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2019年諾貝爾物理學獎花落天體物理,還有哪些與之比肩的物理成就?

荷葉塘 ? 來源:電子發燒友 ? 作者:程文智 ? 2019-10-08 18:02 ? 次閱讀
國慶長假已經結束,2019年諾貝爾獎的開獎還在繼續,今天下午揭曉了物理學獎的最終歸屬。根據貝爾獎官網消息,瑞典斯德哥爾摩當地時間8日中午,瑞典皇家科學院將2019年諾貝爾物理學獎一半授予吉姆·皮布爾斯(James Peebles),以表彰其對物理宇宙學的理論發現,另一半授予了兩位瑞士天文學家米歇爾·麥耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛茲(Didier Queloz),因為他們發現了太陽系外行星
2019年諾貝爾物理學獎獲得者及獎金分配情況
圖1:2019年諾貝爾物理學獎獲得者及獎金分配情況。
據了解,皮布爾斯出生于加拿大的溫尼伯,是普林斯頓大學阿爾貝特·愛因斯坦榮譽科學教授,也是加拿大物理學家和理論宇宙學家。自1970年以來,他被廣泛認為是世界領先的理論宇宙學家。他對原始核合成、暗物質、宇宙微波背景和結構形成等領域做出理論貢獻。
麥耶是瑞士天文學家,曾任教于日內瓦大學天文學系,已于2007年退休,但仍以榮譽退休教授身份繼續進行研究。
奎洛茲同樣是來自瑞士的天文學家,他在尋找太陽系外行星方面頗有貢獻。《衛報》稱,在日內瓦大學攻讀博士時(1995年),他和米歇爾·麥耶共同發現了圍繞主序星的首顆太陽系外行星。
倫敦大學學院發現,系外行星K2-18b大氣層含有水分,也是史上首次發現含水的宜居星球
圖2:倫敦大學學院發現,系外行星K2-18b大氣層含有水分,也是史上首次發現含水的宜居星球。
其實除了得獎的這些系外行星發現成就,在今年4月網上瘋傳的首張黑洞照片,更是引爆了全球“黑洞熱”,可以說是近年來科學發現的亮點。可惜的是黑洞照片公開是時間可能已經錯過了今年諾貝爾獎的提名時限,估計也是因為這個原因,該發現與諾貝爾獎擦肩而過。
經過6國科學家的努力,史上第一張黑洞照片問世
圖3:經過6國科學家的努力,史上第一張黑洞照片問世。
此外,還有量子物理學和超導領域的成就也不低于獲獎的天體領域。

量子物理學

美國科普作家查德·奧澤爾(Chad Orzel)在《福布斯》雜志上撰文指出,量子物理學的相關基礎研究,一直都很受諾貝爾物理學獎評審的青睞,再加上谷歌、IBM等科技企業大舉投資量子計算,具有巨大商業潛力的量子糾纏等量子物理學子領域,成為了近年來物理學界熱議的話題。
2018年,科學家首次通過量子通信衛星在中國和奧地利之間進行了量子加密視頻通話。不久之后,美國簽署了《國家量子倡議法》(National Quantum Initiative Act),旨在為量子信息科學的研究和培訓保證投資,因為量子信息科學具有巨大的商業和國家安全應用潛力。
據了解,銀行業方面正在考慮使用這項技術來保護他們的信息,像谷歌和IBM等科技巨頭也正在開發可以在幾分鐘內完成某些計算的量子計算機,而不是使用傳統的超級計算機
如果沒有該領域先驅者們奠定的理論和實驗基礎,這一切都不可能實現。
1964年,愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾(John Stewart Bell)為解決量子物理學中的一個悖論奠定了理論基礎。眾所周知,愛因斯坦曾與這個悖論作過斗爭。它被稱為貝爾定理,后來成為量子信息科學領域最重要的概念之一。在接下來的幾十年里,科學家們對它進行了越來越復雜的實驗,驗證了貝爾定理。
在2010年,法國的阿蘭·艾斯佩特(Alain Aspect)、美國的約翰·柯羅瑟(John Clauser)、和澳洲的安東·吉林哲(Anton Zeilinger)三位物理學家“因其在量子物理學基礎上的基本概念和實驗貢獻,特別是一系列日益復雜的貝爾不等式測試,而獲得沃爾夫獎(Wolf Prize)”。不幸的是,與該理論同名的貝爾在1990年去世了,這使得他沒有資格獲得諾貝爾獎,因為諾貝爾委員會的規定是不允許在人去世后頒發諾貝爾獎。

