百年诺贝尔物理学奖与现代物理学的发展

第24卷第2期浙江师大学报(自然科学版)Vol.24,No.22001年5月 JOURNALOFZHEJIANGNORMALUNIVERSITY(Nat.Sci.) May2001

文章编号:1001-5051-(2001)02-0161-05

百年诺贝尔物理学奖与现代物理学的发展a

李画眉

(浙江师范大学数理与信息科学学院,浙江金华　321004)

摘　要:根据诺贝尔物理学奖颁奖项目的成就,把现代物理学划分为原子分子物理学、理论物理学、原子核物理学、粒子物理学、凝聚态物理学、光学、天体物理学、无线电学这八大分支学科.以获奖项目研究的时间或获奖成果间的内在联系为主线,介绍这些分支学科在20世纪所取得的重大成就及其发展轨迹,进一步展望物理

学在21世纪特别是未来二、三十年的发展趋势.关键词:20世纪;诺贝尔物理学奖;现代物理学发展史中图分类号:O4-09 文献标识码:A

0　引　言

回顾20世纪百年的历程,发现物理学发生了

翻天覆地的变化,取得了辉煌的成就,同时也有力

地促进了整个科学技术的快速发展,推动着人类

文明的全面飞跃.诺贝尔物理学奖的建立和颁发

激励着成千上万的科学家向着科学高峰攀登,有

力地推动了物理学前进的步伐.诺贝尔物理学奖

的颁发史在相当程度上反映出20世纪物理学的

主要成就和物理学的发展情况,这为我们了解20

世纪科学技术的成就及科学对技术、社会的巨大

的促进作用找到了一个理想的坐标.同时,对预测

21世纪物理学的发展趋势也是一个理想的出发

点;而且,对物理工作者选定科研方向与科研项目

也有借鉴作用.笔者根据诺贝尔物理学奖的颁奖

成就按二级学科把物理学分为八大类,回顾原子

分子物理学、理论物理学、原子核物理学、粒子物

理学、凝聚态物理学、光学、天体物理学和无线电物理学在20世纪的发展轨迹及存在的问题,进一

步预测这些分支学科在21世纪的发展趋势.

1　原子分子物理学的发展(15次)

19世纪末,随着生产和技术的发展,特别是电力工业的发展,电气照明开始广泛应用,促使科

学家研究气体放电和真空技术,结果发明了阴极

射线.对阴极射线的广泛、深入地研究(1904年)

[括号中的年份为获奖时间,下同],导致世纪之交的三大发现[1]:X射线(1900年)、放射线(1903

年)、电子(1906年,1923年),从而动摇了经典物

理学的宏伟大厦,揭开了现代物理学革命的序幕,

使物理学的研究对象从宏观领域开始转入微观领

域.而电子和塞曼效应的发现(1902年),说明原

子具有内部结构.波尔在卢瑟福有核模型的基础

上,把普朗克的量子论引入到原子结构和原子辐

射上,建立了半经典、半量子化的原子结构理论

(1922年).而元素标识X辐射的发现(1917年),

X射线光谱学的研究(1924年)以及斯塔克效应

的发现(1919年)有力地支持了波尔的理论.泡利

不相容原理的发现(1945年)表明半量子化的原

子结构理论已发展到了顶峰.但要彻底解决原子

问题,唯有依靠量子力学.与此同时,分子物理方

面也取得了许多成就:氩元素的发现(1904年)、

范德瓦斯方程的发现(1910年)、沉积平衡的发现

(1926年)、理查森定律的发现(1928年).

原子分子物理学是微观世界的第一个层次,它的基础性强、应用面广,其发展推动了电子学和

a收文日期:2000-09-13　作者简介:李画眉(1965—),女(汉族),浙江东阳市人,浙江师范大学数理与信息科学学院讲师.研究方向:理论物理及物理学史.电子产业、光电子学和激光的诞生和发展,还形成

了量子化学、分子反应动力学、分子生物学和分子

天文学等一批交叉学科.预测在21世纪初在原子

分子激发态结构和动力学理论方面将有新的突

破.

