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，《环球科学杂志》摘录了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，我们惊奇地发现，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。

一、天体物理：宇宙射线里的秘密信息

撰文亚瑟·H·康普顿(Arthur H.Compton)

1927年诺贝尔物理学家奖得主，本文刊登于1933年7月《科学美国人》

宇宙射线的研究常常被描述成“现代物理学中的另类，因为其中包括微妙的现象、细致的观测、观测学家们探险似的旅行、精巧的分析以及宏伟壮观的结论”。我们相信，宇宙射线能带给我们一些重要信息：或许可以告诉我们这个世界是如何演化的，或者那些原子核最深处结构的秘密。目前，我们正在努力解码这些信息。

大约5年前，两位德国物理学家博特(Bothe)和科尔霍斯特(Kolhörster)使用计数管进行了一项实验，让我们确信宇宙射线其实是由带电粒子构成的。然而，如果这一结论是正确的话，就意味着在地球上的不同地点，宇宙线的强度应该有所不同。由于地球就像一个巨大的磁铁，这个巨型磁铁就会使射向地球的带电粒子发生偏转。这一效应应该在磁极处最弱，在赤道附近最强，那么如果我们从赤道向两极走，射线强度就应该不断增大。科学家设计了6个不同的系列实验来探测这一效应，然而并没有得出明确的结论。

为此，在卡内基协会的资助下，我们芝加哥大学的一个研究团队在过去18个月里组织了9次探险，在地球上的不同地点测量宇宙射线——从海平面到6400多米高的安第斯山和喜马拉雅山顶，均有研究人员前去测量。在美国阿拉斯加巨大的麦金利山侧的冰川上，两位出色的登山员卡培(Carpe)和科文(Koven)甚至献出了自己的生命，换回了在如此接近极点的纬度上，迄今海拔最高的测量数据。

将这些探险所获得的数据整合起来后，我们发现极地附近的宇宙射线强度比赤道附近高15%。此外，正如预计的那样，由于地球磁场对入射带电粒子的作用，宇宙射线强度还随着纬度变化而变化。此外，在高海拔地区，地球磁场的效应要海平面上强数倍。

这些结果显示，宇宙射线中至少有相当一部分是由带电粒子构成的。然而，某些宇宙射线不会受到地球磁场的丝毫影响。而通过其他一些测量实验，例如皮卡德(Piccard)和雷金纳(Regener)的高空气球实验、博特和科尔霍斯特的计数测量实验，我们得出了一个结论：在这些射线中，只有极少一部分是以光子的形式存在(就像普通的光那样)，但相当数量的辐射可能是以轻原子或轻原子核构成。

特别值得一提的是，某些宇宙射线能量惊人。用电子伏作为能量单位的话，一个氢原子的燃烧能释放大约两电子伏的能量。镭辐射出α粒子时，会释放200万电子伏的能量。然而，宇宙射线的能量高达百亿电子伏。如此惊人的能量从何而来？在这个问题的答案里，或许隐藏着宇宙如何形成的秘密。

二、X射线之星

撰文里卡多·贾科尼(Riccardo Giacconi)

2002年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1967年12月《科学美国人》

星际空间里，充斥着各个波段的电磁辐射，从超短波的伽马射线和X射线，到波长很长的无线电波，无所不包。但是，由于我们的大气层屏蔽掉了大部分波长的宇宙射线，它们中能到达地球表面的只是很少一部分。特别是对波长短于2 000埃(1埃=10-10米)的电磁辐射来说，地球大气是一层不可穿过的障碍。因此，科学家只能用气球或火箭，将探测仪器送到大气层之外来探测来自宇宙的X射线。

随着火箭发射越来越频繁，将仪器送到太空的机会也越来越多，美国麻省理工学院的布鲁诺·B·罗西(Bruno B. Rossi)建议，对天空中的X射线进行扫描，而我们这个来自美国科学和工程公司(American Science and Engineering)的研究团队，就承担了这项任务。

1962年6月18日，载有探测仪器的Aerobee探空火箭在美国白沙导弹靶场发射升空。这项实验是在罗西的帮助下，由我和赫伯特·古尔斯基(Herbert Gursky)、F. R. 泡利尼(F. R. Paolini)一起合作准备的。在火箭到达最大高度225千米之前，火箭会在一个特定时刻将舱门打开，暴露出探测仪器。随着火箭沿自身轴向旋转，探测仪器就能扫描120度张角的带状天区，其中包括月球的方向。

来自探测仪器的遥测信号显示，仪器没有探测到任何来自月球的X射线辐射。然而，在南方天空的天蝎座方向上，探测仪器发现了一个很强的X射线源。根据计数器的记录，这个X射线源的强度是人们预料中的、来自任何遥远宇宙射线源的(根据太阳X射线辐射强度估算)100万倍。

