插圖 約翰•亨德里克斯(John Hendrix)
導語：
自物理學的「黃金時代」以來，進行科學研究的方法日新月異，但是許多問題依舊待解
整理 約翰•馬特森(John Matson) 費里斯•賈布爾(Ferris Jabr)
翻譯 王棟
精彩速覽
在德國林道市舉行的一年一度的聚會上，才華橫溢的青年科學家和多位諾貝爾獎得主共聚一堂，相互交流、探討，今年的會議主題是物理學。
為了慶祝林道會議的舉行，我們摘錄12位諾貝爾物理學獎得主曾為《科學美國人》撰寫的12篇文章，幾乎每篇文章都報導了一個重大成就。
這些文章中，有些詳細介紹了讓作者獲得諾貝爾獎的發現；有些對物理學的未來作出了預測；還有一些專注於那些永恆的疑問：宇宙是由什麼構成的？我們在宇宙中是孤單的嗎？雖然，這裏一些文章是在數十年前發表的，但令人吃驚的是，它們仍與當前正在進行的現代物理學前沿研究緊密相連。
每年夏天，諾貝爾獎得主都要在德國林道市匯聚一堂，同來自世界各地的新生代科學家交流討論、相互學習。今年是第62屆會議，以物理學為主題。為了慶祝這一盛會，我們摘錄了一些諾貝爾獎得主在《科學美國人》上發表的經典文章，主題涵蓋了從宇宙學、粒子物理學到新技術應用的各個方面。
在整理下面的這些經典文章時，我們驚奇的發現，困擾物理學家們幾十年的很多問題依舊推動著今天的科學研究。誠然，與愛因斯坦(Albert Einstein)、狄拉克(P. A. M. Dirac)和費米(Enrico Fermi)這些大師所處的時代相比，物理學研究領域已經今非昔比了。物理學家獲得過一些巨大進展(如粒子物理標準模型的建立與修正)，也經歷過出人意料的轉變(如對「暗能量」的研究)。但追根溯源，當前許多研究所關注的，仍是那些在過去一個世紀里推動著物理學發展的問題：為什麼物質遠遠多於反物質？被普遍認為是亞原子粒子質量之源的希格斯玻色子真的存在嗎？「幽靈般的超距相互作用」與我們這個世界現有的運行機制有何不同？
物質隨處可見，你的手，你手中的這本雜誌，甚至介於你的臉和這頁紙之間的空氣都是由物質構成的。而另一方面，反物質卻極其罕見(對我們人類來說，這是件好事情，因為正反物質一旦接觸就會湮滅)。但在宇宙誕生初期，正反物質的量應該是相等的，只是由於某種未知原因，物質最終勝出，銀河系、太陽系才得以形成，人類才能出現。物理學家一直都想知道是什麼打破了這一平衡。
1956年，埃米利奧•塞格雷(Emilio Segrｅ)和克萊德•E•威甘德(Clyde E. Wiegand)在《科學美國人》雜誌上撰文，詳細地介紹了他們發現反質子的研究。反質子是人們熟知的、存在於每個原子核內部的質子的反粒子。在那篇文章發表的一年前，塞格雷和威甘德的研究組剛剛在美國加利福尼亞大學伯克利分校的高能質子同步穩相加速器(現已拆除)上發現了這個短壽命的反粒子。由於這項發現，塞格雷和同事歐文•張伯倫(Owen Chamberlain)分享了1959年的諾貝爾物理學獎。他們的發現是自1932年卡爾•D•安德森(Carl D. Anderson)發現反電子(即正電子)以來，又一個反物質存在的証據。1930年，狄拉克(Dirac)在對電子的理論描述中，就預言了反電子的存在。
從那時起，追隨著狄拉克、安德森、張伯倫和賽格雷的足跡，物理學家邁出了合理的一步：將基本的反物質原子拼合起來，看它們與由普通原子構成的物質在一些關鍵特性上有什麼不同。在瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心(CERN)，研究人員用反質子和正電子組成反氫原子。去年，一個研究組成功地讓一個反原子在湮滅前存在了數分鐘，這個時間長度，足以讓科學家對反原子進行測量和研究了。如果能發現引力或輻射會對反物質造成的特殊影響，或許就能提供一些線索，解釋現有物質為何豐富得多。
在物理學的另一個研究領域，馬蒂納斯•J•G•魏特曼(Martinus J. G. Veltman)於1986年，在《科學美國人》上發表了一篇關於「標準模型」里一個小問題的文章。除這個問題外，該模型在描述宇宙中基本粒子時，可以稱得上是一個極其完美的理論。魏特曼指出，標準模型里一個關鍵粒子還有待發現，那個粒子似乎在努力隱藏自己而不被人們找到。沒有它，其他粒子的質量來源將難以解釋。
或許你已知道，它就是傳說中的希格斯玻色子。在文章中，魏特曼寄希望於當時還處於規劃中的超高能超導對撞機(Superconducting Super Collider，簡稱SSC，位於美國得克薩斯州)能夠發現這種「缺失」的粒子。然而在25年後的今天，物理學家仍在期待這一最重要玻色子的「首秀」(2012年7月4日，歐洲核子中心宣佈他們發現了一種符合希格斯粒子屬性的新粒子。也許，希格斯粒子在眾位物理學家的期盼下終於現身了)。超高能超導對撞機最終未能建成，尋找希格斯玻色子的任務，轉移到了歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(Large Hadron Collider，LHC)上。從2009年開始運行起，歐洲核子研究中心已經將大型強子對撞機的對撞能量逐步提高，期待能於今年年底前收集到足夠的數據，並最終宣佈標準模型里的希格斯粒子是否存在。