2　理论物理学的发展(11次)

1900年,普朗克为了克服经典理论解释黑体

辐射规律(1911年)的困难,提出了能量子假设

(1918年),为量子理论奠下了基石.随后,爱因斯

坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾,提出了

光量子假设,并在固体比热问题上成功地运用了

能量子概念(1921年),为量子理论打开局面.

1913年,波尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念,对氢光谱作出了满意的解释,使量子论

取得了初步胜利.1914年,电子和原子碰撞定律

的发现(1925年),从实验上第一次证实了能量子

假设.光的波粒二象性于1916年和1923年先后

得到密立根光电效应实验(1923年)和康普顿X射线散射实验(1927年)的证实;1923年,德布罗

意提出了微观粒子的波粒二象性(1929年),经海

森堡、薛定谔、狄拉克、波恩等人的开创性工作,终

于在1925年-1928年建立了完整的量子力学理

论(1932年,1933年,1954年).而电子晶体衍射

现象的发现(1937年),证实物质波的存在.量子

力学是描述微观世界的基本理论,它能很好地解

释原子结构、原子光谱的规律、化学元素的性质、

光的吸收和辐射等.随后,狄拉克、海森堡、泡利三

人相继提出了关于辐射的量子理论,为量子电动

力学的建立奠定了基础.1947年,从实验上发现

兰姆移位,电子反常磁矩(1955年)向量子电动力

学提出了挑战,1948年-1949年,费曼、施温格和朝永振一郎用重整化理论发展了量子电动力学

(1965年).

量子力学和相对论是20世纪物理学的两大

基石,它们对物理学的每一个分支都产生了深刻

的影响,而且还促进了其它学科如化学、生物、宇

宙学的发展,并且直接影响了20世纪工业的发

展[2].目前,理论物理方面还有一个重要问题有待

解决,即如何将量子力学与广义相对论结合起来,

建立一个全新的量子引力理论,并在此基础上,解

决宇宙的起源问题,期望在21世纪初在这方面将

有所突破.3　原子核物理学的发展(11次)

自从1896年放射性物质被发现后,由此揭开

了研究原子核结构的序幕.1932年是物理学的丰

收之年,第一次实现了用人工加速的粒子使原子

核嬗变(1951年),发明了回旋加速器(1939年),.

只有在中子发现(1935年)后,原子核物理学才真

正从原子物理学中分离出来成为一门新的独立学

科.而中子的发现和加速器的发明,导致了一连串

的新发现:人工放射性(1935年化学奖),慢中子

效应(1938年),核裂变(1944年化学奖),从此打

开核能实际应用的大门.中子发现后,人们提出原

子核由质子和中子构成的理论,那么是什么力把

质子和中子束缚在这样一个小小的原子核内呢?

核力的微观机制又是什么?1935年,汤川秀树提

出了核力的介子理论(1949年).为了解释幻数现

象,1949年迈耶夫人和詹森提出核结构的壳层模

型(1963年),1953年,艾・玻尔等又提出核的集

体模型(1973年).由于核多体问题在数学上的处

理难度很大,对核力了解得还不很充分,现在核结

构理论仍处在不断发展之中.与此同时,核精密测

量技术也得到快速发展,诺贝尔物理奖曾3次颁

发给原子核磁矩的精密测量者(1943年,1944年,

1952年),1次颁发给穆斯堡尔效应的发现者和核

子结构的研究者(1961年).

原子核物理的发展,不仅直接推动粒子物理

的诞生和发展,而且也促进了原子能技术、同位素

与辐射技术等新技术的诞生.目前,可控热核聚变

研究还是核物理学和等离子体物理中的前沿课

题,预计在21世纪初期将彻底解决聚变中的两个

主要问题,即如何进一步提高等离子体的温度和

如何约束这些高温等离子体并进一步使聚变能从

实验阶段走向实际应用,最终解决能源问题.第二

个是核结构理论方面,预期将在21世纪建立一个

更完善的核结构理论,促进原子核物理的进一步

发展.

