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2019年诺贝尔物理学奖花落天体物理，还有哪些与之比肩的物理成就？

2019-10-08 18:02:00

国庆长假已经结束，2019年诺贝尔奖的开奖还在继续，今天下午揭晓了物理学奖的最终归属。根据贝尔奖官网消息，瑞典斯德哥尔摩当地时间8日中午，瑞典皇家科学院将2019年诺贝尔物理学奖一半授予吉姆·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。图1：2019年诺贝尔物理学奖获得者及奖金分配情况。据了解，皮布尔斯出生于加拿大的温尼伯，是普林斯顿大学阿尔贝特·爱因斯坦荣誉科学教授，也是加拿大物理学家和理论宇宙学家。自1970年以来，他被广泛认为是世界领先的理论宇宙学家。他对原始核合成、暗物质、宇宙微波背景和结构形成等领域做出理论贡献。麦耶是瑞士天文学家，曾任教于日内瓦大学天文学系，已于2007年退休，但仍以荣誉退休教授身份继续进行研究。奎洛兹同样是来自瑞士的天文学家，他在寻找太阳系外行星方面颇有贡献。《卫报》称，在日内瓦大学攻读博士时（1995年），他和米歇尔·麦耶共同发现了围绕主序星的首颗太阳系外行星。图2：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。其实除了得奖的这些系外行星发现成就，在今年4月网上疯传的首张黑洞照片，更是引爆了全球“黑洞热”，可以说是近年来科学发现的亮点。可惜的是黑洞照片公开是时间可能已经错过了今年诺贝尔奖的提名时限，估计也是因为这个原因，该发现与诺贝尔奖擦肩而过。图3：经过6国科学家的努力，史上第一张黑洞照片问世。此外，还有量子物理学和超导领域的成就也不低于获奖的天体领域。

量子物理学

美国科普作家查德·奥泽尔(Chad Orzel)在《福布斯》杂志上撰文指出，量子物理学的相关基础研究，一直都很受诺贝尔物理学奖评审的青睐，再加上谷歌、IBM等科技企业大举投资量子计算，具有巨大商业潜力的量子纠缠等量子物理学子领域，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。据了解，银行业方面正在考虑使用这项技术来保护他们的信息，像谷歌和IBM等科技巨头也正在开发可以在几分钟内完成某些计算的量子计算机，而不是使用传统的超级计算机。如果没有该领域先驱者们奠定的理论和实验基础，这一切都不可能实现。1964年，爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell)为解决量子物理学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“因其在量子物理学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诺贝尔奖，因为诺贝尔委员会的规定是不允许在人去世后颁发诺贝尔奖。

超导体

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年诺贝尔奖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年获得了诺贝尔奖。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年诺贝尔奖获得者维塔利·金茨堡（Vitaly Ginzburg）在20世纪60年代预测过。新材料的发现为科学家们更好地理解和研究这一神秘现象打开了新的大门。值得注意的是，超导性的发现已经为我们带来了许多现代发明，如核磁共振机和粒子加速器，并可能在聚变反应堆或无损电网中找到未来的应用。

落选的物理学家及其成就

埃克特(Artur K. Ekert)人物介绍：现年58岁的埃克特是英国牛津大学数学研究所量子物理学教授，也是新加坡国立大学“李光前百年校庆教授基金”得主。成就：对量子计算和量子密码学的贡献。他是基于纠缠态的量子密码学的发明者。海因茨(Tony F. Heinz)人物介绍：斯坦福大学应用物理与光子科学教授，他也是SLAC国家加速器实验室的副主任。成就：对二维纳米材料的光学和电学性质进行了开创性的研究，更位理解碳纳米管、石墨烯和二维半导体材料（如二硫化钼）等纳米材料做出了贡献。普度(John P. Perdew)人物介绍：美国宾夕法尼亚州费城天普大学教授，2011年获选美国国家科学院院士。成就：为电子结构密度泛函理论的发展做出贡献。十仓好纪——电子型高温超导体和多铁性材料图4：十仓好纪教授。人物介绍：日本著名的物理学家，东京大学工学系物理工学专业教授，同时兼任理化学研究所创造性物质研发中心的主任。成就：代表性较高的是电子型高温超导体的发现、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。细野秀雄——铁基高温超导图5：细野秀雄教授。人物介绍：东京工业大学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。饭岛澄男——诺奖遗珠碳纳米管图6：饭岛澄男教授。人物介绍：碳纳米管的发现者，名城大学终身教授、NEC特别主席研究员。成就：1990年，饭岛教授通过透射电镜直观地观察到了足球烯的形态。1991年，他希望观察到碳元素在反应过程中是如何相互卷曲，形成球状结构的。于是，他重复了足球烯制备的实验，并调整了某些参数，试图寻找到有趣的结果。然而，令他意外的是，制备足球烯的尝试没成功，反而制备出了一系列纳米级别的管状构造，这就是后来被称为碳纳米管的一种全新材料。图7: 几种不同构型的纳米碳管，作者：Mstroeck大野英男——磁性半导体之父图8：大野英男教授和电子自旋示意图。人物介绍：现任日本东北大学校长，被誉为磁性半导体之父。成就：大野教授在铟-砷或镓-砷这样的半导体化合物中混入一定量具有磁性的锰，最终制成了同时兼具磁性和半导体特性的磁性半导体。磁性半导体是一种特殊的半导体，既有强磁性又有半导体特性。磁性半导体可以实现对电子自旋状态的控制，是新型电子元器件研究的热门领域。“自旋”是相当复杂深奥的物理概念，但是我们不妨将其简单化的理解为是电子的转动方向。总的来说，自旋分为两种状态，即下图所示的自旋向上和自旋向下，分别描述从左向右和从右向左两种旋转方式。自旋是描述电子运动状态的重要参数，同时，它也与磁性的产生有关。如果材料中的大量电子同时呈现同一种自旋状态，材料就会显现出磁性。简单来说，半导体主要利用电子的电荷特性，而磁铁则是利用电子的自旋特性。这种材料的制备探索起初非常艰难，在克服了一系列难关后才最终实现。磁性半导体在操控电流的同时还能实现对电子自旋的控制，给电子器件的制造带来了全新可能，未来诞生基于磁性半导体的器件甚至是电脑绝非妄言。

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