125年來，物理學都取得了哪些突破性進展？Physical Review給你答案（上）

1913年，密立根通過油滴實驗證明了電荷量不能是連續值，只能是某個基本常數的整數倍，這就是我們今天所說的“元電荷”。值得一提的是，在當時的實驗條件下，密立根油滴實驗測得的元電荷數值與今天公認值的誤差不到0.5%。密立根因此獲得了1923年的諾貝爾物理學獎。

光究竟是粒子還是波？1923年，康普頓散射實驗告訴我們光具有粒子的特性：當X射線和伽馬射線被電子散射時，它們的動量減少了，這與經典電磁理論相違背，從而證實了光的粒子性。康普頓因此獲得了1927年的諾貝爾物理學獎。

德布羅意在理論上預言了物質波的存在，而在實驗上的證實工作則是由戴維森和革末完成的。1927年，他們用電子束轟擊金屬鎳的晶體，觀察到了清晰的干涉圖案，這是物質波存在的最好證明。德布羅意因此獲得了1929年的諾貝爾物理學獎。

昂薩格在兩篇論文中給出描述像熱傳遞這種不可逆過程的普適理論。在這套理論中昂薩格給出一組應用廣泛的倒異關系。例如，他們可以被用于預測熱電子和自旋電子器件的行為。昂薩格因此獲得了1968年的諾貝爾化學獎。

1932年，尤里、布里克韋德和墨菲發現了一種由一個質子、一個中子和一個電子組成的氫的同位素——氘。隨后在第二次世界大戰中，氧化氘，也就是我們現在所說的重水，被應用到核反應堆中。如今，氘被廣泛應用于核磁共振以及大量的化學實驗和粒子物理實驗。尤里因此獲得了1934年的諾貝爾化學獎。

通過觀察宇宙射線中未知粒子在云室中的軌跡，1933年，安德森發現了電子的反粒子——正電子。狄拉克曾預言每一種費米子都具有一個質量相同但電荷相反的反粒子，安德森的發現為這項預言提供了第一個證據支持。安德森因此獲得了1936年的諾貝爾物理學獎。

愛因斯坦、波多爾斯基和羅森構造出一個思想實驗旨在證明量子力學和定域實在性相沖突。后來的實驗通過驗證貝爾不等式不成立反而證實了量子力學的正確性。愛因斯坦、波多爾斯基和羅森在論文中論述了糾纏的性質，糾纏現在已經成為量子信息領域的基礎。

1938年，拉比和他的同事發現了核磁共振現象，并測量了分子束中的核磁矩。后來，布洛赫、珀賽爾和他的合作者將拉比的技術拓展到液體和固體的核研究，最終使核磁共振成像成為可能。拉比因此獲得了1944年的諾貝爾物理學獎，布洛赫與珀賽爾因此獲得了1952年的諾貝爾物理學獎。

在物理學家發現驚人的核裂變現象不到一年之后，1939年，玻爾和惠勒用液滴模型計算核裂變參數，計算結果與實驗非常吻合。這一模型的提出對原子彈和核電的發展至關重要。

1939年，貝特預言兩種產物為氦的核反應可能是恒星動力的來源：氫的聚變和碳—氮循環。九年后，貝特、艾弗和伽莫夫利用最初的宇宙大爆炸理論為宇宙中的元素豐度提出了一種解釋。貝特因此獲得了1967年的諾貝爾物理學獎。

1947年，蘭姆和雷瑟福測量發現了狄拉克理論未預言到的氫原子兩個能級之間的微小能級差，這個能級差被稱作“蘭姆移位”。貝特將蘭姆移位歸因于電子和真空漲落之間的相互作用，并在幾個月后用一種新的重整化方法描述了這種效應，為量子電動力學的發展奠定了基礎。蘭姆因此獲得了1955年的諾貝爾物理學獎。

1948年，施溫格和費曼分別獨立地提出了他們各自量子電動力學理論，費曼還在論文中介紹了他的“費曼圖”。后來，戴森證明了這兩種理論其實是等價的。量子電動力學提出了很多前所未有的精確預測，例如電子的反常磁矩等，這些預言都在后來的實驗中得到證實。施溫格和費曼因此獲得了1965年的諾貝爾物理學獎。

1930年，泡利引入中微子來解釋原子核在β衰變過程中的能量損失。1953年，萊茵斯和考恩宣稱他們用放在核反應堆旁邊的大水箱探測到了幽靈般的粒子。1956年，他們發表了關于中微子決定性的探測結果。1960年，他們給出了關于他們的實驗的完整的說明。萊茵斯因此獲得了1995年的諾貝爾物理學獎。