甚至在標準模型完整建立前，物理學家就開始對該模型所描述的粒子行為提出異議了。1935年，愛因斯坦和兩位同事發表了一篇文章指出，當時剛剛建立的量子力學理論會推導出一種很難理解的、被稱為非定域性的現象。物理學家解釋道，當觀察者在一個地方測量一個粒子時，就會即時影響到其他地方的另一個粒子，無論它們兩者相距多遠。這一效應看起來很荒謬。愛因斯坦及同事認為，非定域性是一個「麻煩」，將對量子力學的可靠性提出挑戰。
實驗物理學家花費了數十年時間，來証明粒子之間確實可以通過一種被稱為「量子糾纏」的現象保持非定域聯繫。現在，物理學家能夠很熟練的製備出一對糾纏光子，它們之間共享一種狀態，例如偏振方向。獨立的原子，以及大尺度物體(例如人造鑽石晶片)也已經製備出了糾纏態。糾纏並不僅僅是量子力學里的一個小把戲，或許有一天，它將使通信和計算能力大大超過當今電子設備所能達到的狀態。
在這些研究里，關鍵是激光。它是一種量子光源，激光中受控的光子可以自我糾纏，或用來製備其他粒子的糾纏態。在1961年發表在《科學美國人》上的一篇文章里，亞瑟•L•肖洛(Arthur L. Schawlow)向我們展示了激光的美好前景。當時，激光器剛剛問世一年，被稱為光量子放大器。由於發明激光，肖洛獲得了1981年的諾貝爾物理學獎。他的後繼者──那些操控激光來研究量子糾纏的光學物理學家們，常常被認為是近期諾貝爾獎得主的熱門人選。
未來將獲得諾貝爾獎的新一代物理學家(今年的林道大會中或許就有他們的身影)會將物理學帶往何方？如果參照過去的歷史，那麼未來一些輝煌成就的線索，或許就隱藏在過去數十年里那些諾貝爾獎得主的工作(以及他們在《科學美國人》上發表過的文章)之中。
諾貝爾物理獎12個裡程碑：解密超新星爆發(2)一、天體物理
宇宙射線里的秘密信息
撰文 亞瑟•H•康普頓(Arthur H.Compton)
1927年諾貝爾物理學家獎得主，本文刊登於1933年7月《科學美國人》
宇宙射線的研究常常被描述成「現代物理學中的另類，因為其中包括微妙的現象、細緻的觀測、觀測學家們探險似的旅行、精巧的分析以及宏偉壯觀的結論」。我們相信，宇宙射線能帶給我們一些重要信息：或許可以告訴我們這個世界是如何演化的，或者那些原子核最深處結構的秘密。目前，我們正在努力解碼這些信息。
大約5年前，兩位德國物理學家博特(Bothe)和科爾霍斯特(Kolhörster)使用計數管進行了一項實驗，讓我們確信宇宙射線其實是由帶電粒子構成的。然而，如果這一結論是正確的話，就意味著在地球上的不同地點，宇宙線的強度應該有所不同。由於地球就像一個巨大的磁鐵，這個巨型磁鐵就會使射向地球的帶電粒子發生偏轉。這一效應應該在磁極處最弱，在赤道附近最強，那麼如果我們從赤道向兩極走，射線強度就應該不斷增大。科學家設計了6個不同的系列實驗來探測這一效應，然而並沒有得出明確的結論。
為此，在卡內基協會的資助下，我們芝加哥大學的一個研究團隊在過去18個月裡組織了9次探險，在地球上的不同地點測量宇宙射線──從海平面到6400多米高的安第斯山和喜馬拉雅山頂，均有研究人員前去測量。在美國阿拉斯加巨大的麥金利山側的冰川上，兩位出色的登山員卡培(Carpe)和科文(Koven)甚至獻出了自己的生命，換回了在如此接近極點的緯度上，迄今海拔最高的測量數據。
將這些探險所獲得的數據整合起來後，我們發現極地附近的宇宙射線強度比赤道附近高15%。此外，正如預計的那樣，由於地球磁場對入射帶電粒子的作用，宇宙射線強度還隨著緯度變化而變化。此外，在高海拔地區，地球磁場的效應要海平面上強數倍。
這些結果顯示，宇宙射線中至少有相當一部分是由帶電粒子構成的。然而，某些宇宙射線不會受到地球磁場的絲毫影響。而通過其他一些測量實驗，例如皮卡德(Piccard)和雷金納(Regener)的高空氣球實驗、博特和科爾霍斯特的計數測量實驗，我們得出了一個結論：在這些射線中，只有極少一部分是以光子的形式存在(就像普通的光那樣)，但相當數量的輻射可能是以輕原子或輕原子核構成。
特別值得一提的是，某些宇宙射線能量驚人。用電子伏作為能量單位的話，一個氫原子的燃燒能釋放大約兩電子伏的能量。鐳輻射出α粒子時，會釋放200萬電子伏的能量。然而，宇宙射線的能量高達百億電子伏。如此驚人的能量從何而來？在這個問題的答案里，或許隱藏著宇宙如何形成的秘密。
二、X射線之星
撰文 里卡多•賈科尼(Riccardo Giacconi)
2002年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1967年12月《科學美國人》
星際空間里，充斥著各個波段的電磁輻射，從超短波的伽馬射線和X射線，到波長很長的無線電波，無所不包。但是，由於我們的大氣層屏蔽掉了大部分波長的宇宙射線，它們中能到達地球表面的只是很少一部分。特別是對波長短於2 000埃(1埃=10-10米)的電磁輻射來說，地球大氣是一層不可穿過的障礙。因此，科學家只能用氣球或火箭，將探測儀器送到大氣層之外來探測來自宇宙的X射線。
隨著火箭發射越來越頻繁，將儀器送到太空的機會也越來越多，美國麻省理工學院的布魯諾•B•羅西(Bruno B. Rossi)建議，對天空中的X射線進行掃瞄，而我們這個來自美國科學和工程公司(American Science and Engineering)的研究團隊，就承擔了這項任務。
