2019年諾貝爾物理學獎花落天體物理,還有哪些與之比肩的物理成就?

程文智 发表于 2019-10-08 18:02:00 收藏 已收藏
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2019年諾貝爾物理學獎花落天體物理,還有哪些與之比肩的物理成就?

程文智 发表于 2019-10-08 18:02:00
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國慶長假已經結束,2019年諾貝爾獎的開獎還在繼續,今天下午揭曉了物理學獎的最終歸屬。根據貝爾獎官網消息,瑞典斯德哥爾摩當地時間8日中午,瑞典皇家科学院将2019年諾貝爾物理學獎一半授予吉姆·皮布尔斯(James Peebles),以表彰其对物理宇宙学的理论发现,另一半授予了两位瑞士天文学家米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz),因为他们发现了太阳系外行星
2019年諾貝爾物理學獎获得者及奖金分配情况
圖1:2019年諾貝爾物理學獎獲得者及獎金分配情況。
據了解,皮布爾斯出生于加拿大的溫尼伯,是普林斯頓大學阿爾貝特·愛因斯坦榮譽科學教授,也是加拿大物理學家和理論宇宙學家。自1970年以來,他被廣泛認爲是世界領先的理論宇宙學家。他對原始核合成、暗物質、宇宙微波背景和結構形成等領域做出理論貢獻。
麥耶是瑞士天文學家,曾任教于日內瓦大學天文學系,已于2007年退休,但仍以榮譽退休教授身份繼續進行研究。
奎洛茲同樣是來自瑞士的天文學家,他在尋找太陽系外行星方面頗有貢獻。《衛報》稱,在日內瓦大學攻讀博士時(1995年),他和米歇爾·麥耶共同發現了圍繞主序星的首顆太陽系外行星。
伦敦大学学院发现,系外行星K2-18b大气层含有水分,也是史上首次发现含水的宜居星球
圖2:倫敦大學學院發現,系外行星K2-18b大氣層含有水分,也是史上首次發現含水的宜居星球。
其實除了得獎的這些系外行星發現成就,在今年4月網上瘋傳的首張黑洞照片,更是引爆了全球“黑洞熱”,可以說是近年來科學發現的亮點。可惜的是黑洞照片公開是時間可能已經錯過了今年諾貝爾獎的提名時限,估計也是因爲這個原因,該發現與諾貝爾獎擦肩而過。
经过6国科学家的努力,史上第一张黑洞照片问世
圖3:經過6國科學家的努力,史上第一張黑洞照片問世。
此外,還有量子物理學和超導領域的成就也不低于獲獎的天體領域。

量子物理學

美国科普作家查德·奥泽尔(Chad Orzel)在《福布斯》杂志上撰文指出,量子物理學的相关基础研究,一直都很受諾貝爾物理學獎评审的青睐,再加上谷歌、IBM等科技企业大举投资量子計算,具有巨大商业潜力的量子纠缠等量子物理學子领域,成为了近年来物理学界热议的话题。
2018年,科学家首次通过量子通信卫星在中国和奥地利之间进行了量子加密视频通话。不久之后,美国签署了《国家量子倡议法》(National Quantum Initiative Act),旨在为量子信息科学的研究和培训保证投资,因为量子信息科学具有巨大的商业和国家安全应用潜力。
據了解,銀行業方面正在考慮使用這項技術來保護他們的信息,像谷歌和IBM等科技巨頭也正在開發可以在幾分鍾內完成某些計算的量子計算機,而不是使用傳統的超級計算機。
如果沒有該領域先驅者們奠定的理論和實驗基礎,這一切都不可能實現。
1964年,爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell)为解决量子物理學中的一个悖论奠定了理论基础。众所周知,爱因斯坦曾与这个悖论作过斗争。它被称为贝尔定理,后来成为量子信息科学领域最重要的概念之一。在接下来的几十年里,科学家们对它进行了越来越复杂的实验,验证了贝尔定理。
在2010年,法国的阿兰·艾斯佩特(Alain Aspect)、美国的约翰·柯罗瑟(John Clauser)、和澳洲的安东·吉林哲(Anton Zeilinger)三位物理学家“因其在量子物理學基础上的基本概念和实验贡献,特别是一系列日益复杂的贝尔不等式测试,而获得沃尔夫奖(Wolf Prize)”。不幸的是,与该理论同名的贝尔在1990年去世了,这使得他没有资格获得諾貝爾獎,因为诺贝尔委员会的规定是不允许在人去世后颁发諾貝爾獎。

