2019年諾貝爾物理學(xué)獎花落天體物理，還有哪些與之比肩的物理成就？
國慶長假已經(jīng)結(jié)束，2019年諾貝爾獎的開獎還在繼續(xù)，今天下午揭曉了物理學(xué)獎的最終歸屬。根據(jù)貝爾獎官網(wǎng)消息，瑞典斯德哥爾摩當(dāng)?shù)貢r間8日中午，瑞典皇家科學(xué)院將2019年諾貝爾物理學(xué)獎一半授予吉姆·皮布爾斯（James Peebles），以表彰其對物理宇宙學(xué)的理論發(fā)現(xiàn)，另一半授予了兩位瑞士天文學(xué)家米歇爾·麥耶（Michel Mayor）和迪迪?！た迤潱―idier Queloz），因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了太陽系外行星。
圖1：2019年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者及獎金分配情況。
據(jù)了解，皮布爾斯出生于加拿大的溫尼伯，是普林斯頓大學(xué)阿爾貝特·愛因斯坦榮譽(yù)科學(xué)教授，也是加拿大物理學(xué)家和理論宇宙學(xué)家。自1970年以來，他被廣泛認(rèn)為是世界領(lǐng)先的理論宇宙學(xué)家。他對原始核合成、暗物質(zhì)、宇宙微波背景和結(jié)構(gòu)形成等領(lǐng)域做出理論貢獻(xiàn)。
麥耶是瑞士天文學(xué)家，曾任教于日內(nèi)瓦大學(xué)天文學(xué)系，已于2007年退休，但仍以榮譽(yù)退休教授身份繼續(xù)進(jìn)行研究。
奎洛茲同樣是來自瑞士的天文學(xué)家，他在尋找太陽系外行星方面頗有貢獻(xiàn)。《衛(wèi)報》稱，在日內(nèi)瓦大學(xué)攻讀博士時（1995年），他和米歇爾·麥耶共同發(fā)現(xiàn)了圍繞主序星的首顆太陽系外行星。
圖2：倫敦大學(xué)學(xué)院發(fā)現(xiàn)，系外行星K2-18b大氣層含有水分，也是史上首次發(fā)現(xiàn)含水的宜居星球。
其實(shí)除了得獎的這些系外行星發(fā)現(xiàn)成就，在今年4月網(wǎng)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(xué)發(fā)現(xiàn)的亮點(diǎn)。可惜的是黑洞照片公開是時間可能已經(jīng)錯過了今年諾貝爾獎的提名時限，估計也是因?yàn)檫@個原因，該發(fā)現(xiàn)與諾貝爾獎擦肩而過。
圖3：經(jīng)過6國科學(xué)家的努力，史上第一張黑洞照片問世。
此外，還有量子物理學(xué)和超導(dǎo)領(lǐng)域的成就也不低于獲獎的天體領(lǐng)域。
量子物理學(xué)
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(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)研究，一直都很受諾貝爾物理學(xué)獎評審的青睞，再加上谷歌、IBM等科技企業(yè)大舉投資量子計算，具有巨大商業(yè)潛力的量子糾纏等量子物理學(xué)子領(lǐng)域，成為了近年來物理學(xué)界熱議的話題。
2018年，科學(xué)家首次通過量子通信衛(wèi)星在中國和奧地利之間進(jìn)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(xué)的研究和培訓(xùn)保證投資，因?yàn)榱孔有畔⒖茖W(xué)具有巨大的商業(yè)和國家安全應(yīng)用潛力。
據(jù)了解，銀行業(yè)方面正在考慮使用這項(xiàng)技術(shù)來保護(hù)他們的信息，像谷歌和IBM等科技巨頭也正在開發(fā)可以在幾分鐘內(nèi)完成某些計算的量子計算機(jī)，而不是使用傳統(tǒng)的超級計算機(jī)。
如果沒有該領(lǐng)域先驅(qū)者們奠定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，這一切都不可能實(shí)現(xiàn)。
1964年，愛爾蘭物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾(John Stewart Bell)為解決量子物理學(xué)中的一個悖論奠定了理論基礎(chǔ)。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(xué)領(lǐng)域最重要的概念之一。在接下來的幾十年里，科學(xué)家們對它進(jìn)行了越來越復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(xué)家“因其在量子物理學(xué)基礎(chǔ)上的基本概念和實(shí)驗(yàn)貢獻(xiàn)，特別是一系列日益復(fù)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?yàn)橹Z貝爾委員會的規(guī)定是不允許在人去世后頒發(fā)諾貝爾獎。
超導(dǎo)體
超導(dǎo)性是電流通過零電阻材料時所產(chǎn)生現(xiàn)象的名稱，同時也是Inside Science預(yù)測的一個領(lǐng)域。1911年，獲得1913年諾貝爾獎的荷蘭物理學(xué)家?？恕た妨帧ぐ簝?nèi)斯(Heike Kamerlingh Onnes)首次發(fā)現(xiàn)了這個現(xiàn)象。
1986年，來自IBM的兩位科學(xué)家約翰內(nèi)斯·喬治·貝德諾茲(Johannes Georg Bednorz)和K.亞歷克斯·穆勒(K. Alex Müller)發(fā)現(xiàn)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(dǎo)性。一年后，兩人在1987年獲得了諾貝爾獎。而在銅材料被發(fā)現(xiàn)之后的20年里，這個領(lǐng)域沒有任何重大突破。
但是這種情況在2008年發(fā)生了改變，當(dāng)時由日本研究人員細(xì)野秀夫(Hideo Hosono)領(lǐng)導(dǎo)的一組日本研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的含鐵材料，這種材料在異常高溫下具有超導(dǎo)性。