1962年6月18日，載有探測儀器的Aerobee探空火箭在美國白沙導彈靶場發射升空。這項實驗是在羅西的幫助下，由我和赫伯特•古爾斯基(Herbert Gursky)、F. R. 泡利尼(F. R. Paolini)一起合作準備的。在火箭到達最大高度225千米之前，火箭會在一個特定時刻將艙門打開，暴露出探測儀器。隨著火箭沿自身軸向旋轉，探測儀器就能掃瞄120度張角的帶狀天區，其中包括月球的方向。
來自探測儀器的遙測信號顯示，儀器沒有探測到任何來自月球的X射線輻射。然而，在南方天空的天蠍座方向上，探測儀器發現了一個很強的X射線源。根據計數器的記錄，這個X射線源的強度是人們預料中的、來自任何遙遠宇宙射線源的(根據太陽X射線輻射強度估算)100萬倍。
對數據進行了三個月的仔細研究後，結果証實上述輻射確實是X射線(波長為2到6埃)，來自於太陽系外，射線源大約在銀河系中心的方向。究竟是哪一種天體能夠輻射出如此高能的X射線流呢？
我們又在一年中的不同時段進行了兩次火箭探測(1962年10月，以及1963年6月)，利用三角測量法縮小了這個強X射線源的位置範圍。我們發現，其實它並不在銀河系中心。同時，美國海軍研究實驗室的赫伯特•弗里德曼(Herbert Friedman)及其同事，成功將該射線源定位在了2度弧(2度圓心角所對應的弧長)的天區範圍內，這意味著該X射線源是一顆單獨恆星，而不是大量恆星的集合。
現在，該射線源是一個獨立天體的証據已經很充分了，所以我們將它命名為Sco X-1(取自天蠍座，Scorpius)。人們或許會想，能以X射線的形式輻射出如此多的能量，該天體應該是清晰可見的，至少也應是一顆相當明亮的恆星。然而，那一天區里並沒有什麼顯眼的恆星。
接下來的任務就是，從已確定區域里的那些可見的恆星中，找出X射線星。Sco X-1的位置已經被縮小到了1度弧的範圍內，在那一區域的天空裡，每平方度(半徑為R的球體上，面積為π2R2/1802)的天空裡約有100顆13等星。在對新獲得的數據進行了詳細分析後，我們得到了更精確結論：目標恆星必定位於兩處候選位置中的一個。
根據這一結果，日本東京天文台、美國威爾遜山天文台和帕洛瑪天文台將望遠鏡對準了那兩個方向，希望找到Sco X-1。東京天文台的天文學家立即發現了這顆X射線星。一個星期之內，帕洛瑪天文台証實了這一發現。
現在，科學家可以用光學天文望遠鏡來觀測Sco X-1了，它那令人震驚的新特性也逐漸展露在了我們面前。最令人震驚的事實是，這顆恆星輻射出的X射線的能量，比其發出的可見光的能量高1 000倍，這是天文學家們沒有想到的，因為根據對已知多種恆星的瞭解，這種情況是不應該出現的。有跡象表明，Sco X-1輻射出的X射線的能量，相當於太陽在所有波段上輻射出的能量的總和。
三、解密超新星爆發
撰文 漢斯•A•貝蒂(Hans A. Bethe) 傑拉爾德•布朗(Gerald Brown)
貝蒂是1967年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1985年5月《科學美國人》
超新星爆發是從恆星坍縮(即向心聚爆)開始的。那麼，它又是怎麼改變方向，將大部分的恆星質量向外拋射出去的呢？在某一階段，恆星物質的向內運動肯定會停止，然後反向運動，由向心聚爆轉變成向外爆發。
結合計算機模擬和理論分析，關於超新星爆發機制的整套理論開始慢慢浮出水面。看起來，反轉過程中的關鍵步驟是形成了向外傳播的衝擊波。
當恆星核心的密度達到原子量級時，坍縮會突然停止。這會在恆星核介質中引發朝著反方向傳播的聲波，就像錘頭砸到鐵砧上時錘柄產生的振動。當聲波從均勻的恆星核心傳播出來時，聲波的傳播速度會逐漸減慢。這由兩個原因造成，一是由於它的局部速度降低；二是它在迎著越來越快的坍縮物質「逆流而上」。到達音速點(傳播速度達到聲速時所在的區域)時，聲波完全停下來。同時，更多的物質還在不斷向著恆星核心的核物質硬球坍縮，激發更多的聲波。在幾分之一毫秒的時間里，聲波在音速點匯聚，不斷產生壓力。坍縮物質通過音速點時，這種壓力延緩了物質的坍落速度，造成了速度斷層。這種不連續的速度變化觸發了激波。
在恆星核心，向內坍縮的物質落到「硬球」的表面後急停，但不是瞬間完全停止。動量會讓坍縮超越平衡點，讓核心密度達到甚至超過原子核的密度，我們把這一時間點稱作「最大壓縮」時刻。在最大壓縮之後，核物質會反彈回去，就像一個被壓縮了的橡膠球。這種反彈會產生更多的聲波，匯入不斷增強的激波里。
激波有兩個特性與聲波不同。首先，聲波不會對媒介造成永久性的影響，聲波通過之後，物質就恢複到先前的狀態。而激波的通過會導緻密度、壓力和熵的巨大變化。其次，正如其名，聲波以聲速傳播。而激波的速度更快，速度值由波的能量決定。因此，一旦音速點上累積的壓力形成了激波，向內坍縮的物質就無法把激波限制在音速點了，它會不斷向外傳播，直達恆星外層的物質。計算機模擬的結果表明，激波的傳播速度很快，在30 000千米/秒～50 000千米/秒之間。
恆星外層發生爆炸後，恆星核的命運仍不甚明了。據推測，較輕恆星的爆發會留下一個穩定的中子星。根據威爾遜的計算，超過20個太陽質量的恆星將會留下一個超過兩個太陽質量的緻密殘骸。這種殘骸會成為一個黑洞，裡面物質的密度會被壓縮到無窮大。
諾貝爾物理獎12個裡程碑：解密超新星爆發(3)四、宇宙中的生命
