插图 约翰•亨德里克斯(John Hendrix)

 

　　导语：

 

　　自物理学的“黄金时代”以来，进行科学研究的方法日新月异，但是许多问题依旧待解

 

　　整理 约翰•马特森(John Matson) 费里斯•贾布尔(Ferris Jabr)

 

　　翻译 王栋

 

　　精彩速览

 

　　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。

 

　　在物理学的另一个研究领域，马蒂纳斯•J•G•魏特曼(Martinus J. G. Veltman)于1986年，在《科学美国人》上发表了一篇关于“标准模型”里一个小问题的文章。除这个问题外，该模型在描述宇宙中基本粒子时，可以称得上是一个极其完美的理论。魏特曼指出，标准模型里一个关键粒子还有待发现，那个粒子似乎在努力隐藏自己而不被人们找到。没有它，其他粒子的质量来源将难以解释。

 

　　或许你已知道，它就是传说中的希格斯玻色子。在文章中，魏特曼寄希望于当时还处于规划中的超高能超导对撞机(Superconducting Super Collider，简称SSC，位于美国得克萨斯州)能够发现这种“缺失”的粒子。然而在25年后的今天，物理学家仍在期待这一最重要玻色子的“首秀”(2012年7月4日，欧洲核子中心宣布他们发现了一种符合希格斯粒子属性的新粒子。也许，希格斯粒子在众位物理学家的期盼下终于现身了)。超高能超导对撞机最终未能建成，寻找希格斯玻色子的任务，转移到了欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(Large Hadron Collider，LHC)上。从2009年开始运行起，欧洲核子研究中心已经将大型强子对撞机的对撞能量逐步提高，期待能于今年年底前收集到足够的数据，并最终宣布标准模型里的希格斯粒子是否存在。

 

　　甚至在标准模型完整建立前，物理学家就开始对该模型所描述的粒子行为提出异议了。1935年，爱因斯坦和两位同事发表了一篇文章指出，当时刚刚建立的量子力学理论会推导出一种很难理解的、被称为非定域性的现象。物理学家解释道，当观察者在一个地方测量一个粒子时，就会即时影响到其他地方的另一个粒子，无论它们两者相距多远。这一效应看起来很荒谬。爱因斯坦及同事认为，非定域性是一个“麻烦”，将对量子力学的可靠性提出挑战。

 

　　实验物理学家花费了数十年时间，来证明粒子之间确实可以通过一种被称为“量子纠缠”的现象保持非定域联系。现在，物理学家能够很熟练的制备出一对纠缠光子，它们之间共享一种状态，例如偏振方向。独立的原子，以及大尺度物体(例如人造钻石晶片)也已经制备出了纠缠态。纠缠并不仅仅是量子力学里的一个小把戏，或许有一天，它将使通信和计算能力大大超过当今电子设备所能达到的状态。

 

　　在这些研究里，关键是激光。它是一种量子光源，激光中受控的光子可以自我纠缠，或用来制备其他粒子的纠缠态。在1961年发表在《科学美国人》上的一篇文章里，亚瑟•L•肖洛(Arthur L. Schawlow)向我们展示了激光的美好前景。当时，激光器刚刚问世一年，被称为光量子放大器。由于发明激光，肖洛获得了1981年的诺贝尔物理学奖。他的后继者——那些操控激光来研究量子纠缠的光学物理学家们，常常被认为是近期诺贝尔奖得主的热门人选。

 

　　未来将获得诺贝尔奖的新一代物理学家(今年的林道大会中或许就有他们的身影)会将物理学带往何方？如果参照过去的历史，那么未来一些辉煌成就的线索，或许就隐藏在过去数十年里那些诺贝尔奖得主的工作(以及他们在《科学美国人》上发表过的文章)之中。

 

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