对数据进行了三个月的仔细研究后，结果证实上述辐射确实是X射线(波长为2到6埃)，来自于太阳系外，射线源大约在银河系中心的方向。究竟是哪一种天体能够辐射出如此高能的X射线流呢？

我们又在一年中的不同时段进行了两次火箭探测(1962年10月，以及1963年6月)，利用三角测量法缩小了这个强X射线源的位置范围。我们发现，其实它并不在银河系中心。同时，美国海军研究实验室的赫伯特·弗里德曼(Herbert Friedman)及其同事，成功将该射线源定位在了2度弧(2度圆心角所对应的弧长)的天区范围内，这意味着该X射线源是一颗单独恒星，而不是大量恒星的集合。

现在，该射线源是一个独立天体的证据已经很充分了，所以我们将它命名为Sco X-1(取自天蝎座，Scorpius)。人们或许会想，能以X射线的形式辐射出如此多的能量，该天体应该是清晰可见的，至少也应是一颗相当明亮的恒星。然而，那一天区里并没有什么显眼的恒星。

接下来的任务就是，从已确定区域里的那些可见的恒星中，找出X射线星。Sco X-1的位置已经被缩小到了1度弧的范围内，在那一区域的天空里，每平方度(半径为R的球体上，面积为π2R2/1802)的天空里约有100颗13等星。在对新获得的数据进行了详细分析后，我们得到了更精确结论：目标恒星必定位于两处候选位置中的一个。

根据这一结果，日本东京天文台、美国威尔逊山天文台和帕洛玛天文台将望远镜对准了那两个方向，希望找到Sco X-1。东京天文台的天文学家立即发现了这颗X射线星。一个星期之内，帕洛玛天文台证实了这一发现。

现在，科学家可以用光学天文望远镜来观测Sco X-1了，它那令人震惊的新特性也逐渐展露在了我们面前。最令人震惊的事实是，这颗恒星辐射出的X射线的能量，比其发出的可见光的能量高1000倍，这是天文学家们没有想到的，因为根据对已知多种恒星的了解，这种情况是不应该出现的。有迹象表明，Sco X-1辐射出的X射线的能量，相当于太阳在所有波段上辐射出的能量的总和。

三、解密超新星爆发

撰文汉斯·A·贝蒂(Hans A. Bethe) 杰拉尔德·布朗(Gerald Brown)

贝蒂是1967年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1985年5月《科学美国人》

超新星爆发是从恒星坍缩(即向心聚爆)开始的。那么，它又是怎么改变方向，将大部分的恒星质量向外抛射出去的呢？在某一阶段，恒星物质的向内运动肯定会停止，然后反向运动，由向心聚爆转变成向外爆发。

结合计算机模拟和理论分析，关于超新星爆发机制的整套理论开始慢慢浮出水面。看起来，反转过程中的关键步骤是形成了向外传播的冲击波。

当恒星核心的密度达到原子量级时，坍缩会突然停止。这会在恒星核介质中引发朝着反方向传播的声波，就像锤头砸到铁砧上时锤柄产生的振动。当声波从均匀的恒星核心传播出来时，声波的传播速度会逐渐减慢。这由两个原因造成，一是由于它的局部速度降低；二是它在迎着越来越快的坍缩物质“逆流而上”。到达音速点(传播速度达到声速时所在的区域)时，声波完全停下来。同时，更多的物质还在不断向着恒星核心的核物质硬球坍缩，激发更多的声波。在几分之一毫秒的时间里，声波在音速点汇聚，不断产生压力。坍缩物质通过音速点时，这种压力延缓了物质的坍落速度，造成了速度断层。这种不连续的速度变化触发了激波。

在恒星核心，向内坍缩的物质落到“硬球”的表面后急停，但不是瞬间完全停止。动量会让坍缩超越平衡点，让核心密度达到甚至超过原子核的密度，我们把这一时间点称作“最大压缩”时刻。在最大压缩之后，核物质会反弹回去，就像一个被压缩了的橡胶球。这种反弹会产生更多的声波，汇入不断增强的激波里。

激波有两个特性与声波不同。首先，声波不会对媒介造成永久性的影响，声波通过之后，物质就恢复到先前的状态。而激波的通过会导致密度、压力和熵的巨大变化。其次，正如其名，声波以声速传播，而激波的速度更快，速度值由波的能量决定。因此，一旦音速点上累积的压力形成了激波，向内坍缩的物质就无法把激波限制在音速点了，它会不断向外传播，直达恒星外层的物质。计算机模拟的结果表明，激波的传播速度很快，在30000千米/秒～50000千米/秒之间。

恒星外层发生爆炸后，恒星核的命运仍不甚明了。据推测，较轻恒星的爆发会留下一个稳定的中子星。根据威尔逊的计算，超过20个太阳质量的恒星将会留下一个超过两个太阳质量的致密残骸。这种残骸会成为一个黑洞，里面物质的密度会被压缩到无穷大。