撰文 史蒂芬•溫伯格(Steven Weinberg)
1979年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1994年10月《科學美國人》
正如我們所知，物理學裡面有那麼幾個參量，如果其中任何一個的數值發生了哪怕一丁點兒改變，生命就不可能出現。這些參量中，最著名的是碳12原子的一個激發態的能量。在恆星內部生成重元素的一系列核反應中，有一個必要環節。在這個環節里，兩個氦原子核相結合，形成不穩定的鈹8原子。在發生裂變之前，鈹8原子有時會再吸收一個氦原子核，這就形成了處於上述激發態的碳12原子。接著，碳12原子核會輻射出一個光子，衰變到最低能態的穩定態。在接下來的核反應里，碳結合成氧和氮，以及生命必需的其他重元素。但是，鈹8原子捕捉氦原子的過程是一個共振過程，反應速率隨著參與反應的原子核的能量而變化，能量過高或過低都不利於反應進行──如果碳12原子的那個激發態的能量高那麼一點點的話，它的產生率就要低很多，從而導致鈹8原子核在碳形成之前，就可能裂變成了氦原子核。那樣，宇宙將幾乎全部由氫和氦構成，不會有生命元素存在。
自然常數需要精確到何等程度才能讓生命出現，科學家的意見並不統一。碳12的那個激發態的能量為何如此接近共振能量，也有另外的解釋。但是，有一個常數似乎確實需要超乎想像的精細調節：這就是真空能，或者說宇宙學常數，它同宇宙膨脹相關。
雖然我們無法計算真空能的大小，但我們能夠算出產生真空能的那些能量的大小(例如引力場里量子漲落的能量，量子漲落尺度大小不低於約10-33釐米)。根據我們對目前宇宙膨脹速度的觀測結果，真空能有一個上限，而產生真空能的那些能量的總和，要比真空能的上限值大120個數量級。如果對真空能有貢獻的那些能量沒有相互抵消的話，根據真空能總量的計算，那麼在生命出現之前，宇宙可能已經進行完了一次膨脹和收縮的循環，或者膨脹速度太快，以至於不可能形成星系或恆星。
因此，任何形式生命的存在，似乎都需要那些對真空能有貢獻的能量彼此相消，而且抵消程度要精確度到小數點後約120位。或許，這種相互抵消將來能得到某種理論的解釋，但到目前為止，在弦理論和量子場論中，真空能都含有任意常數，它們必須得到精細調整，以使總真空能足夠小，讓生命有可能存在。
其實，我們無需假設在基本自然法則或初始條件中，有某些生命或意識在扮演關鍵角色，上述問題就能得到解釋。或許，我們現在所稱的自然常數在宇宙的一個部分和另一個部分里並不相同(在這裏，「宇宙的不同部分」可以有多種理解，例如可以指宇宙膨脹的某個階段不同的擴張區域，在這些區域中，各種普遍存在的場取值不同；或指在某些量子天文學研究所提出的不同的量子力學「世界線」)。如果確實如此，那麼在宇宙的某些區域中可能發現生命(即便在大部分區域里都沒有)，也就不令人吃驚了。
任何進化到可以測量自然常數這個程度的生物，都會發現這些常數的值恰好允許生命存在。在宇宙其他區域，這些常數可能有其他的數值，但那裡沒有人去測量。不過，這並不是說生命在基本的自然法則中起著某些特殊作用，就像太陽有一顆能孕育有生命的行星，但並不代表生命在太陽系的形成過程中也會起作用一樣。
五、粒子與原子物理
光是什麼
撰文 歐內斯特•O•勞倫斯(Ernest O. Lawrence)， J•W•畢姆斯(J. W. Beams)
勞倫斯是1939年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1928年4月《科學美國人》
光是最人們熟知的物理存在。我們都瞭解它的許多特性，而對於物理學家來說，光顯示出的不可思議的性質還要多得多。雖然，我們對光學效應的瞭解已經很多，但光究竟是什麼，還沒有令人滿意的解答。
兩個多世紀前，牛頓認為光的本質是粒子，是由飛行於空氣中的小「飛鏢」組成。其他一些人將光歸於波動，就像波浪在水中傳播那樣，光波也在遍佈宇宙的一種介質中傳播，這種介質叫作「以太」。隨即，在關於光到底是什麼這個問題上，持不同觀點的科學家展開了一場激烈的爭論。當一些新實驗揭示出光的更多特性後，人們發現波動理論能解釋許多粒子假說無法解釋的現象。
隨著時間的推移，更多關於光與物質相互作用的現象被接連發現。在這些現象中，很多都無法用波動理論來解釋，這就迫使科學家將注意力轉向牛頓提出的「光的粒子假說」。近期的觀測結果表明，光束所包含的能量值是一個最小單位(一個光量子)的精確整數倍，正如物質看起來像是由物質粒子的精確整數倍組成，電量是電子的整數倍一樣。因此，光也是粒子化的，正如物質和電量是粒子化的一樣。
在現代光量子理論中，有一個看起來非常奇特的事實，即該理論的研究對象自身──光量子──恰恰是完全不清楚的。
量子自身的物理特性也是一個問題：它們的長度是一米，一千米還是一釐米？或者說，它們的尺度無限小？許多實驗似乎都說明，光量子的長度至少在一米左右，但根據過去的觀測，很難推導出確定的結論。光量子的空間尺度仍舊是個謎。
至少有一種途徑可以用來測量光量子的長度，只要該設想可以付諸實踐的話。從本質上來說，可以這樣做：假設你有一個遮光板，能夠以任意速度阻擋或放行光線。這樣的器件應該能將一束光切成一段一段，就像用刀切香腸一樣。顯然，如果切出的一段光線比光量子短，那麼經過遮光板的短暫閃光就只含有一個光量子的一部分。實際上，該裝置會將光量子掐頭或去尾。部分光量子的能量不足以將電子從金屬表面轟擊出來，需要整個光量子才行。所以，我們可以通過觀察在短到什麼程度，就不能產生光電效應，從而給出光量子的長度上限。
