五项本该拿诺奖的物理突破

下周，诺贝尔奖将把少数科学家推上辉煌却也短暂的声名之巅。自1901年首次颁发以来，物理学奖表彰的成果横跨从发现电子、建立量子力学，到探测引力波、建模气候变化。毫无疑问，这个奖认出了许多重大成就。 不过，回望物理学的颁奖史，它们显然也漏掉了这个领域某些最重要的发现。事实上，出于种种原因，现代物理的好几个奠基性概念从未获诺奖眷顾。下面列出五项为现代物理学打下根基、却（至少迄今）未获诺贝尔奖的里程碑，按“本该得奖的明显程度”由低到高排列。 这份“漏网诺奖”清单并不全面。“你大概能列出一百个这样的例子，”阿贡国家实验室的凝聚态物理学家迈克尔·诺曼（Michael Norman）说。这份清单也没涉及那些委员会在颁奖时漏掉了关键科学家的委屈事——比如1944年的诺贝尔化学奖表彰奥托·哈恩（Otto Hahn）发现核裂变，却把解释其原理的莉泽·迈特纳（Lise Meitner）排除在外。 做这样一份清单或许有些冒失，但正如诺奖得主爱因斯坦曾写下的：“每个人都不时得在愚蠢的祭坛上献祭。” 驱动最亮X射线源的那个装置 2009年，SLAC国家加速器实验室启用了一台比此前任何光源都亮10亿倍的X射线源。它由一条1公里长的粒子加速器驱动，为材料研究打开了新视野；此后德国、日本、瑞士、韩国和中国纷纷建起类似装置。它们全都基于斯坦福大学物理学家约翰·梅迪（John Madey）在1970年代发明的概念：自由电子激光。 在普通激光里，发光介质夹在两片镜子之间。在镜子间来回反弹的光子刺激介质发射更多光子，把光放大成激光束。在自由电子激光里，电子射过一块长磁体，被来回晃动而发光。光与电子同行，像牧羊一样把电子聚成微小的团块，这些团块协同辐射，极大地放大了光，形成激光束。 梅迪最初的设备在微波波段发光。芝加哥大学的原子物理学家琳达·扬（Linda Young）说，如今的机器能产生短于1飞秒的强X射线脉冲。借助如此短的X射线闪现，研究者可以探测物质结构，“在分子运动天然的时间和长度尺度上拍出电影”。 劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家威廉·福利（William Fawley）说，诺贝尔奖委员会在2010年代对自由电子激光产生过兴趣。“如果当年颁自由电子激光的诺奖，约翰·梅迪当之无愧，”福利说，“但问题是，还有谁该一起得奖？”加州大学洛杉矶分校的克劳迪奥·佩莱格里尼（Claudio Pellegrini）等人，为把自由电子激光推向X射线波长做出了关键突破。梅迪2016年离世，但扬希望其他人仍有机会获奖。 梅迪好争讼的脾气或许伤了自己。1998年，他离开杜克大学去了夏威夷大学，还成功起诉杜克，索回自己在那里建造的自由电子激光。“至少可以说，”福利说，“他是个有个性的人。” 把夸克绑成质子和中子的那个粒子 物理学诺奖先后11次表彰了某种亚原子粒子的发现，包括2013年的希格斯玻色子。但传递强核力的胶子的发现，却未获此殊荣。“胶子的发现绝对该得诺贝尔奖，”已从加州大学圣克鲁兹分校退休的粒子物理学家、该领域史家迈克尔·里尔登（Michael Riordan）说，“唯一的问题是，该颁给谁？” 胶子把叫作夸克的粒子三个一组绑成质子和中子。不过，夸克和胶子结合得如此之紧，根本不可能造出孤立的胶子。但德国DESY研究中心的正负电子串列环形加速器（PETRA）上的物理学家，探测到了胶子的指纹。他们让电子撞击反电子，产生通常生成一个夸克和一个反夸克的碰撞，后者立刻产生出两股方向相反的“喷注”，由复合粒子组成。 不过有时，最初的夸克或反夸克会辐射出一个胶子，形成独特的第三股喷注。这正是两臂谱仪螺线管（TASSO）探测器从1979年6月起所看到的。里尔登说，团队多数人在寻找一种叫顶夸克的粒子，但物理学家“吴秀兰（Sau Lan Wu）认定胶子更有意思，在这一点上她几乎是孤身一人”。 她说，她和提出“胶子能产生第三喷注”的英国理论家约翰·埃利斯（John Ellis）应当获得承认。两人都已八十多岁。但还有其他人参与了发现，喂给PETRA的三台其它探测器也很快看到了同样的现象，其中包括已凭早年粒子发现拿过诺奖的丁肇中（Samuel Ting）。 里尔登对胶子获奖不乐观：“我觉得，真的太晚了。”他说，鉴于其中的明争暗斗和政治因素，委员会或许在“只挑三个获奖者”上为难。 晶体材料的那套标准模型 凝聚态物理是物理学最大的分支，若说它改变世界的程度超过任何其它分支，唯一原因是它催生了晶体管、进而有了微电子。