超導體

超导性是电流通过零电阻材料时所产生现象的名称,同时也是Inside Science预测的一个领域。1911年,获得1913年諾貝爾獎的荷兰物理学家海克·卡梅林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)首次发现了这个现象。
1986年,来自IBM的两位科学家约翰内斯·乔治·贝德诺兹(Johannes Georg Bednorz)和K.亚历克斯·穆勒(K. Alex Müller)发现了一种含有氧化铜的材料,它可以在高于此前理论允许的温度下保持超导性。一年后,两人在1987年获得了諾貝爾獎。而在铜材料被发现之后的20年里,这个领域没有任何重大突破。
但是这种情况在2008年发生了改变,当时由日本研究人员细野秀夫(Hideo Hosono)领导的一组日本研究人员发现了一种新的含铁材料,这种材料在异常高温下具有超导性。
随后,在2014年,一个由德国马普化学研究所的米哈伊尔·埃雷米茨(Mikhail Eremets)领导的小组发现了另一类含氢的超导材料。这些物质的存在曾由美国康奈尔大学的内尔·阿什克罗福特(Neil Ashcroft)教授和2003年諾貝爾獎获得者维塔利·金茨堡(Vitaly Ginzburg)在20世纪60年代预测过。
新材料的發現爲科學家們更好地理解和研究這一神秘現象打開了新的大門。值得注意的是,超導性的發現已經爲我們帶來了許多現代發明,如核磁共振機和粒子加速器,並可能在聚變反應堆或無損電網中找到未來的應用。

落選的物理學家及其成就

埃克特(Artur K. Ekert)
人物介紹:现年58岁的埃克特是英国牛津大学数学研究所量子物理學教授,也是新加坡国立大学“李光前百年校庆教授基金”得主。
成就:對量子計算和量子密碼學的貢獻。他是基于糾纏態的量子密碼學的發明者。
海因茨(Tony F. Heinz)
人物介紹:斯坦福大學應用物理與光子科學教授,他也是SLAC國家加速器實驗室的副主任。
成就:對二維納米材料的光學和電學性質進行了開創性的研究,更位理解碳納米管、石墨烯和二維半導體材料(如二硫化钼)等納米材料做出了貢獻。
普度(John P. Perdew)
人物介紹:美國賓夕法尼亞州費城天普大學教授,2011年獲選美國國家科學院院士。
成就:爲電子結構密度泛函理論的發展做出貢獻。
十仓好纪——电子型高温超導體和多铁性材料
十仓好纪教授
圖4:十倉好紀教授。
人物介紹:日本著名的物理學家,東京大學工學系物理工學專業教授,同時兼任理化學研究所創造性物質研發中心的主任。
成就:代表性较高的是电子型高温超導體的发现、氧化物巨磁阻效应的发现和机理解明、以及关于多铁性材料的基础理论等,其中任何一项成就都有获颁诺奖的可能。
細野秀雄——鐵基高溫超導
细野秀雄教授
圖5:細野秀雄教授。
人物介紹:東京工業大學前沿材料研究所教授
成就:他的研究领域包括无机材料、纳米多孔机能材料、超导材料、光电子材料以及透明氧化物半导体等。他最大的成就是铁基高温超导的提出,同时他还是液晶面板的主流技术路线之一的IGZO(氧化铟镓锌,indium gallium zinc oxide)的奠基人之一。
飯島澄男——諾獎遺珠碳納米管
饭岛澄男教授
圖6:飯島澄男教授。
人物介紹:碳納米管的發現者,名城大學終身教授、NEC特別主席研究員。
成就:1990年,飯島教授通過透射電鏡直觀地觀察到了足球烯的形態。1991年,他希望觀察到碳元素在反應過程中是如何相互卷曲,形成球狀結構的。于是,他重複了足球烯制備的實驗,並調整了某些參數,試圖尋找到有趣的結果。然而,令他意外的是,制備足球烯的嘗試沒成功,反而制備出了一系列納米級別的管狀構造,這就是後來被稱爲碳納米管的一種全新材料。
几种不同构型的纳米碳管,作者:Mstroeck
图7: 几种不同构型的纳米碳管,作者:Mstroeck
大野英男——磁性半導體之父
大野英男
圖8:大野英男教授和電子自旋示意圖。
人物介紹:現任日本東北大學校長,被譽爲磁性半導體之父。
成就:大野教授在铟-砷或镓-砷這樣的半導體化合物中混入一定量具有磁性的錳,最終制成了同時兼具磁性和半導體特性的磁性半導體。
磁性半導體是一種特殊的半導體,既有強磁性又有半導體特性。磁性半導體可以實現對電子自旋狀態的控制,是新型電子元器件研究的熱門領域。
“自旋”是相當複雜深奧的物理概念,但是我們不妨將其簡單化的理解爲是電子的轉動方向。總的來說,自旋分爲兩種狀態,即下圖所示的自旋向上和自旋向下,分別描述從左向右和從右向左兩種旋轉方式。自旋是描述電子運動狀態的重要參數,同時,它也與磁性的産生有關。如果材料中的大量電子同時呈現同一種自旋狀態,材料就會顯現出磁性。簡單來說,半導體主要利用電子的電荷特性,而磁鐵則是利用電子的自旋特性。
這種材料的制備探索起初非常艱難,在克服了一系列難關後才最終實現。磁性半導體在操控電流的同時還能實現對電子自旋的控制,給電子器件的制造帶來了全新可能,未來誕生基于磁性半導體的器件甚至是電腦絕非妄言。
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