即使對機械知識不熟悉的人也能想到，任何一種機械遮光板都不可能以這種速度工作。然而令人高興的是，自然賜予物質的不僅僅有純機械的性質。利用某些液體的特殊光電性質，科學家構想了一種類似遮光板的設備，能在百億分之一秒內打開或關閉。通過這種設備，科學家製造出極為短暫的閃光，轟擊在靈敏的光電池上，結果發現電池對設備製造的最短閃光也能作出反應，長度只有幾英呎(1英呎約合0.3米)。
這個簡單的觀測實驗的重要性怎麼評價都不過分，因為它明確顯示了光量子要比數英呎短，或許光量子的空間尺度只有極微小的一點點。
六、原子核的結構
撰文 瑪麗亞•G•邁耶(Maria G. Mayer)
1963年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1951年3月《科學美國人》
將原子作為一個整體，並以我們的行星系統為參考──近代物理學家提出了一個描述原子的模型：原子由一個位於中心的、相當於太陽的原子核，以及在特定軌道上圍繞原子核運行的衛星電子構成，就像行星一樣。雖然還有很多問題有待解決，但該模型已能解釋許多我們觀測到的電子行為。然而，人們對原子核本身卻知之甚少。甚至對於原子核中的粒子是如何結合在一起的這個問題，都還沒有一個令人滿意的答案。
最近，一些物理學家(包括作者本人)，提出了一個非常簡單的原子核模型，將原子核描繪成殼層結構──就像整個原子的結構那樣，核里的質子和中子以特定的軌道(或稱為殼層)聚集，正如原子裡面，電子束縛在原子核周圍一樣。對於原子核的構成及其核內粒子的行為，我們所知的很多現象都能用這個簡單的模型來解釋。
質子和中子的一些特定組合，在性質上具有非常明顯的模式，而我們有可能弄清這些模式。正是因為這些模式，我們才提出了原子核的殼層模型。一個驚人的巧合是，原子核內的粒子也像電子一樣，偏好某些特定的「神秘幻數」。
每一種原子核(除了氫原子，它就是一個單獨的質子)都能用兩個數字來描述：質子數和中子數。這兩者之和就是該原子核的原子量。質子數決定原子的性質，所以擁有兩個質子的原子核必定是氦，擁有三個質子的是鋰，以此類推。然而，一定數量的質子可以與不同數量的中子結合，形成同一種元素的多種同位素。這裏，有一個非常有意思的事實，即質子和中子喜歡以偶數的方式結合；換句話說，和電子一樣，質子和中子都顯示出強烈的配對趨勢。已知所有元素的全部約1 000種同位素里，只有不超過6種穩定原子核是由奇數個質子和奇數個中子構成的。
除此之外，以特定偶數聚集的質子或中子尤其穩定。「神秘幻數」之一是2。由兩個質子和兩個中子構成的氦原子核是已知最穩定的原子核之一。另一個「神秘幻數」是8，代表著氧原子核，它的一個常見同位素具有8個質子和8個中子，十分穩定。還有一個「神秘幻數」是20，對應著鈣。
「神秘幻數」包括：2、8、20、28、50、82以及126。具有這些數目的質子或中子的原子核都具有非同尋常的穩定性。這強烈暗示著，「神秘幻數」代表著原子核里的殼層都是滿的，就像原子外層的電子殼層結構一樣。
這個殼層模型還可以解釋原子的其他特徵行為，比如「同質異能」(isomerism)現象，即原子核長期處於激發態。或許，該模型最重要的應用是對β衰變(即原子核輻射出電子)的研究。原子核會不斷釋放出電子，導致原子核內粒子的自旋發生變化。目前，還沒有一個理論能很好地描述β衰變，因為自然界只有少量的放射性原子核，因此想檢驗這些理論正確與否並不容易。殼層模型能夠幫助解決這個問題，因為它能在不做測量的情況下預測自旋。當然，這個簡單模型無法給出關於原子核結構的完整而準確的描述。即便如此，該模型還是成功地描述了原子核的眾多性質，說明它是描述真實世界的一個不錯的理論。
諾貝爾物理獎12個裡程碑：解密超新星爆發(4)七、反質子現身
撰文 埃米利奧•塞格雷(Emilio Segrｅ) 克萊德•E•威甘德(Clyde E. Wiegand)
賽格雷是1959年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1956年6月《科學美國人》
25年以前，基於相對論和量子力學中最基本的原理，英國劍橋大學的狄拉克(P.A.M. Dirac)提出了一個方程，以量化的方式描述了電子的許多性質。只須代入電荷、質量以及自旋值，就能準確推導出電子的磁矩以及它在氫原子裡的行為。然而，狄拉克發現，這個方程不僅需要帶負電的電子，還需要帶正電的電子(正電子)存在。換句話說，它不僅描述了已知的帶負電的電子，而且還引入了一種完全對稱的粒子，它與普通電子完全一樣，只是電荷為正而非負。
在狄拉克作出預言數年之後，在宇宙射線通過雲室產生的粒子之中，美國加州理工學院的卡爾•D•安德森(Carl D. Anderson)發現了正電子。這一發現促使物理學家投入到一段全新而艱難的旅程，開始尋找另一種假想粒子。最終，他們的努力在幾個月之前得到了回報。
經過微小的修改，狄拉克的基本方程應該還適用於質子。在這種情況下，方程同樣預言了質子的反粒子──反質子的存在。它與質子一模一樣，只是帶電為負而非正。
