科学他们为什么能一起获奖?诺贝尔物理奖历史上的“拼桌”( 四 )


科学他们为什么能一起获奖?诺贝尔物理奖历史上的“拼桌”
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玻恩(Max Born , 1882-1970)丨图源:ResearchGate
1923年起玻恩致力于研究量子论 , 他可以被作旧量子论的摧毁者 。 以玻尔原子模型为首的一批理论创造了量子力学的早期辉煌 , 这些理论现在被称为旧量子论 。 然而在20世纪20年代 , 旧量子论已经无法解释新发现的现象 , 比如氦原子光谱、反常塞曼效应等 。
1925年 , 年轻的海森堡创新地提出了量子力学的矩阵力学表述 , 当时海森堡可以说是玻恩的助教 , 玻恩发现这种表达形式与数学上的矩阵代数相一致 。 他们两人 , 再加上玻恩的学生约当(Pascual Jordan)合作发表了一篇论文 , 以严谨的数学形式全面系统地阐述了海森堡之前的提出的理论 , 正式宣告矩阵力学诞生 。 这项工作让海森堡在1932年独得诺奖 。
之后 , 玻恩又对量子力学的另一种表述形式——波动力学——作了重要补充 。 他完善了波函数的物理意义 , 提出了波函数的几率解释 , 这成为了后来波动力学被普遍接受的重要原因 。 提出波动力学的奥地利物理学家薛定谔和英国物理学家狄拉克一同分享了1933年的诺贝尔奖 , 玻恩再次无缘 。
为什么没和海森堡等人一同获奖 , 其实最直接的解释是 , 在20世纪30年代他只获得过3次提名 。 当时的物理学家低估了玻恩的贡献 , 认为他不足以和海森堡、薛定谔的贡献相比 。 而且玻恩本人也比较谦逊 , 他知道当时还有一批人不相信他的几率解释 , 其中就包括爱因斯坦 。 实际上这反映了科学界的一种复杂性 。 玻恩在极力推崇海森堡的同时 , 海森堡并没有给予同样的赞扬 , 反而长时间保持缄默 。 好在玻恩最终还是获得了诺奖 , 而他出色的学生约当永远和诺奖失之交臂了 。
1954年分享另一半奖金的是一项实验技术 , 博特发明的符合法用于探测电离辐射的粒子探测器 , 新的方法大幅提高了计数的效率 。
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博特(Walther Bothe , 1891-1957) 图源:Nobel Prize
1908年 , 德国物理学家盖革(Hans Geiger)和英裔新西兰物理学家马斯登(Ernest Marsden)在卢瑟福的指导下进行了盖革-马斯登实验(金箔实验) , 由此发明了一种能记录带电粒子数量的计数管 , 当带电粒子穿过计数管时 , 里面的气体会被电离从而导电 , 产生一个脉冲信号 。 1924年博特改进了实验设计 , 他把两个计数管连在一起 , 并接入一个逻辑电路(符合电路) 。 若两个计数管内同时发送了脉冲 , 则输出信号 , 表明事件是同一个粒子造成 , 或是粒子运动足够快可忽略两管之间的移动时间 , 这种方法就是符合计数法 。
通过符合法可以选择特定方向运动的粒子 , 因此在测量宇宙射线的研究中得到广泛应用 , 尤其是在1930年左右相关重要发现都用到了符合法 。 另外 , 前面提到的康普顿获得诺奖 , 其实也要感谢博特的工作 。 博特和盖革用符合法验证了康普顿散射过程中光子和反冲电子同时出现 , 每次碰撞中的能量和动量守恒 , 而非只是统计意义上 。 这对量子力学的发展具有深远意义 , 如今符合法在量子光学领域是常用的方法 。
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一台早期的盖革计数器丨图源:CBS
为什么要把他们俩放在一起得诺奖 , 那一定都是跟量子力学的未来有关 , 尽管对非专业人士来说看起来像是硬凑的 。 其实1955年的物理学奖也是两个不同的发现“兰姆位移”和“电子磁矩” , 但最终可以用同一个理论解释 , 即量子电动力学 。
两个方向硬凑
1978年的物理学奖可以说是硬拼凑的典型了 , 颁给了两个完全不同的方向 。 独享一半奖金的是苏联物理学家卡皮查(Pyotr Kapitsa) , 因“低温物理学的基本发明和发现”而获奖 。 另一半奖金由美国的两位工程师彭齐亚斯(Arno A. Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert .W. Wilson)获得 , 他们因为发现了宇宙微波背景辐射而获奖 。