘气球升到5000多米的高空测量电离辐射,发现越往高处辐射越强,说明这种辐射来自地球之外。后人逐渐弄清,宇宙射线主要是一些被加速到极高能量的带电粒子,宇宙中一定存在某种天然的“粒子加速器”。这些加速器究竟在哪里,正是2026年诺奖所涉及的冰立方想要回答的问题之一。1932年,Anderson在强磁场中的Wilson云室里发现了不同寻常的电子轨迹,他马上意识到了该现象与狄拉克理论预言之间的关联。于是,正电子的发现就顺理成章了。这是人类发现的第一种反粒子,从此开启了反物质时代。
●1937年获奖者:Clinton Davisson 、George Paget Thomson。获奖成果:实验发现晶体对电子的衍射。电子居然能像波一样在晶体上发生衍射,这有力地验证了德布罗意的物质波假说,也成为量子力学的重要实验支柱。G. P. Thomson正是1906年得主J. J. Thomson的儿子:父亲证明了电子是粒子,儿子证明了电子也是波,这段佳话至今为人称道。
●1938年获奖者:Enrico Fermi。获奖成果:官方理由是“证明中子辐照可以产生新的放射性元素,以及与此相关的慢中子核反应的发现”。他发现被减速的慢中子更容易被原子核俘获,这一点后来成为核反应堆的关键。这里还有个戏剧性的插曲:他当时以为自己造出了比铀更重的新元素,其中一部分其实是铀核裂变的产物。就在他领奖的同一个月,Hahn和Strassmann完成了揭示核裂变的关键实验。
●1939年获奖者:Ernest Lawrence。获奖成果:发明并发展回旋加速器,以及用它取得的成果,特别是人工放射性元素。回旋加速器让粒子在磁场中一圈圈地被反复加速,实验物理学家从此可以在实验室里获得高能粒子,不必再完全依赖天然放射源。
3. 1941–1960,发明仪器、创新方法、发现粒子的“实验大神”
受第二次世界大战影响,1940至1942年物理学奖连续空缺。战后,新仪器、新方法和新粒子几乎同时涌现。
●1943年获奖者:Otto Stern。获奖成果:发展分子束方法,并发现质子的磁矩。他测得的质子磁矩远大于把质子当作简单点粒子时的预期,暗示质子内部另有结构。他与Gerlach在1922年完成的Stern–Gerlach实验,则直观展示了原子磁矩在空间取向上的量子化。分子束方法后来成为原子物理研究的重要工具。
●1944年获奖者:Isidor Rabi。获奖成果:用共振方法记录原子核的磁性质,也就是分子束磁共振(1938年)。这为后来的核磁共振技术铺平了道路。
●1946年获奖者:Percy Bridgman。获奖成果:发明产生超高压的装置,并用它在高压物理领域取得一系列发现。
●1950年获奖者:Cecil Powell。获奖成果:发展研究核过程的照相乳胶方法,并用它发现了π介子(1947年)。π介子正是汤川秀树预言的传递核力的粒子(汤川因此获得1949年物理学奖),此前在宇宙射线中找到的μ子,曾一度被误认为是它。该成果对应的诺奖范式:新探测技术→实验应用→新粒子→诺奖。
●1951年获奖者:John Cockcroft 、Ernest Walton。获奖成果:用人工加速的粒子轰击原子核,实现核嬗变。1932年,他们用加速后的质子把锂核打成了两个氦核,这是人类第一次用加速器引发核反应,粒子加速器从此正式进入核物理实验。
●1952年获奖者:Felix Bloch 、Edward Purcell。获奖成果:发展核磁精密测量的新方法,即凝聚态物质中的核磁共振(NMR,两人于1946年各自独立实现)。NMR后来成为化学家分析分子结构的利器,又演变出医院里的磁共振成像(MRI)。
●1953年获奖者:Frits Zernike。获奖成果:相衬法与相差显微镜。它把光线穿过透明样品时产生的相位差转换成明暗差,让原本很难看清的活细胞等透明样品可以直接成像,为生物医学研究提供了有效工具。
●1955年获奖者:Willis Lamb、Polykarp Kusch。获奖成果:Lamb发现氢原子光谱精细结构中的微小能级移动(Lamb shift,兰姆位移);Kusch精确测定了电子磁矩,发现它比狄拉克理论的预言略大。这两项1947年的实验直接推动了量子电动力学的建立,物理实验从此进入高精度检验量子电动力学的阶段。