這時，一個問題浮現出來，需要多高的能量才能在實驗室里用加速器製造出反質子？因為反質子只能與質子成對地製造出來，所以我們至少需要相當於兩個質子質量的能量(即約20億電子伏)。但真正準備實驗的話，我們需要比20億電子伏高得多的能量。要想將能量轉化為粒子，我們必須使能量聚集到一點；通過讓高能粒子撞向靶子是實現這一目標的最好途徑，例如讓兩個質子對撞。撞擊之後，我們應該有4個粒子：兩個先前的質子，外加一對新製造的「質子─反質子對」。碰撞出的這4個粒子中，每一個都具有約十億電子伏的動能。所以，產生一個反質子需要20億電子伏(生成「質子─反質子對」)加上40億電子伏(四個產物粒子的動能)的能量。美國加利福尼亞大學的高能質子同步穩相加速器就是根據這些數值設計建造的。
當高能質子同步穩相加速器用60億電子伏的質子轟擊銅靶之後，接下來的任務就是探測並識別生成的任何反質子。一種搜尋方案是由本文作者、歐文•張伯倫(Owen Chamberlain)和托馬斯•伊普西蘭蒂思(Thomas Ypsilantis)提出的，他們利用了3個便於確定的特性。首先，粒子的穩定性意味著它的壽命應該足夠長，能夠穿過長長的儀器；其次，粒子經過外加磁場時，它們的偏轉方向可以反映粒子的帶電性，因此通過這一點，就可以判斷出反質子的負電性。最後，在磁場強度和粒子速度已知的情況下，反質子的質量可通過它的運行軌道的彎曲度計算出來。
到去年10月宣佈反質子的發現時，上面的三位科學家已經記錄了60件事例，平均產生率大約相當於每運行高能質子同步穩相加速器一小時，就能發現4個反質子。這些反質子都已通過了我們在實驗前預先設定的所有測試。一位剛剛完成了一項重要且困難的介子實驗、擁有很高聲望的同行對這項發現的評價讓我們十分開心。他在檢查了我們的實驗之後說：「我希望自己的µ介子實驗也能夠像這個實驗一樣令人信服。」至此，那些一直打賭反質子存在的人開始得到回報了，我們知道的最大賭注是500美元(我們自己倒沒有參與)。
八、希格斯玻色子存在嗎？
撰文 馬蒂納斯•J•G•韋特曼(Martinus J. G. Veltman)
1999年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1986年11月《科學美國人》
希格斯玻色子是以英國愛丁堡大學的彼得•W•希格斯(Peter W. Higgs)的名字命名，這種粒子是標準模型中最重要的缺失部分。標準模型是描述物質基本構成，以及各成分間基本相互作用力的主流理論。根據標準模型，所有物質都是由誇克和輕子構成，它們彼此之間通過4種力相互作用：引力、電磁力、弱力和強力。舉例來說，強力將誇克束縛在一起形成質子和中子，構成原子核；電磁力將原子核和電子(輕子的一種)「綁」在一起，形成原子，賸餘的電磁力再將原子組合成分子；弱力在某些原子核衰變中起作用。弱力和強力僅在很短的、不超過原子核半徑的範圍內起作用；引力和電磁力的作用範圍無窮大，所以它們最為人們所熟知。
儘管對標準模型知根知底，我們仍有理由任務它還不完備，這時就輪到希格斯玻色子出場了。具體來說，標準模型需要希格斯玻色子賦予自己在數學上的完整性，使它的適用能量範圍雖然超越了現有粒子加速器的能力，但很快可由未來加速器實現。除此之外，希格斯玻色子被認為是所有基本粒子的質量之源──從某種意義上說，粒子通過「吞食」希格斯玻色子來獲得質量。
希格斯玻色子的一大缺陷是，科學家到目前為止還未發現過它存在的証據(歐洲核子中心於2012年7月4日宣佈，他們發現了一種符合希格斯粒子屬性的粒子，並且有極高的可信度)。相反，有很多間接証據已經暗示，這種神秘粒子其實並不存在。的確，近代理論物理學在不斷向真空中添加希格斯玻色子之類的、五花八門的新玩意兒，讓人們覺得在晴朗的夜空中還能看到星星是多麼不可思議！雖然，未來的加速器或許能找到希格斯玻色子存在的証據，並且証明假設存在的原因是正確的，但我仍堅信事情並不是那麼簡單。我必須指出，這不意味著整個標準模型都是錯誤的。相反，標準模型很可能只是對真實世界的一個近似反映──儘管已經很接近真實世界。
通過在高能物理實驗室進行的散射實驗，人們可以研究基本粒子間的相互作用。例如，一束電子能被質子散射。通過分析入射粒子的散射模式，就能獲得關於相互作用力的信息。
電弱理論成功預言了電子與質子相互作用的散射模式，也同樣成功預言了電子同光子、W玻色子(傳遞弱場的粒子)和中微子的相互作用。然而，該理論在試圖預言W玻色子彼此之間的相互作用時遇到了困難。特別是從該理論出發可以得出，在足夠高的能量下，一個W玻色子被另一個W玻色子散射的幾率大於1。這樣的結果顯然有悖常理，相當於說即使一個人向靶子的相反方向扔飛鏢，仍能正中靶心一樣。
就在這時，「救星」希格斯玻色子出現了。希格斯玻色子同W玻色子以某種方式耦合，能讓散射幾率回落到允許的範圍：0到1之間的一個固定值。換句話說，將希格斯玻色子引入電弱理論後，「消除」了不合理的結論。
瞭解了希格斯玻色子是讓電弱理論重新變得正常的關鍵之後，就很容易理解應該如何搜尋這種難以捉摸的粒子了：W玻色子必須要以極高的能量(等於或大於一萬億電子伏)相互散射。這一能量能在規劃中的「超導超級對撞機」上達到，它可以實現20TeV能量的對撞。美國正在考慮建造它。如果粒子的散射模式與重整後的電弱理論相符，那麼必定存在一個抵消力，而希格斯玻色子就是一個最明顯的候選者。如果模式與預言不符，那麼W玻色子之間就很可能是強力相互作用，這將開闢一個全新的研究領域。