4　粒子物理学的发展(20次)

伴随着原子物理学和原子核物理学的发展,

粒子物理学逐渐被孕育出来.粒子物理学大致按

两条平行主线向前发展,一条是强相互作用理论,

另一条是弱相互作用理论[2].粒子物理学的建立与宇宙射线的研究是分不开的.为了寻找空气自动电离的原因,赫斯发现了162 浙江师大学报(自然科学版) 2001年宇宙射线(1936年).玻特发明了符合电路法,并

用此法证实宇宙射线是由带电粒子组成(1954

年).自从1932年中子(1935年)和正电子(1936

年)被发现后,人们提出了“基本粒子”的概念.特

别是由于高能加速器、云室(1927年,1948年)、照

相乳胶(1950年)、气泡室(1960年,1968年)等实

验仪器和探测技术的发明,导致了愈来愈多的“基

本粒子”的发现,例如L子、P介子、反质子(1959

年)等.到60年代初,已有三百多种基本粒子被发

现.为此,盖尔曼对基本粒子进行分类并提出强子

结构的夸克模型(1969年)、1967年,得到夸克存

在的第一个证据(1990年).1974年,丁肇中和里

希特分别发现了J/7粒子(1976年),证明存在

着第四种夸克-粲夸克,他们用的探测器是多丝正

比室,这是1968年由夏帕丝发明的(1992年).20

世纪70年代,建立了描述强相互作用的理论,即

量子色动力学.

为了解释B衰变中B能谱疑难,费米在泡利

中微子假设的基础上建立起弱相互作用的B衰变

理论.直到1953年,莱因斯等人才探测到中微子

(1995年),1962年,莱德曼等人又发现L子型中

微子;证实存在2种中微子(1988年).1975年,佩

尔发现了第三种轻子——轻子S(1995),证明轻

子有3种,中微子也有3种.1927年,威格纳提出

了宇称守恒原理(1963年).为了解释H-S疑难,

1956年,李政道和杨振宇提出在弱相互作用中宇

称不守恒假设(1957年),随后得到实验证实.

1964年,又发现了CP不守恒(1980年),促进了

弱相互作用理论的发展.20世纪60年代末,施温

格等人根据规范场理论,在对称性自发破缺概念

的基础上,建立了弱电统一理论(1979年).1983

年,发现了W±和Z°粒子(1984),使弱电统一理论

得到了直接的实验验证.1977年,韦尔特曼和霍

夫特解决了弱电统一理论的发散困难(1999年).

根据强相互作用理论与弱电统一理论的共同点,

人们提出了大统一理论,即把强、电磁和弱3种作

用统一起来,并预言物质的不稳定性(即质子可衰

变)和磁单极子的存在.大统一理论已经取得了一

些积极的成果,但还须进一步接受实验的检验,目

前仍处在不断的发展中.

此外,1950年和1960年,拉姆齐建造了铯原

子钟和氢原子钟(1989年);保罗等人发明了捕捉中性分子、原子和电子的方法(1989年),崔琦等

人在20世纪80年代发展了用激光冷却和捕获原子的方法(1997年).

20世纪粒子物理学得到蓬勃发展,但仍有一

些基本的问题有待解决.主要有:¹对称性破缺的

实质是什么?特别是物理真空“自发破缺”的机理?

寻找黑格斯子;º“夸克囚禁”之谜,进一步寻找单

个自由的夸克和胶子;»解决质子衰变问题及寻

找磁单极子,不仅可以检验大统一理论,而且对人

类认识宇宙也有重要意义;¼建立超统一理论,把

四种基本作用力纳入一个理论框架之中,期望在

21世纪早期,上述问题可以得到解决.

5　凝聚态物理学的发展(19次)

随着科学技术的发展,特别是低温技术的进

展,凝聚态研究硕果累累,成为当今最吸引人们注

意和最充满活力的科学前沿.从颁奖成就看,20

世纪凝聚态的发展可分为3条主线:低温和超导

物理的发展;晶体结构分析技术的发展;凝聚态物

理理论的研究.

1908年,翁纳斯首次液化氦气并于1911年

发现了超导电性现象(1913年),揭开了超导研究