●1956年获奖者:John Bardeen、Walter Brattain、William Shockley。获奖成果:半导体研究和发现晶体管效应。他们不是单纯验证了某个理论,而是通过材料实验创造出一种全新的电子器件(1947年在贝尔实验室做出第一只点接触晶体管),奠定了现代电子工业的基础。Bardeen后来又凭借超导的BCS理论获得1972年物理学奖,是迄今唯一两获物理学奖的人。
●1957年获奖者:杨振宁、李政道。获奖成果:对宇称定律的深入研究。这是一项理论奖,但让宇称不守恒从大胆猜想变成定论的,是华人实验大神吴健雄领导的钴-60β衰变实验(1956至1957年)。但吴健雄本人始终未获诺贝尔奖,这常被视为诺奖史上的一大遗憾。
●1958年获奖者:Pavel Cherenkov 、Ilya Frank、Igor Tamm。获奖成果:发现并解释切伦科夫效应。Cherenkov在1934年通过实验发现了这种奇特的微弱蓝光,Frank和Tamm在1937年给出了理论解释:带电粒子在介质中的速度超过光在该介质中的传播速度时,就会辐射出切伦科夫光,有点像超音速飞机产生的音爆。这又是一次“实验发现→理论解释→诺奖”。切伦科夫辐射后来成为许多粒子探测器的工作原理。听起来是不是很耳熟?2026年诺奖所涉及的冰立方中微子天文台,捕捉的正是冰层里的切伦科夫光!
●1959年获奖者:Emilio Segrè 、Owen Chamberlain。获奖成果:发现反质子(1955年)。继1932年发现正电子之后,人类证明了质子这样的重粒子同样有反粒子,转年又发现了反中子。物质的“反物质版本”从此不再是个别现象。
●1960年获奖者:Donald Glaser。获奖成果:发明气泡室(1952年)。它利用过热液体中沿粒子径迹生成的一串气泡来显示带电粒子的运动轨迹,比云室更适合捕捉高能粒子,是粒子径迹探测技术的一次飞跃。
4. 1961–1980,“粒子动物园”与宇宙背景时代的实验“大神”
这一时期,实验物理把研究对象推向了多个极端,研究规模也越来越趋向大型化、团队化。
●1961年获奖者:Robert Hofstadter、Rudolf Mössbauer。获奖成果:前者用电子散射研究原子核,并由此发现核子的结构;后者研究γ射线的共振吸收,并发现以他名字命名的效应(1958年)。
Hofstadter用高能电子“照射”质子和中子,发现它们并不是点粒子,而是有一定大小和电荷分布的,这为后来认识强子内部结构奠定了重要的实验基础。穆斯堡尔效应让γ射线共振变得极其“锐利”,可以用来做超高精度的测量。1959至1960年,Pound和Rebka就借助它,在哈佛大学一座约22米高的塔楼里测出了广义相对论预言的引力红移。
●1964年获奖者:Charles Townes、Nikolay Basov、Alexander Prokhorov。获奖成果:量子电子学领域的基础性工作,由此造出了基于微波激射器和激光器原理的振荡器与放大器。Townes在1954年前后造出了第一台微波激射器(maser),三人的工作奠定了激光技术的基础。
●1966年获奖者:Alfred Kastler。获奖成果:发现和发展研究原子中赫兹共振的光学方法,核心是光抽运(Optical Pumping)。这项技术后来成为激光、原子钟和量子光学的重要基础。
●1968年获奖者:Luis Alvarez。获奖成果:发展液氢气泡室技术和数据分析方法,并由此发现大量新的粒子共振态。粒子“动物园”迅速扩充,实验粒子物理学也进入了“造一个巨大探测器→收集海量事件→从数据中寻找新粒子”的模式。
●1973年获奖者:Leo Esaki 、Ivar Giaever、Brian Josephson。获奖成果:Esaki和Giaever因在半导体和超导体中隧穿现象的实验发现分享一半奖金,Josephson因关于超导电流穿过隧道势垒的理论预言获得另一半。
量子隧穿本身早在1920年代就已被理论预言,并被用来解释α衰变;这三位的贡献,是让它在固体里变成可测量、可利用的现象。Esaki在1957年做出了隧道二极管;Giaever在1960年观测到电子隧穿进入超导体,并借此直接测出超导能隙。1962年,年仅22岁的研究生Josephson预言,超导电子对可以在零电压下穿过薄绝缘层,这就是Josephson效应,第二年即被Anderson和Rowell的实验证实。今天,约瑟夫森结是超导量子比特的核心元件。