四、宇宙中的生命

撰文史蒂芬·温伯格(Steven Weinberg)

1979年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1994年10月《科学美国人》

正如我们所知，物理学里面有那么几个参量，如果其中任何一个的数值发生了哪怕一丁点儿改变，生命就不可能出现。这些参量中，最著名的是碳12原子的一个激发态的能量。在恒星内部生成重元素的一系列核反应中，有一个必要环节。在这个环节里，两个氦原子核相结合，形成不稳定的铍8原子。在发生裂变之前，铍8原子有时会再吸收一个氦原子核，这就形成了处于上述激发态的碳12原子。接着，碳12原子核会辐射出一个光子，衰变到最低能态的稳定态。在接下来的核反应里，碳结合成氧和氮，以及生命必需的其他重元素。但是，铍8原子捕捉氦原子的过程是一个共振过程，反应速率随着参与反应的原子核的能量而变化，能量过高或过低都不利于反应进行——如果碳12原子的那个激发态的能量高那么一点点的话，它的产生率就要低很多，从而导致铍8原子核在碳形成之前，就可能裂变成了氦原子核。那样，宇宙将几乎全部由氢和氦构成，不会有生命元素存在。

自然常数需要精确到何等程度才能让生命出现，科学家的意见并不统一。碳12的那个激发态的能量为何如此接近共振能量，也有另外的解释。但是，有一个常数似乎确实需要超乎想象的精细调节：这就是真空能，或者说宇宙学常数，它同宇宙膨胀相关。

虽然我们无法计算真空能的大小，但我们能够算出产生真空能的那些能量的大小(例如引力场里量子涨落的能量，量子涨落尺度大小不低于约10-33厘米)。根据我们对目前宇宙膨胀速度的观测结果，真空能有一个上限，而产生真空能的那些能量的总和，要比真空能的上限值大120个数量级。如果对真空能有贡献的那些能量没有相互抵消的话，根据真空能总量的计算，那么在生命出现之前，宇宙可能已经进行完了一次膨胀和收缩的循环，或者膨胀速度太快，以至于不可能形成星系或恒星。

因此，任何形式生命的存在，似乎都需要那些对真空能有贡献的能量彼此相消，而且抵消程度要精确度到小数点后约120位。或许，这种相互抵消将来能得到某种理论的解释，但到目前为止，在弦理论和量子场论中，真空能都含有任意常数，它们必须得到精细调整，以使总真空能足够小，让生命有可能存在。

其实，我们无需假设在基本自然法则或初始条件中，有某些生命或意识在扮演关键角色，上述问题就能得到解释。或许，我们现在所称的自然常数在宇宙的一个部分和另一个部分里并不相同(在这里，“宇宙的不同部分”可以有多种理解，例如可以指宇宙膨胀的某个阶段不同的扩张区域，在这些区域中，各种普遍存在的场取值不同；或指在某些量子天文学研究所提出的不同的量子力学“世界线”)。如果确实如此，那么在宇宙的某些区域中可能发现生命(即便在大部分区域里都没有)，也就不令人吃惊了。

任何进化到可以测量自然常数这个程度的生物，都会发现这些常数的值恰好允许生命存在。在宇宙其他区域，这些常数可能有其他的数值，但那里没有人去测量。不过，这并不是说生命在基本的自然法则中起着某些特殊作用，就像太阳有一颗能孕育有生命的行星，但并不代表生命在太阳系的形成过程中也会起作用一样。

五、粒子与原子物理：光是什么？

撰文欧内斯特·O·劳伦斯(Ernest O. Lawrence)， J·W·毕姆斯(J. W. Beams)

劳伦斯是1939年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1928年4月《科学美国人》

光是最人们熟知的物理存在。我们都了解它的许多特性，而对于物理学家来说，光显示出的不可思议的性质还要多得多。虽然，我们对光学效应的了解已经很多，但光究竟是什么，还没有令人满意的解答。

两个多世纪前，牛顿认为光的本质是粒子，是由飞行于空气中的小“飞镖”组成。其他一些人将光归于波动，就像波浪在水中传播那样，光波也在遍布宇宙的一种介质中传播，这种介质叫作“以太”。随即，在关于光到底是什么这个问题上，持不同观点的科学家展开了一场激烈的争论。当一些新实验揭示出光的更多特性后，人们发现波动理论能解释许多粒子假说无法解释的现象。

随着时间的推移，更多关于光与物质相互作用的现象被接连发现。在这些现象中，很多都无法用波动理论来解释，这就迫使科学家将注意力转向牛顿提出的“光的粒子假说”。近期的观测结果表明，光束所包含的能量值是一个最小单位(一个光量子)的精确整数倍，正如物质看起来像是由物质粒子的精确整数倍组成，电量是电子的整数倍一样。因此，光也是粒子化的，正如物质和电量是粒子化的一样。