超導體

超導性是電流通過零電阻材料時所產生現象的名稱,同時也是Inside Science預測的一個領域。1911年,獲得1913年諾貝爾獎的荷蘭物理學家海克·卡梅林·昂內斯(Heike Kamerlingh Onnes)首次發現了這個現象。
1986年,來自IBM的兩位科學家約翰內斯·喬治·貝德諾茲(Johannes Georg Bednorz)和K.亞歷克斯·穆勒(K. Alex Müller)發現了一種含有氧化銅的材料,它可以在高于此前理論允許的溫度下保持超導性。一年后,兩人在1987年獲得了諾貝爾獎。而在銅材料被發現之后的20年里,這個領域沒有任何重大突破。
但是這種情況在2008年發生了改變,當時由日本研究人員細野秀夫(Hideo Hosono)領導的一組日本研究人員發現了一種新的含鐵材料,這種材料在異常高溫下具有超導性。
隨后,在2014年,一個由德國馬普化學研究所的米哈伊爾·埃雷米茨(Mikhail Eremets)領導的小組發現了另一類含氫的超導材料。這些物質的存在曾由美國康奈爾大學的內爾·阿什克羅福特(Neil Ashcroft)教授和2003年諾貝爾獎獲得者維塔利·金茨堡(Vitaly Ginzburg)在20世紀60年代預測過。
新材料的發現為科學家們更好地理解和研究這一神秘現象打開了新的大門。值得注意的是,超導性的發現已經為我們帶來了許多現代發明,如核磁共振機和粒子加速器,并可能在聚變反應堆或無損電網中找到未來的應用。

落選的物理學家及其成就

埃克特(Artur K. Ekert)
人物介紹:現年58歲的埃克特是英國牛津大學數學研究所量子物理學教授,也是新加坡國立大學“李光前百年校慶教授基金”得主。
成就:對量子計算和量子密碼學的貢獻。他是基于糾纏態的量子密碼學的發明者。
海因茨(Tony F. Heinz)
人物介紹:斯坦福大學應用物理與光子科學教授,他也是SLAC國家加速器實驗室的副主任。
成就:對二維納米材料的光學和電學性質進行了開創性的研究,更位理解碳納米管、石墨烯和二維半導體材料(如二硫化鉬)等納米材料做出了貢獻。
普度(John P. Perdew)
人物介紹:美國賓夕法尼亞州費城天普大學教授,2011年獲選美國國家科學院院士。
成就:為電子結構密度泛函理論的發展做出貢獻。
十倉好紀——電子型高溫超導體和多鐵性材料
十倉好紀教授
圖4:十倉好紀教授。
人物介紹:日本著名的物理學家,東京大學工學系物理工學專業教授,同時兼任理化學研究所創造性物質研發中心的主任。
成就:代表性較高的是電子型高溫超導體的發現、氧化物巨磁阻效應的發現和機理解明、以及關于多鐵性材料的基礎理論等,其中任何一項成就都有獲頒諾獎的可能。
細野秀雄——鐵基高溫超導
細野秀雄教授
圖5:細野秀雄教授。
人物介紹:東京工業大學前沿材料研究所教授
成就:他的研究領域包括無機材料、納米多孔機能材料、超導材料、光電子材料以及透明氧化物半導體等。他最大的成就是鐵基高溫超導的提出,同時他還是液晶面板的主流技術路線之一的IGZO(氧化銦鎵鋅,indium gallium zinc oxide)的奠基人之一。
飯島澄男——諾獎遺珠碳納米管
飯島澄男教授
圖6:飯島澄男教授。
人物介紹:碳納米管的發現者,名城大學終身教授、NEC特別主席研究員。
成就:1990年,飯島教授通過透射電鏡直觀地觀察到了足球烯的形態。1991年,他希望觀察到碳元素在反應過程中是如何相互卷曲,形成球狀結構的。于是,他重復了足球烯制備的實驗,并調整了某些參數,試圖尋找到有趣的結果。然而,令他意外的是,制備足球烯的嘗試沒成功,反而制備出了一系列納米級別的管狀構造,這就是后來被稱為碳納米管的一種全新材料。
幾種不同構型的納米碳管,作者:Mstroeck
圖7: 幾種不同構型的納米碳管,作者:Mstroeck
大野英男——磁性半導體之父
大野英男
圖8:大野英男教授和電子自旋示意圖。
人物介紹:現任日本東北大學校長,被譽為磁性半導體之父。
成就:大野教授在銦-砷或鎵-砷這樣的半導體化合物中混入一定量具有磁性的錳,最終制成了同時兼具磁性和半導體特性的磁性半導體。
磁性半導體是一種特殊的半導體,既有強磁性又有半導體特性。磁性半導體可以實現對電子自旋狀態的控制,是新型電子元器件研究的熱門領域。
“自旋”是相當復雜深奧的物理概念,但是我們不妨將其簡單化的理解為是電子的轉動方向。總的來說,自旋分為兩種狀態,即下圖所示的自旋向上和自旋向下,分別描述從左向右和從右向左兩種旋轉方式。自旋是描述電子運動狀態的重要參數,同時,它也與磁性的產生有關。如果材料中的大量電子同時呈現同一種自旋狀態,材料就會顯現出磁性。簡單來說,半導體主要利用電子的電荷特性,而磁鐵則是利用電子的自旋特性。
這種材料的制備探索起初非常艱難,在克服了一系列難關后才最終實現。磁性半導體在操控電流的同時還能實現對電子自旋的控制,給電子器件的制造帶來了全新可能,未來誕生基于磁性半導體的器件甚至是電腦絕非妄言。
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