●1974年获奖者:Martin Ryle、Antony Hewish。获奖成果:射电天体物理学的开创性研究:Ryle发明了合成孔径技术,让多台射电望远镜“合成”一台大望远镜;Hewish在发现脉冲星(1967年)中起了决定性作用。射电手段从此成为研究极端天体的重要方法。最先在观测记录上注意到脉冲星信号的,其实是Hewish的研究生Jocelyn Bell Burnell,她未能分享这次诺奖,此事至今仍有争议。
●1976年获奖者:Burton Richter、Samuel Ting(丁肇中)。获奖成果:开创性地发现一种新型重粒子,即J/ψ粒子(1974年)。它为粲夸克的存在提供了关键证据,推动了夸克模型和标准模型的发展,这一系列进展被称为“十一月革命”。丁肇中在布鲁克海文国家实验室、Richter在SLAC(斯坦福直线加速器中心)几乎同时独立发现了这种粒子,所以它至今带着两个名字:丁肇中叫它J,Richter叫它ψ。
●1978年获奖者:Pyotr Kapitsa、Arno Penzias、Robert Woodrow Wilson。获奖成果:Kapitsa因低温物理领域的基础性发明和发现获得一半奖金,其中最著名的是发现液氦的超流性(1938年发表);Penzias和Wilson因发现宇宙微波背景辐射分享另一半。
1965年,Penzias和Wilson在调试贝尔实验室的一台号角天线时,发现了一个无论如何都消除不掉、来自四面八方的微波“噪声”,那正是大爆炸留下的余晖。他们当年测得的等效温度约为3.5 K(误差约1 K),后来COBE卫星把它精确定为约2.725 K。这是现代宇宙学最著名的实验发现之一,也是大爆炸宇宙学最重要的观测证据之一。
●1980年获奖者:James Cronin 、Val Fitch。获奖成果:在中性K介子衰变中发现基本对称性原理遭到破坏,即CP破坏(1964年)。吴健雄的实验已经告诉人们,自然界并不尊重宇称对称性;Cronin和Fitch则进一步发现,连电荷共轭与宇称的联合对称性也会被打破,再次颠覆了物理学家对自然对称性的直觉。CP破坏后来被认为与宇宙中物质为何多于反物质的谜题密切相关。
5. 1981–2000,大型实验与精密实验并进中的实验“大神”
●1981年获奖者:Nicolaas Bloembergen、Arthur Schawlow、Kai M. Siegbahn。获奖成果:Bloembergen和Schawlow因对激光光谱学发展的贡献分享一半奖金;Kai Siegbahn因发展高分辨率电子能谱学获得另一半。他改进和完善了光电子能谱测量技术,为研究物质的电子结构提供了有力工具,显著促进了表面物理和材料物理的发展。他正是1924年得主Manne Siegbahn的儿子,父子二人一个测X射线谱,一个测电子能谱,先后成为诺奖得主。
●1984年获奖者:Carlo Rubbia、Simon van der Meer。获奖成果:对促成发现W、Z玻色子的大型项目作出决定性贡献(1983年,CERN)。Rubbia力推把加速器改造成质子-反质子对撞机,van der Meer发明的“随机冷却”技术让积累足够多的反质子成为可能。这是电弱统一理论最重要的实验验证之一。理论预言的基本粒子,又一次被大型加速器直接“打”了出来,这显然让更多粒子物理学家跃跃欲试。
●1985年获奖者:Klaus von Klitzing。获奖成果:发现量子化霍尔效应(1980年)。在极低温和强磁场下,二维电子系统的霍尔电阻会精确地落在一级级台阶上,台阶的数值只由基本物理常数决定,与样品的材料和形状无关。这个结果在当时出乎许多人的意料。凭借这种普适性和精确性,量子霍尔效应后来成为国际电阻计量标准的基础。
●1986年获奖者:Ernst Ruska、Gerd Binnig、Heinrich Rohrer。获奖成果:Ruska因电子光学的基础性工作和设计第一台电子显微镜(1930年代初)获得一半奖金,此时距他的发明已过去半个多世纪;Binnig和Rohrer因设计扫描隧道显微镜(STM,1981年)分享另一半。STM让人类第一次能在实空间里直接看清平整材料表面上一个个原子的排列,后来还被用来逐个“搬运”原子。借助STM,人类开始可以在原子尺度“看到”并“摸到”材料表面。
●1987年获奖者:J. Georg Bednorz、K. Alexander Müller。获奖成果:在陶瓷材料中发现超导性的重大突破(1986年)。他们在铜氧化物陶瓷中发现了约35 K的超导转变,随即引发全球“高温超导热”,从论文发表到获奖只用了一年多,是诺奖史上最快的纪录之一。这类材料的超导机制至今仍无定论,由此形成了一个经典循环:材料实验先发现惊喜→理论努力追赶→新实验推动材料进步和理论升级→诺奖。