在现代光量子理论中，有一个看起来非常奇特的事实，即该理论的研究对象自身——光量子——恰恰是完全不清楚的。

量子自身的物理特性也是一个问题：它们的长度是一米，一千米还是一厘米？或者说，它们的尺度无限小？许多实验似乎都说明，光量子的长度至少在一米左右，但根据过去的观测，很难推导出确定的结论。光量子的空间尺度仍旧是个谜。

至少有一种途径可以用来测量光量子的长度，只要该设想可以付诸实践的话。从本质上来说，可以这样做：假设你有一个遮光板，能够以任意速度阻挡或放行光线。这样的器件应该能将一束光切成一段一段，就像用刀切香肠一样。显然，如果切出的一段光线比光量子短，那么经过遮光板的短暂闪光就只含有一个光量子的一部分。实际上，该装置会将光量子掐头或去尾。部分光量子的能量不足以将电子从金属表面轰击出来，需要整个光量子才行。所以，我们可以通过观察在短到什么程度，就不能产生光电效应，从而给出光量子的长度上限。

即使对机械知识不熟悉的人也能想到，任何一种机械遮光板都不可能以这种速度工作。然而令人高兴的是，自然赐予物质的不仅仅有纯机械的性质。利用某些液体的特殊光电性质，科学家构想了一种类似遮光板的设备，能在百亿分之一秒内打开或关闭。通过这种设备，科学家制造出极为短暂的闪光，轰击在灵敏的光电池上，结果发现电池对设备制造的最短闪光也能作出反应，长度只有几英尺(1英尺约合0.3米)。

这个简单的观测实验的重要性怎么评价都不过分，因为它明确显示了光量子要比数英尺短，或许光量子的空间尺度只有极微小的一点点。

六、原子核的结构

撰文玛丽亚·G·迈耶(Maria G. Mayer)

1963年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1951年3月《科学美国人》

将原子作为一个整体，并以我们的行星系统为参考——近代物理学家提出了一个描述原子的模型：原子由一个位于中心的、相当于太阳的原子核，以及在特定轨道上围绕原子核运行的卫星电子构成，就像行星一样。虽然还有很多问题有待解决，但该模型已能解释许多我们观测到的电子行为。然而，人们对原子核本身却知之甚少，甚至对于原子核中的粒子是如何结合在一起的这个问题，都还没有一个令人满意的答案。

最近，一些物理学家(包括作者本人)，提出了一个非常简单的原子核模型，将原子核描绘成壳层结构——就像整个原子的结构那样，核里的质子和中子以特定的轨道(或称为壳层)聚集，正如原子里面，电子束缚在原子核周围一样。对于原子核的构成及其核内粒子的行为，我们所知的很多现象都能用这个简单的模型来解释。

质子和中子的一些特定组合，在性质上具有非常明显的模式，而我们有可能弄清这些模式。正是因为这些模式，我们才提出了原子核的壳层模型。一个惊人的巧合是，原子核内的粒子也像电子一样，偏好某些特定的“神秘幻数”。

每一种原子核(除了氢原子，它就是一个单独的质子)都能用两个数字来描述：质子数和中子数。这两者之和就是该原子核的原子量。质子数决定原子的性质，所以拥有两个质子的原子核必定是氦，拥有三个质子的是锂，以此类推。然而，一定数量的质子可以与不同数量的中子结合，形成同一种元素的多种同位素。这里，有一个非常有意思的事实，即质子和中子喜欢以偶数的方式结合；换句话说，和电子一样，质子和中子都显示出强烈的配对趋势。已知所有元素的全部约1000种同位素里，只有不超过6种稳定原子核是由奇数个质子和奇数个中子构成的。

除此之外，以特定偶数聚集的质子或中子尤其稳定。“神秘幻数”之一是2。由两个质子和两个中子构成的氦原子核是已知最稳定的原子核之一。另一个“神秘幻数”是8，代表着氧原子核，它的一个常见同位素具有8个质子和8个中子，十分稳定。还有一个“神秘幻数”是20，对应着钙。

“神秘幻数”包括：2、8、20、28、50、82以及126。具有这些数目的质子或中子的原子核都具有非同寻常的稳定性。这强烈暗示着，“神秘幻数”代表着原子核里的壳层都是满的，就像原子外层的电子壳层结构一样。