九、技術應用
光學激光器引領信息革命
撰文 亞瑟•L•肖洛(Arthur L. Schawlow)
1981年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1961年6月《科學美國人》
至少半個世紀以來，通信工程師都夢想擁有一種設備，能像產生無線電波那樣高效、精確地產生光波。一個普通白熾燈泡輻射出的電磁波的純度，同無線電波發生器產生的電磁波相比，簡直有天壤之別。電磁振盪器產生的無線電波的波長，限制在很窄的電磁波波段，「噪音」很低，可以用作信號載波。相反，所有傳統光源基本上就是「噪音」源，除非以最粗略、原始的方式用作信號，這類光源幾乎不適合做任何事。然而就在去年，隨著光學激光器的出現，精確控制光波的產生成為可能。
雖然光學激光器只是剛剛出現，但它們已經產生了極高強度且高度定向的光束。與來自其他光源的光束相比，這種光束的單色性要好得多。
光學激光器是全新的光源，需要一些想像力才能預測它的潛在應用。當然，信息傳遞是最顯而易見的應用，這個方向的應用獲得的關注也最多。雖然自古代以來，人類都在使用光線來傳遞信號，但由於自然光源的強度很弱，「噪音」很大，使它的應用受到了限制。我們可以把普通光束看做一種純淨的、均勻的載波，只是光源里的那些一個個原子會隨機發出光脈衝，變成「噪音」。但光學激光器能夠提供幾乎理想的均勻波，除了人工加入的信號外，沒有任何噪音。
如果能找到合適的調製方法，相幹光波(頻率、振動方向和相位差都相同的兩列波)應該能夠攜帶海量信息。因為光的頻率很高，即使在可見光範圍內一個很窄的波段里，一秒鐘也會包含數量巨大的振盪週期。光波能傳遞的信息量與每秒的週期數成 正比，因此也同波段寬度成比例。在傳播電視信號時，載波帶有的信號具有400萬個週期的有效頻寬。一個光學微波激射束完全能夠攜帶一個頻率(或者說頻寬)為1000億個週期的信號。當然，前提是能找到生成這種信號的途徑。具有這一頻率的信號能夠攜帶的信息量，相當於現在所有無線電通信頻道的總和。必須承認，沒有光束能夠很好的穿透霧、雨或雪，因此想要在實際的通信系統中應用，光束必須被封閉在管道里。
諾貝爾物理獎12個裡程碑：解密超新星爆發(5)十、攔截導彈
撰文 漢斯•A•貝蒂(Hans A. Bethe)，理查德•L•加溫(Richard L. Garwin)，庫爾特•戈特弗里德(Kurt Gottfried)，亨利•W•肯德爾(Henry W. Kendall)
1967年諾貝爾物理學獎得主(貝蒂)，1990年諾貝爾物理學獎得主(肯德爾)
本文刊登於1984年10月《科學美國人》
去年，美國總統羅納德•里根在電視演講里，號召全美科學界「給予我們新技術，放棄這些老舊無用的核武器」，表達了對技術革命的渴望，希望新技術的出現，能讓美國有能力「在戰略彈道導彈落到我們或者盟國的土地上之前，對導彈實施攔截。」
有能夠消除核滅絕威脅的彈道導彈防禦系統嗎？
我們對彈道導彈防禦系統前景的分析，將集中在助推階段的攔截上。
助推階段的攔截需要許多非武器的設備原件。我們通過探測助推器噴出的火焰，提供早期的攻擊預警。在確定來襲導彈的數量、運行軌跡及其型號(有可能的話)之後，鎖定它們，然後就準備、瞄準併發射攔截武器，並且評定此次攔截是否成功，接著發射下一輪攔截武器(如果時間允許)。
為了摧毀助推器，我們必須在看到導彈之前，就開始進行攔截(如果等到發現它之後再攔截，就來不及了)。所以，防禦系統必須從數千千米高的太空中開始助推器階段的攔截。為此，目前有兩種「定向能」武器(高度精準的武器)正在研發中：一種是利用激光束，它的速度是光速(300000千米/秒)；另一種是粒子束，速度也差不多和光速一樣快。目前，人們已經設計出了一種能夠追蹤助推器紅外信號的防爆彈。
此外，其它攔截方案，包括化學激光武器、中性粒子束武器和自動追蹤武器，都必須要安置在地球低軌道上。
目前，最亮的一種激光是，由氟化氫化學激光器產生的紅外激光束。美國國防部計劃，於1987年底之前展示一部兩百萬瓦特功率的這種激光器。假設人們目前已經擁有2500萬瓦特功率的氟化氫激光器，以及性能完美的10米直徑反光鏡。這就相當於得到了一種具備3000千米「殺傷半徑」的武器。如果每一部激光器都能發揮其最大功效，那麼，300部位於低軌道上的這種激光器，就能夠摧毀1400枚洲際彈道導彈的助推器。
粒子束武器發射的高能帶電粒子束，能夠鑽進導彈彈體深處，擾亂其導航系統中的半導體元件。然而，這些帶電粒子束會受到地球磁場的影響，運動軌跡發生彎曲。也就無法精確瞄準遠距離目標。因此，人們需要製造出中性粒子束。此外，攻擊導彈可以使用具有極強抗輻射能力的砷化鎵半導體(它的抗輻射能力比矽半導體強1000倍)，以保護導彈的導航計算機免受損傷。
十一、對時間的精確測量
撰文 韋恩•M•板野(Wayne M. Itano)，諾曼•F•拉姆齊(Norman F. Ramsey)
拉姆齊是1989年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於1993年7月《科學美國人》