●1988年获奖者:Leon Lederman、Melvin Schwartz、Jack Steinberger。获奖成果:中微子束方法,以及通过发现μ子中微子揭示轻子的“二重态”结构(1962年)。他们第一次用加速器制造出中微子束,发现中微子至少有两种不同的“味”(flavor):电子中微子和μ子中微子。轻子由此显出代际结构,这为后来标准模型中三代轻子的建立提供了关键实验依据。
●1989年获奖者:Norman Ramsey 、Hans Dehmelt 、Wolfgang Paul。获奖成果:Ramsey因发明分离振荡场方法及其在氢微波激射器和其他原子钟中的应用获得一半奖金;Dehmelt和Paul因发展离子阱技术分享另一半。实验物理由此进入了对单个原子和离子进行长时间囚禁、控制和精密测量的时代。
●1990年获奖者:Jerome Friedman、Henry Kendall 、Richard Taylor。获奖成果:电子在质子和束缚中子上的深度非弹性散射(1967至1973年,SLAC)。他们用高能电子去撞质子和中子,发现其中存在非常小、非常“硬”的点状带电组分。这让夸克从一种理论构想和纸面概念,逐渐成为具有坚实实验基础的物理实体。
●1992年获奖者:Georges Charpak。获奖成果:发明和发展粒子探测器,特别是多丝正比室(1968年)。它让粒子探测从拍照片、看照片变成了电子化的高速读数,推动了现代粒子物理实验的又一轮革命。在2026年之前,他是最后一位独得物理学奖的科学家。
●1993年获奖者:Russell Hulse、Joseph Taylor。获奖成果:发现一种新型脉冲星(1974年),即由一颗脉冲星和另一颗中子星组成的“脉冲双星”。长期观测表明,它们的轨道正在缓慢收缩,收缩速率与广义相对论预言的引力波辐射造成的能量损失精确吻合,这为引力波的存在提供了第一个有力的间接证据。
●1994年获奖者:Bertram Brockhouse、Clifford Shull。获奖成果:发展用于凝聚态物质研究的中子散射技术。Shull发展了中子衍射技术,能确定晶体中原子(包括氢这样的轻原子)的位置以及磁性材料的磁结构;Brockhouse发展了中子谱学,能测量晶格振动(声子)和磁激发。打个比方,前者告诉我们原子“在哪儿”,后者告诉我们原子“在做什么”。
●1995年获奖者:Martin Perl、Frederick Reines。获奖成果:轻子物理的开创性实验贡献:Perl发现了τ轻子(1975年),Reines实现了对中微子的首次探测。1956年,Reines和Cowan在萨凡纳河核反应堆旁首次直接探测到反中微子,这一开创性成果直到1995年才获奖,可惜其合作者Cowan没能等到这一天。
●1996年获奖者:David Lee、 Douglas Osheroff、Robert Richardson。获奖成果:发现氦-3的超流性(1972年)。氦-3原子是费米子,本不能像氦-4那样直接“凝聚”;它们必须先两两配对,才能在千分之几开尔文的极低温下变成超流体。这一发现把极低温物理推向了新的前沿。
●1997年获奖者:Steven Chu(朱棣文)、Claude Cohen-Tannoudji、William Phillips。获奖成果:发展用激光冷却和俘获原子的方法。原子由此可以被冷却到接近绝对零度并被“困住”,为后来BEC(玻色-爱因斯坦凝聚)的实验实现、超精密原子钟以及冷原子物理的发展奠定了关键技术基础。朱棣文后来还出任过美国能源部长。
●1998年获奖者:Robert Laughlin、Horst Störmer 、Daniel Tsui(崔琦)。获奖成果:发现一种具有分数电荷激发的新型量子流体,即分数量子霍尔效应。1982年,Tsui和Störmer在砷化镓异质结的二维电子气中观测到了新的量子霍尔态;Laughlin随后给出了关键的理论解释,指出其中的准粒子带有分数电荷。分数量子霍尔效应由此成为凝聚态物理中最深刻的量子现象之一。
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2026年10月10日
注:文中各年度的获奖理由依据诺贝尔奖官网(nobelprize.org)公布的颁奖词译出,2026年的信息依据瑞典皇家科学院10月6日发布的新闻稿。