这个壳层模型还可以解释原子的其他特征行为，比如“同质异能”(isomerism)现象，即原子核长期处于激发态。或许，该模型最重要的应用是对β衰变(即原子核辐射出电子)的研究。原子核会不断释放出电子，导致原子核内粒子的自旋发生变化。目前，还没有一个理论能很好地描述β衰变，因为自然界只有少量的放射性原子核，因此想检验这些理论正确与否并不容易。壳层模型能够帮助解决这个问题，因为它能在不做测量的情况下预测自旋。当然，这个简单模型无法给出关于原子核结构的完整而准确的描述。即便如此，该模型还是成功地描述了原子核的众多性质，说明它是描述真实世界的一个不错的理论。

七、反质子现身

撰文埃米利奥·塞格雷(Emilio Segrè) 克莱德·E·威甘德(Clyde E. Wiegand)

赛格雷是1959年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1956年6月《科学美国人》

25年以前，基于相对论和量子力学中最基本的原理，英国剑桥大学的狄拉克(P.A.M. Dirac)提出了一个方程，以量化的方式描述了电子的许多性质，只须代入电荷、质量以及自旋值，就能准确推导出电子的磁矩以及它在氢原子里的行为。然而，狄拉克发现，这个方程不仅需要带负电的电子，还需要带正电的电子(正电子)存在。换句话说，它不仅描述了已知的带负电的电子，而且还引入了一种完全对称的粒子，它与普通电子完全一样，只是电荷为正而非负。

在狄拉克作出预言数年之后，在宇宙射线通过云室产生的粒子之中，美国加州理工学院的卡尔·D·安德森(Carl D. Anderson)发现了正电子。这一发现促使物理学家投入到一段全新而艰难的旅程，开始寻找另一种假想粒子。最终，他们的努力在几个月之前得到了回报。

经过微小的修改，狄拉克的基本方程应该还适用于质子。在这种情况下，方程同样预言了质子的反粒子——反质子的存在。它与质子一模一样，只是带电为负而非正。

这时，一个问题浮现出来，需要多高的能量才能在实验室里用加速器制造出反质子？因为反质子只能与质子成对地制造出来，所以我们至少需要相当于两个质子质量的能量(即约20亿电子伏)。但真正准备实验的话，我们需要比20亿电子伏高得多的能量。要想将能量转化为粒子，我们必须使能量聚集到一点；通过让高能粒子撞向靶子是实现这一目标的最好途径，例如让两个质子对撞。撞击之后，我们应该有4个粒子：两个先前的质子，外加一对新制造的“质子—反质子对”。碰撞出的这4个粒子中，每一个都具有约十亿电子伏的动能。所以，产生一个反质子需要20亿电子伏(生成“质子—反质子对”)加上40亿电子伏(四个产物粒子的动能)的能量。美国加利福尼亚大学的高能质子同步稳相加速器就是根据这些数值设计建造的。

当高能质子同步稳相加速器用60亿电子伏的质子轰击铜靶之后，接下来的任务就是探测并识别生成的任何反质子。一种搜寻方案是由本文作者、欧文·张伯伦(Owen Chamberlain)和托马斯·伊普西兰蒂思(Thomas Ypsilantis)提出的，他们利用了3个便于确定的特性。首先，粒子的稳定性意味着它的寿命应该足够长，能够穿过长长的仪器；其次，粒子经过外加磁场时，它们的偏转方向可以反映粒子的带电性，因此通过这一点，就可以判断出反质子的负电性。最后，在磁场强度和粒子速度已知的情况下，反质子的质量可通过它的运行轨道的弯曲度计算出来。

到去年10月宣布反质子的发现时，上面的三位科学家已经记录了60件事例，平均产生率大约相当于每运行高能质子同步稳相加速器一小时，就能发现4个反质子。这些反质子都已通过了我们在实验前预先设定的所有测试。一位刚刚完成了一项重要且困难的介子实验、拥有很高声望的同行对这项发现的评价让我们十分开心。他在检查了我们的实验之后说：“我希望自己的µ介子实验也能够像这个实验一样令人信服。”

至此，那些一直打赌反质子存在的人开始得到回报了，我们知道的最大赌注是500美元(我们自己倒没有参与)。

八、希格斯玻色子存在吗？

撰文马蒂纳斯·J·G·韦特曼(Martinus J. G. Veltman)

1999年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1986年11月《科学美国人》

希格斯玻色子是以英国爱丁堡大学的彼得·W·希格斯(Peter W. Higgs)的名字命名，这种粒子是标准模型中最重要的缺失部分。标准模型是描述物质基本构成，以及各成分间基本相互作用力的主流理论。根据标准模型，所有物质都是由夸克和轻子构成，它们彼此之间通过4种力相互作用：引力、电磁力、弱力和强力。举例来说，强力将夸克束缚在一起形成质子和中子，构成原子核；电磁力将原子核和电子(轻子的一种)“绑”在一起，形成原子，剩余的电磁力再将原子组合成分子；弱力在某些原子核衰变中起作用。弱力和强力仅在很短的、不超过原子核半径的范围内起作用；引力和电磁力的作用范围无穷大，所以它们最为人们所熟知。