隨著捕捉、冷卻原子和離子的新技術出現，我們完全能夠讓時鐘比現有的水平精確1 000倍。
最有希望的一種方案是利用被捕捉的帶電離子的共振頻率。被捕捉的離子能夠懸浮在真空中，所以它們幾乎完全不受外界幹擾，也不會同其他離子或者器壁發生碰撞。
捕捉帶電離子兩種「陷阱」。「潘寧阱」利用非均勻靜電場和均勻靜磁場的組合束縛住離子；在射頻阱(通常稱為「保羅阱」)則用振盪的非均勻電場束縛離子。惠普公司、噴氣推進實驗室，以及其他地方的研究人員研製出了使用保羅阱的標準實驗裝置。被捕捉的「獵物」是汞199離子，其最大Q值(Q代表粒子的穩定性，Q值越高，穩定性越好)標準超過了1012。這一數值比當前銫束原子鐘的Q值高10000倍。
中性原子捕捉和冷卻比捕捉離子更困難，在過去幾年里，它的技術取得了很大進展。其中的激光冷卻技術使用的是沿三條互相垂直的路徑上傳播的三對相向激光束，特別有效，可以使任何運動方向的原子慢下來。研究人員受此啟發，設計出了「光學粘膠(optical molasses)」。與離子阱相比，中性原子阱能夠儲存的原子密度更高。這是由於離子帶電，會因相互排斥作用而保持距離。在其他參數相同的情況下，原子越多信噪比越高。
使用中性原子作為頻率標準的主要障礙是，原子在阱里的共振會受激光場的強烈影響。現在，一種被稱作「原子噴泉」的器件克服了這一難題。在一些樣品原子被阱捕捉並冷卻後，它們被向上推，進入沒有激光的區域；然後，原子會由於引力的作用再落回來。在向上、向下的運動路徑上，原子都會經過振盪的場。通過這種方式，共振轉換被激發，就像位於不同振盪場束的器件一樣。
阱里的激光冷卻離子是目前研究的熱點，它是一種光學共振，頻率高達數千吉赫茲(吉：十億)。因為它Q值很高，這種標準為精確時鐘提供了很有前景的基礎。美國國家標準及技術研究所的研究人員，在單激光冷卻被捕捉離子的紫外頻段共振振盪上，觀測到了高達1013的Q值。這個數值是迄今為止，光學或微波原子振盪中發現的最高Q值。
對時鐘準確度的期望越高，越能促使我們優化當前的技術。這將打開通往新功能的一扇門。也許只有時間能告訴我們這些新功能是什麼。
十二、碳元素的奇妙王國
撰文 安德烈•K•海姆(Andre K. Geim) 菲利普•金(Philip Kim)
海姆是2010年諾貝爾物理學獎得主，本文刊登於2008年4月《科學美國人》
每當用鉛筆在紙上畫上一道，紙面上留下的痕跡裡面就包含些許當下物理學和納米技術領域最熱門的新材料：石墨烯。石墨，即鉛筆里的芯，是純碳的一種形式。它由平的、一層層堆砌起來的碳原子構成，石墨烯是對其中一層原子的稱呼。它由不斷重複的六角形網狀結構的碳原子構成，厚度僅為一個原子。它不僅是所有材料中最薄的，還十分牢固堅硬。此外，它在純態、室溫下傳導電子的速度比任何其他物質都要快。目前，世界各地實驗室的工程師們都在研究這種物質，以確定它是否能被用來製造智能顯示器、超高速晶體管以及「量子點」計算機。
另外，石墨烯在原子尺度上的奇異特性，還可以幫助物理學家們深入研究那些必須用相對論量子物理描述的現象。在這以前，對此類現象進行研究，一直都是那些使用著價值數百萬美元的望遠鏡或粒子加速器的天文物理學家和高能粒子物理學家們的「專利」。石墨烯的出現，使實驗物理學家們用實驗室里的小型儀器就能測試那些相對論量子力學預言了。
石墨烯的這兩個特點使其成為一種獨特的材料。首先，雖然它是以相對原始的方法被生產出來的，但石墨烯的結構卻非常完美。這是由於其含有的高純碳，以及碳原子排列成的晶格高度有序性的共同結果。至今，研究人員還未發現石墨烯裡面有一個原子缺陷──比如，晶格某些原子位上存在空缺，或者哪個原子的位置不對。這種完美的晶體結構秩序似乎來自於雖牢固卻可高度曲彎的碳原子間的化學鍵，進而讓它成為一種比鑽石還堅硬，同時在施加外力時又可以平面彎曲的物質。它的高質量晶格還賦予了石墨烯極高的導電性。它裡面的電子能夠自由運動，不用擔心會被晶格缺陷和外來原子散射出去。
石墨烯的第二個獨有特性是，它的導電電子運動速度比那些穿過普通金屬和半導體里的電子要快得多，彷彿質量比它們輕許多。實際上，石墨烯里的電子(或「電荷載體」)是一種奇妙的東西，屬於由類似相對論量子力學等理論規則支配的神奇世界。石墨烯固體里的這種相互作用是獨一無二的。由於石墨烯的出現，相對論量子力學不再局限於宇宙學或高能物理學中，終於走進了普通實驗室。
有一個研究方向特別值得提出，那就是基於石墨烯的電子器件研發。我們前面已經提到，石墨烯里的電荷載體運動速度很快，而且幾乎不會同自身晶格里的原子碰撞、損失能量。這一特性可用來製造彈道晶體管，這是一種比現有晶體管響應速度快得多的超高頻器件。
更誘人的是，石墨烯能幫助微電子工業延長摩爾定律的適用期。即使在納米尺度上，石墨烯仍然具有出眾的穩定性和電子導電性，我們可以用它製造尺度小於10納米，甚至小到一個苯環尺度的單獨晶體管。在不遠的未來，我們或許可以在一片石墨烯上刻製出整個集成電路。
無論這個只有一個原子厚的奇妙物質未來前景如何，至少它在以後數十年必將仍是研究的熱點。工程師們將繼續努力把創新型的石墨烯副產品推向市場，物理學家們也將繼續測試它奇異的量子特性。但是，最令人震驚的也許是，如此神奇的東西，竟然在普通鉛筆里隱藏了幾個世紀。
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