然而，诺奖从未表彰该领域的两个核心概念：晶体量子化振动（声子）与电子的量子波（布洛赫电子）。 无论哪种晶体（包括这块磁铁矿），其描述都始于声子和布洛赫电子的概念。 晶体由重复的三维离子晶格组成，其中弥漫着带负电的电子。1929年，瑞士理论家费利克斯·布洛赫（Felix Bloch）推导出了描述电子的量子波的具体数学形式。1930年，俄国理论家伊戈尔·塔姆（Igor Tamm）阐明了晶体晶格量子化振动的理论。 要解释诸如导线电阻这样基本的现象，布洛赫电子和色子缺一不可。若金属晶体结构完美，电子波会毫无阻碍地穿过；但声子使晶格扭曲，偏转电子波、阻碍其流动。反过来，在低温下，声子又能像胶水一样把电子粘成自由流动的对，这正是简单金属超导电性的关键。 布洛赫电子和声子之所以被忽视，部分因为布洛赫和塔姆都太高产。“这俩人什么都有份，”诺曼说，“看看塔姆，他搞过氢弹，还发明了托卡马克”聚变反应堆。事实上，布洛赫凭核磁共振拿了1952年物理诺奖，塔姆凭观测切伦科夫辐射拿了1958年诺奖。 此外，固体物理长期被视为“次等”物理，以至于诺奖得主默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）称它为“污秽态物理”（squalid state physics）。 一个证明宇宙并非决定论的定理 按量子理论，现实是不确定、或有或无的。例如，电子可以朝相反方向——上旋和下旋——同时旋转，只有当它的自旋被测量时，状态才会随机坍缩成其中之一。这种或然性曾让爱因斯坦等人恼火，他们坚持认为，即便不测量，自旋也必有确定方向，电子内部隐藏的变量必定决定了任何可能测量的结果。 不过，1964年，英国理论家约翰·贝尔（John Bell）设计出一种出人意料的检验隐变量的方法。按量子理论，两个电子可以纠缠，使各自状态不确定——既上又下——却彼此关联。例如，若一个被测为上旋，另一个必为下旋，反之亦然。纠缠比这更复杂，而贝尔证明，它应产生比藏在粒子内部的变量更强的关联。 观测到那些更强的关联，就能证明这样的隐变量不可能藏在粒子内部，而必游荡在宇宙某处——这个前景和“非决定论”一样令人不安。1970和1980年代，实验家约翰·克劳泽（John Clauser）与阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）各自独立地用光子（可同时沿两个方向偏振）观测到了贝尔预言的更强关联。2022年，他们与量子先驱安东·蔡林格（Anton Zeilinger）分享了诺奖。 但贝尔1990年离世，未获诺奖。麻省大学波士顿分校的理论物理学家克里斯托弗·富克斯（Christopher Fuchs）说，他的定理“是远超诺奖级别的一项发现”。不过富克斯说，在1990年代之前，它被视为冷僻，“关心的只有二三十个人”。如今，贝尔检验成了一种工具，用来证明一项崭新技术确实在按量子力学运作。 我们对空间与时间观念的那场革命 没有哪项理论物理的进展比爱因斯坦创立相对论更令人敬畏。它与量子力学共同撑起现代物理的两根支柱。然而，尽管有九位理论家（包括爱因斯坦）因对量子理论的贡献获诺奖，却无人因发展相对论得过奖。 多亏了爱因斯坦，科学家把时空理解成一种可被拉伸的东西，甚至可能像这条假想虫洞一样形成隧道。 物理学家曾把宇宙看作一个舞台，物体在上面运动，而时间以普适速率嘀嗒流逝。1905年，爱因斯坦砸碎了这一观念。在假设光速对所有观测者相同之后，他锻造出狭义相对论：空间与时间是一个单一四维时空的两个方面，以恒定相对速度运动的观测者会以不同方式感知它。1915年，爱因斯坦走得更远，提出广义相对论，解释了当恒星、行星等巨大物体扭曲时空时，引力如何产生。 这对诺贝尔奖委员会的一些成员来说太过了，他们抱怨缺乏实验证据，把相对论贬为“一种信念”。于是，在多次提名之后，委员会把1921年的奖颁给爱因斯坦，表彰他解释光电效应——光子把电子从金属中击出。爱因斯坦的奖状强调了对他的怀疑：它强调，该奖“无论相对论与引力理论在可能证实后会具有何种价值，均不论及”。 相对论的其它先驱也无人获奖。例如，把爱因斯坦代数形式的狭义相对论改造成时空几何表述的，是德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski）。爱因斯坦起初把这一概念讥为“多余的学问”，但它最终被证明对创立广义相对论不可或缺。闵可夫斯基1908年去世，年仅44岁，远在他这一概念成为现代物理基石之前。