尽管对标准模型知根知底，我们仍有理由任务它还不完备，这时就轮到希格斯玻色子出场了。具体来说，标准模型需要希格斯玻色子赋予自己在数学上的完整性，使它的适用能量范围虽然超越了现有粒子加速器的能力，但很快可由未来加速器实现。除此之外，希格斯玻色子被认为是所有基本粒子的质量之源——从某种意义上说，粒子通过“吞食”希格斯玻色子来获得质量。

希格斯玻色子的一大缺陷是，科学家到目前为止还未发现过它存在的证据(欧洲核子中心于2012年7月4日宣布，他们发现了一种符合希格斯粒子属性的粒子，并且有极高的可信度)。相反，有很多间接证据已经暗示，这种神秘粒子其实并不存在。的确，近代理论物理学在不断向真空中添加希格斯玻色子之类的、五花八门的新玩意儿，让人们觉得在晴朗的夜空中还能看到星星是多么不可思议！虽然，未来的加速器或许能找到希格斯玻色子存在的证据，并且证明假设存在的原因是正确的，但我仍坚信事情并不是那么简单。我必须指出，这不意味着整个标准模型都是错误的。相反，标准模型很可能只是对真实世界的一个近似反映——尽管已经很接近真实世界。

通过在高能物理实验室进行的散射实验，人们可以研究基本粒子间的相互作用。例如，一束电子能被质子散射。通过分析入射粒子的散射模式，就能获得关于相互作用力的信息。

电弱理论成功预言了电子与质子相互作用的散射模式，也同样成功预言了电子同光子、W玻色子(传递弱场的粒子)和中微子的相互作用。然而，该理论在试图预言W玻色子彼此之间的相互作用时遇到了困难。特别是从该理论出发可以得出，在足够高的能量下，一个W玻色子被另一个W玻色子散射的几率大于1。这样的结果显然有悖常理，相当于说即使一个人向靶子的相反方向扔飞镖，仍能正中靶心一样。

就在这时，“救星”希格斯玻色子出现了。希格斯玻色子同W玻色子以某种方式耦合，能让散射几率回落到允许的范围：0到1之间的一个固定值。换句话说，将希格斯玻色子引入电弱理论后，“消除”了不合理的结论。

了解了希格斯玻色子是让电弱理论重新变得正常的关键之后，就很容易理解应该如何搜寻这种难以捉摸的粒子了：W玻色子必须要以极高的能量(等于或大于一万亿电子伏)相互散射。这一能量能在规划中的“超导超级对撞机”上达到，它可以实现20TeV能量的对撞。美国正在考虑建造它。如果粒子的散射模式与重整后的电弱理论相符，那么必定存在一个抵消力，而希格斯玻色子就是一个最明显的候选者。如果模式与预言不符，那么W玻色子之间就很可能是强力相互作用，这将开辟一个全新的研究领域。

九、技术应用：光学激光器引领信息革命

撰文亚瑟·L·肖洛(Arthur L. Schawlow)

1981年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1961年6月《科学美国人》

至少半个世纪以来，通信工程师都梦想拥有一种设备，能像产生无线电波那样高效、精确地产生光波。一个普通白炽灯泡辐射出的电磁波的纯度，同无线电波发生器产生的电磁波相比，简直有天壤之别。电磁振荡器产生的无线电波的波长，限制在很窄的电磁波波段，“噪音”很低，可以用作信号载波。相反，所有传统光源基本上就是“噪音”源，除非以最粗略、原始的方式用作信号，这类光源几乎不适合做任何事。然而就在去年，随着光学激光器的出现，精确控制光波的产生成为可能。

虽然光学激光器只是刚刚出现，但它们已经产生了极高强度且高度定向的光束。与来自其他光源的光束相比，这种光束的单色性要好得多。

光学激光器是全新的光源，需要一些想象力才能预测它的潜在应用。当然，信息传递是最显而易见的应用，这个方向的应用获得的关注也最多。虽然自古代以来，人类都在使用光线来传递信号，但由于自然光源的强度很弱，“噪音”很大，使它的应用受到了限制。我们可以把普通光束看做一种纯净的、均匀的载波，只是光源里的那些一个个原子会随机发出光脉冲，变成“噪音”。但光学激光器能够提供几乎理想的均匀波，除了人工加入的信号外，没有任何噪音。