隨后，在2014年，一個由德國馬普化學(xué)研究所的米哈伊爾·埃雷米茨(Mikhail Eremets)領(lǐng)導(dǎo)的小組發(fā)現(xiàn)了另一類含氫的超導(dǎo)材料。這些物質(zhì)的存在曾由美國康奈爾大學(xué)的內(nèi)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(jì)60年代預(yù)測過。
新材料的發(fā)現(xiàn)為科學(xué)家們更好地理解和研究這一神秘現(xiàn)象打開了新的大門。值得注意的是，超導(dǎo)性的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)為我們帶來了許多現(xiàn)代發(fā)明，如核磁共振機(jī)和粒子加速器，并可能在聚變反應(yīng)堆或無損電網(wǎng)中找到未來的應(yīng)用。
落選的物理學(xué)家及其成就
?？颂?Artur K. Ekert)
人物介紹：現(xiàn)年58歲的埃克特是英國牛津大學(xué)數(shù)學(xué)研究所量子物理學(xué)教授，也是新加坡國立大學(xué)“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(xué)的貢獻(xiàn)。他是基于糾纏態(tài)的量子密碼學(xué)的發(fā)明者。
海因茨(Tony F. Heinz)
人物介紹：斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理與光子科學(xué)教授，他也是SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的副主任。
成就：對二維納米材料的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究，更位理解碳納米管、石墨烯和二維半導(dǎo)體材料（如二硫化鉬）等納米材料做出了貢獻(xiàn)。
普度(John P. Perdew)
人物介紹：美國賓夕法尼亞州費(fèi)城天普大學(xué)教授，2011年獲選美國國家科學(xué)院院士。
成就：為電子結(jié)構(gòu)密度泛函理論的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
十倉好紀(jì)——電子型高溫超導(dǎo)體和多鐵性材料
圖4：十倉好紀(jì)教授。
人物介紹：日本著名的物理學(xué)家，東京大學(xué)工學(xué)系物理工學(xué)專業(yè)教授，同時兼任理化學(xué)研究所創(chuàng)造性物質(zhì)研發(fā)中心的主任。
成就：代表性較高的是電子型高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)、氧化物巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和機(jī)理解明、以及關(guān)于多鐵性材料的基礎(chǔ)理論等，其中任何一項(xiàng)成就都有獲頒諾獎的可能。
細(xì)野秀雄——鐵基高溫超導(dǎo)
圖5：細(xì)野秀雄教授。
人物介紹：東京工業(yè)大學(xué)前沿材料研究所教授
成就：他的研究領(lǐng)域包括無機(jī)材料、納米多孔機(jī)能材料、超導(dǎo)材料、光電子材料以及透明氧化物半導(dǎo)體等。他最大的成就是鐵基高溫超導(dǎo)的提出，同時他還是液晶面板的主流技術(shù)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
圖6：飯島澄男教授。
人物介紹：碳納米管的發(fā)現(xiàn)者，名城大學(xué)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(tài)。1991年，他希望觀察到碳元素在反應(yīng)過程中是如何相互卷曲，形成球狀結(jié)構(gòu)的。于是，他重復(fù)了足球烯制備的實(shí)驗(yàn)，并調(diào)整了某些參數(shù)，試圖尋找到有趣的結(jié)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(gòu)造，這就是后來被稱為碳納米管的一種全新材料。
圖7: 幾種不同構(gòu)型的納米碳管，作者：Mstroeck
大野英男——磁性半導(dǎo)體之父
圖8：大野英男教授和電子自旋示意圖。
人物介紹：現(xiàn)任日本東北大學(xué)校長，被譽(yù)為磁性半導(dǎo)體之父。
成就：大野教授在銦-砷或鎵-砷這樣的半導(dǎo)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(dǎo)體特性的磁性半導(dǎo)體。
磁性半導(dǎo)體是一種特殊的半導(dǎo)體，既有強(qiáng)磁性又有半導(dǎo)體特性。磁性半導(dǎo)體可以實(shí)現(xiàn)對電子自旋狀態(tài)的控制，是新型電子元器件研究的熱門領(lǐng)域。
“自旋”是相當(dāng)復(fù)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(zhuǎn)動方向?？偟膩碚f，自旋分為兩種狀態(tài)，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(zhuǎn)方式。自旋是描述電子運(yùn)動狀態(tài)的重要參數(shù)，同時，它也與磁性的產(chǎn)生有關(guān)。如果材料中的大量電子同時呈現(xiàn)同一種自旋狀態(tài)，材料就會顯現(xiàn)出磁性。簡單來說，半導(dǎo)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(guān)后才最終實(shí)現(xiàn)。磁性半導(dǎo)體在操控電流的同時還能實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體的器件甚至是電腦絕非妄言。
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