1954年，楊振寧和米爾斯構造出可以描述基本粒子行為的場論的數學形式。這些楊—米爾斯場成為電弱統一理論和描述夸克行為的量子色動力學中的核心部分。

很久之前，宇稱守恒一直是物理學中一個普適的原則。直到1956年，為了解釋觀測到的奇怪的宇宙射線數據，李政道和楊振寧大膽假設宇稱對稱性在弱相互作用中被破壞。一年后，吳健雄和她的合作者通過β衰變實驗證明了宇稱守恒被破壞。李政道和楊振寧因此獲得了1957年的諾貝爾物理學獎。

在超導電性被發現的近半個世紀之后，1957年，巴丁、庫伯、施里弗提出了解釋超導現象的BCS理論。在這個理論中，電子配對并進入一個量子單態。BCS理論不光在凝聚態物理中有應用，其在粒子物理和核物理中BCS理論也發揮著重要的作用。巴丁、庫伯、施里弗因此獲得了1972年的諾貝爾物理學獎。

1960年，南部陽一郎將π介子的微小質量和近似對稱性聯系起來，獲得了一個重要的新視角：物理系統的對稱性可以和組成系統的元素的對稱性不同。這種對稱性自發破缺是普遍存在的，例如在磁體和固體中對稱性自發破缺就經常出現，在希格斯玻色子理論中也存在對稱性自發破缺。南部陽一郎因此獲得了2008年的諾貝爾物理學獎。

1962年，蓋爾曼利用八重態的方法把輕介子和自旋1/2的重子進行分類。這種分類原則依賴于一種近似對稱性，它最終被三種最輕的夸克的對稱性所解釋，這三種夸克是上夸克、下夸克和奇異夸克。蓋爾曼因此獲得了1969年的諾貝爾物理學獎。

為了避免地球大氣對要探測的x射線的吸收，1962年，賈科尼和他的合作者用火箭把蓋革計數器送入太空。令人吃驚的是，他們發現了一個位于太陽系外的x射線源。賈科尼被稱為x射線天文學之父，他的工作直接促成了使用太空望遠鏡對黑洞和其它射線源發射的x射線的探測。賈科尼因此獲得了2002年的諾貝爾物理學獎。

1963年，格勞伯提出了描述光線中光子之間關聯性的理論。他的突破在于他意識到由于量子力學的原因，先抵達探測器的光子會影響探測到之后的光子的概率。他的工作證實了有必要使用新的方法進行光學探測。格勞伯因此獲得了2005年的諾貝爾物理學獎。

1963年，卡比博的理論預言讓人們意識到：相同質量的夸克并不一定包含相同的味，如上、下、奇異。甚至夸克還可以是不同味的混合體。卡比博的想法解釋了為什么特定粒子的衰變被抑制，同時也在粒子物理中引入混合的概念。

1964年，霍恩伯格、科恩和沈建立了密度泛函理論。利用密度泛函理論可以相當精確地計算分子和固體材料的性質，并且這個方法大大減小了計算量。密度泛函理論使用了多電子量子力學方程的近似解法。韋爾萊隨后建立了密度泛函理論的經典版本，這是一種在計算機模擬中解決牛頓方程的數值方法。1985年，卡爾和帕里內洛統一了密度泛函理論和韋爾萊的方法。科恩因此獲得了1998年的諾貝爾化學獎。

1964年，恩格勒和希格斯分別獨立地給出了解釋基本粒子為什么有質量的模型。在他們的理論中需要一種新粒子的存在，也就是我們現在所說的希格斯玻色子。希格斯玻色子是標準模型中非常關鍵的一環，在被理論預言近50年后，它終于在歐洲核子中心的大型強子對撞機中被發現。恩格勒和希格斯因此獲得了2013年的諾貝爾物理學獎。

1967年，溫伯格提出了一個關于電弱相互作用的理論，當這個理論被拓展到包含夸克和強相互作用時，它就變成了粒子物理的標準模型。這套理論的最核心部分后來都被實驗所證實，包括2012年希格斯玻色子的發現。溫伯格因此獲得了1979年的諾貝爾物理學獎。

1969年，弗里德曼、肯德爾、泰勒和他們的合作者通過電子—質子散射實驗給出了質子不是基本粒子的第一個實驗證據。數據證實了他們提出的質子由更加基本的粒子組成的想法，這些更基本的粒子就是我們現在知道的夸克。弗里德曼、肯德爾和泰勒因此獲得了1990年的諾貝爾物理學獎。

（未完待續）