如果能找到合适的调制方法，相干光波(频率、振动方向和相位差都相同的两列波)应该能够携带海量信息。因为光的频率很高，即使在可见光范围内一个很窄的波段里，一秒钟也会包含数量巨大的振荡周期。光波能传递的信息量与每秒的周期数成正比，因此也同波段宽度成比例。在传播电视信号时，载波带有的信号具有400万个周期的有效频宽。一个光学微波激射束完全能够携带一个频率(或者说频宽)为1000亿个周期的信号。当然，前提是能找到生成这种信号的途径。具有这一频率的信号能够携带的信息量，相当于现在所有无线电通信频道的总和。必须承认，没有光束能够很好的穿透雾、雨或雪，因此想要在实际的通信系统中应用，光束必须被封闭在管道里。

十、拦截导弹

撰文汉斯·A·贝蒂(Hans A. Bethe)，理查德·L·加温(Richard L. Garwin)，库尔特·戈特弗里德(Kurt Gottfried)，亨利·W·肯德尔(Henry W. Kendall)

1967年诺贝尔物理学奖得主(贝蒂)，1990年诺贝尔物理学奖得主(肯德尔)

本文刊登于1984年10月《科学美国人》

去年，美国总统罗纳德·里根在电视演讲里，号召全美科学界“给予我们新技术，放弃这些老旧无用的核武器”，表达了对技术革命的渴望，希望新技术的出现，能让美国有能力“在战略弹道导弹落到我们或者盟国的土地上之前，对导弹实施拦截。”

有能够消除核灭绝威胁的弹道导弹防御系统吗？

我们对弹道导弹防御系统前景的分析，将集中在助推阶段的拦截上。

助推阶段的拦截需要许多非武器的设备原件。我们通过探测助推器喷出的火焰，提供早期的攻击预警。在确定来袭导弹的数量、运行轨迹及其型号(有可能的话)之后，锁定它们，然后就准备、瞄准并发射拦截武器，并且评定此次拦截是否成功，接着发射下一轮拦截武器(如果时间允许)。

为了摧毁助推器，我们必须在看到导弹之前，就开始进行拦截(如果等到发现它之后再拦截，就来不及了)。所以，防御系统必须从数千千米高的太空中开始助推器阶段的拦截。为此，目前有两种“定向能”武器(高度精准的武器)正在研发中：一种是利用激光束，它的速度是光速(300000千米/秒)；另一种是粒子束，速度也差不多和光速一样快。目前，人们已经设计出了一种能够追踪助推器红外信号的防爆弹。

此外，其它拦截方案，包括化学激光武器、中性粒子束武器和自动追踪武器，都必须要安置在地球低轨道上。

目前，最亮的一种激光是，由氟化氢化学激光器产生的红外激光束。美国国防部计划，于1987年底之前展示一部两百万瓦特功率的这种激光器。假设人们目前已经拥有2500万瓦特功率的氟化氢激光器，以及性能完美的10米直径反光镜。这就相当于得到了一种具备3000千米“杀伤半径”的武器。如果每一部激光器都能发挥其最大功效，那么，300部位于低轨道上的这种激光器，就能够摧毁1400枚洲际弹道导弹的助推器。

粒子束武器发射的高能带电粒子束，能够钻进导弹弹体深处，扰乱其导航系统中的半导体元件。然而，这些带电粒子束会受到地球磁场的影响，运动轨迹发生弯曲。也就无法精确瞄准远距离目标。因此，人们需要制造出中性粒子束。此外，攻击导弹可以使用具有极强抗辐射能力的砷化镓半导体(它的抗辐射能力比硅半导体强1000倍)，以保护导弹的导航计算机免受损伤。

十一、对时间的精确测量

撰文韦恩·M·板野(Wayne M. Itano)，诺曼·F·拉姆齐(Norman F. Ramsey)

拉姆齐是1989年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1993年7月《科学美国人》

随着捕捉、冷却原子和离子的新技术出现，我们完全能够让时钟比现有的水平精确1000倍。

最有希望的一种方案是利用被捕捉的带电离子的共振频率。被捕捉的离子能够悬浮在真空中，所以它们几乎完全不受外界干扰，也不会同其他离子或者器壁发生碰撞。

捕捉带电离子两种“陷阱”。“潘宁阱”利用非均匀静电场和均匀静磁场的组合束缚住离子；在射频阱(通常称为“保罗阱”)则用振荡的非均匀电场束缚离子。惠普公司、喷气推进实验室，以及其他地方的研究人员研制出了使用保罗阱的标准实验装置。被捕捉的“猎物”是汞199离子，其最大Q值(Q代表粒子的稳定性，Q值越高，稳定性越好)标准超过了1012。这一数值比当前铯束原子钟的Q值高10000倍。

中性原子捕捉和冷却比捕捉离子更困难，在过去几年里，它的技术取得了很大进展。其中的激光冷却技术使用的是沿三条互相垂直的路径上传播的三对相向激光束，特别有效，可以使任何运动方向的原子慢下来。研究人员受此启发，设计出了“光学粘胶(optical molasses)”。与离子阱相比，中性原子阱能够储存的原子密度更高。这是由于离子带电，会因相互排斥作用而保持距离。在其他参数相同的情况下，原子越多信噪比越高。

使用中性原子作为频率标准的主要障碍是，原子在阱里的共振会受激光场的强烈影响。现在，一种被称作“原子喷泉”的器件克服了这一难题。在一些样品原子被阱捕捉并冷却后，它们被向上推，进入没有激光的区域；然后，原子会由于引力的作用再落回来。在向上、向下的运动路径上，原子都会经过振荡的场。通过这种方式，共振转换被激发，就像位于不同振荡场束的器件一样。

阱里的激光冷却离子是目前研究的热点，它是一种光学共振，频率高达数千吉赫兹(吉：十亿)。因为它Q值很高，这种标准为精确时钟提供了很有前景的基础。美国国家标准及技术研究所的研究人员，在单激光冷却被捕捉离子的紫外频段共振振荡上，观测到了高达1013的Q值。这个数值是迄今为止，光学或微波原子振荡中发现的最高Q值。

对时钟准确度的期望越高，越能促使我们优化当前的技术。这将打开通往新功能的一扇门。也许只有时间能告诉我们这些新功能是什么。

十二、碳元素的奇妙王国

撰文安德烈·K·海姆(Andre K. Geim) 菲利普·金(Philip Kim)

海姆是2010年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于2008年4月《科学美国人》

每当用铅笔在纸上画上一道，纸面上留下的痕迹里面就包含些许当下物理学和纳米技术领域最热门的新材料：石墨烯。石墨，即铅笔里的芯，是纯碳的一种形式。它由平的、一层层堆砌起来的碳原子构成，石墨烯是对其中一层原子的称呼。它由不断重复的六角形网状结构的碳原子构成，厚度仅为一个原子。它不仅是所有材料中最薄的，还十分牢固坚硬。此外，它在纯态、室温下传导电子的速度比任何其他物质都要快。目前，世界各地实验室的工程师们都在研究这种物质，以确定它是否能被用来制造智能显示器、超高速晶体管以及“量子点”计算机。

另外，石墨烯在原子尺度上的奇异特性，还可以帮助物理学家们深入研究那些必须用相对论量子物理描述的现象。在这以前，对此类现象进行研究，一直都是那些使用着价值数百万美元的望远镜或粒子加速器的天文物理学家和高能粒子物理学家们的“专利”。石墨烯的出现，使实验物理学家们用实验室里的小型仪器就能测试那些相对论量子力学预言了。

石墨烯的这两个特点使其成为一种独特的材料。首先，虽然它是以相对原始的方法生产出来的，但石墨烯的结构却非常完美。这是由于其含有的高纯碳，以及碳原子排列成的晶格高度有序性的共同结果。至今，研究人员还未发现石墨烯里面有一个原子缺陷——比如，晶格某些原子位上存在空缺，或者哪个原子的位置不对。这种完美的晶体结构秩序似乎来自于虽牢固却可高度曲弯的碳原子间的化学键，进而让它成为一种比钻石还坚硬，同时在施加外力时又可以平面弯曲的物质。它的高质量晶格还赋予了石墨烯极高的导电性。它里面的电子能够自由运动，不用担心会被晶格缺陷和外来原子散射出去。

石墨烯的第二个独有特性是，它的导电电子运动速度比那些穿过普通金属和半导体里的电子要快得多，仿佛质量比它们轻许多。实际上，石墨烯里的电子(或“电荷载体”)是一种奇妙的东西，属于由类似相对论量子力学等理论规则支配的神奇世界。石墨烯固体里的这种相互作用是独一无二的。由于石墨烯的出现，相对论量子力学不再局限于宇宙学或高能物理学中，终于走进了普通实验室。

有一个研究方向特别值得提出，那就是基于石墨烯的电子器件研发。我们前面已经提到，石墨烯里的电荷载体运动速度很快，而且几乎不会同自身晶格里的原子碰撞、损失能量。这一特性可用来制造弹道晶体管，这是一种比现有晶体管响应速度快得多的超高频器件。

更诱人的是，石墨烯能帮助微电子工业延长摩尔定律的适用期。即使在纳米尺度上，石墨烯仍然具有出众的稳定性和电子导电性，我们可以用它制造尺度小于10纳米，甚至小到一个苯环尺度的单独晶体管。在不远的未来，我们或许可以在一片石墨烯上刻制出整个集成电路。

无论这个只有一个原子厚的奇妙物质未来前景如何，至少它在以后数十年必将仍是研究的热点。工程师们将继续努力把创新型的石墨烯副产品推向市场，物理学家们也将继续测试它奇异的量子特性。但是，最令人震惊的也许是，如此神奇的东西，竟然在普通铅笔里隐藏了几个世纪。

向前辈致敬！诺贝尔物理学奖的12个里程碑