诺贝尔物理学奖10月4日揭晓：天体物理6年来4次获奖

中国管理科学研究院集团有限公司科技管理研究所2022-10-04 18:58广东省中管科学研究院

又到一年诺奖季。据诺贝尔奖官网信息，2022年诺贝尔物理学奖获得者名单最早将于欧洲中部夏令时间10月4日11:45（北京时间10月4日17:45）揭晓。

2022年诺贝尔物理学奖获得者名单最早将于北京时间10月4日17:45揭晓

        除了一份独一无二的证书和金质奖章，2022年的诺贝尔奖的奖金金额设定为每个奖项1000万瑞典克朗（SEK），约640万元人民币。

        截至目前，诺贝尔物理学奖已颁发过115次，其中47次授予单一获奖者，32次由两位获奖者分享，36次由三位获奖者分享。

        从1901年到2021年，诺贝尔物理学奖共次授予219位诺贝尔奖获得者。约翰·巴丁是唯一曾在1956年和1972 年两次获得诺贝尔物理学奖的获奖者。这意味着共有218人曾获得诺贝尔物理学奖。

        在第一次世界大战（1914-1918）和第二次世界大战（1939-1945）期间，在1916年、1931年、1934年、1940年、1941年、1942年等六年里，没有颁发诺贝尔物理学奖。

        据人民网报道，诺贝尔物理学奖主要集中四个领域：粒子物理、天体物理、凝聚态物理、原子分子及光物理。

        从2015年到2020年的6年中，天体物理领域的研究成果已经4次获得诺贝尔物理学奖：除了2019年的宇宙学理论和系外行星外，还有2015年的中微子振荡（属于天体物理或粒子物理）以及2017年引力波的发现；而2020年的发现黑洞，也属于天体物理领域。

        2021年诺贝尔物理学奖：复杂系统之谜

        2021年诺贝尔物理学奖授予研究复杂系统的两组人，共三名物理学家，一组是研究地球气候系统，一组是研究从原子到行星尺度的复杂物理系统。

        诺贝尔基金会的章程称，奖金可以平均分配给两件作品，或由二人或三人共同获奖。但在任何情况下，奖金不得由三个以上的人分享。

        因对“理解复杂物理系统做出了开创性贡献”，三名科学家被授予2021年诺贝尔物理学奖。

        真锅淑郎、克劳斯·哈塞尔曼、乔治·帕里西分享了2021年诺贝尔物理学奖。其中，日裔美籍科学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼Klaus Hasselmann）因“建立地球气候的物理模型、量化其可变性并可靠地预测全球变暖”的相关研究获奖，意大利科学家乔治·帕里西（ Giorgio Parisi）因“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用”而获奖。

        我们的世界充满了以随机和无序为特征的复杂系统，其中之一就是对人类至关重要的复杂系统是地球气候系统。

        中国科学院大气物理研究所周天军研究员等人在《中国科学：地球科学》撰文称，以真锅淑郎和哈塞尔曼为代表的气候学界百余年的努力和积累，为工业化以来的全球变暖成因问题提供了清晰的答案。诺奖官方在新闻稿写道，“我们不能再说我们不知道，因为气候模式是明确的。地球在升温吗？是的。是因为大气中温室气体含量的增加吗？是的。可以仅仅用自然因素来解释吗？不能。人类的排放物是温度升高的原因吗？是的。”

        帕里西1948年8月出生在意大利罗马，就职于罗马大学。1980年左右，帕里西因在无序的复杂材料中发现了复杂系统的隐藏规律。

        中国科学院院士、松山湖材料实验室主任汪卫华撰文指出，帕里西的主要贡献是最早给出了“非平行体系中最简单的数学模型”——自旋玻璃模型中的严格解。他从自旋玻璃研究中发展出来的理论，很快就被扩展到其他的无序体系，诸如结构玻璃、阻塞系统、恒星运动。他对自旋玻璃本质的发现如此深入，以至于这个理论不仅影响了物理学界，同时影响了数学、生物学、神经科学甚至机器学习。

        汪卫华在文中记述称，帕里西在罗马大学的办公室周围有一群欧椋鸟，这种鸟一到傍晚就会成千上万只一起飞。帕里西和团队发展了一个三维成像系统，积累了大量鸟群的飞行数据，从而发展了一个相互作用模型，定量地解释了鸟群中集体飞行的产生机制。这个模型对后期研究各类生物系统中的集体运动有深远影响。

        2020年诺贝尔物理学奖：发现黑洞

        2020年诺贝尔物理学奖授予三位科学家，其中，英国科学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）因证明黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接结果而获奖，享有一半奖金；德国科学家赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和美国科学家安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）因在银河系中央发现超大质量天体而获奖。

        罗杰·彭罗斯、赖因哈德·根策尔、安德烈娅·盖兹分享了2020年诺贝尔物理学奖。据解放日报报道，黑洞堪称宇宙中最神秘的天体。著名天文科普作家卞毓麟介绍，黑洞是科学家根据广义相对论做出的一个重要推测，1969年由美国物理学家约翰·惠勒命名。之所以称其为“黑洞”，是因为无法用光或其他形式的电磁波观测它，任何发射到黑洞的光都会被吸收，而不会反射回来。

        华东师范大学物理与电子科学学院院长、英国物理学会会士程亚教授表示，科学界本来预测2020年诺奖不会再给天文学家，因为2017年观测到引力波的科学家获诺贝尔物理学奖，2019年诺贝尔物理学奖也花落天文领域。但首张黑洞照片可能“助攻”了诺贝尔物理学奖再次花落天文领域。

        程亚教授表示，2019年各国科学家通过相当于地球口径的超级射电望远镜，以“昆虫万千复眼”的方式合成出遥远黑洞的可见照片，让人类第一次“看见”黑洞。这也让89岁高龄的彭罗斯等到了自己的理论研究成果得到验证的那一天。彭罗斯更像是一位数学家。20世纪60年代，彭罗斯在宏观理论基础上，充满逻辑而又精准地解出了一个与黑洞关联的物理世界。

        2019年诺贝尔物理学奖：发现系外行星

        据新华社报道，2019年诺贝尔物理学奖授予三名科学家：来自美国的詹姆斯·皮布尔斯因宇宙学相关研究获奖，来自瑞士的米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹因首次发现太阳系外行星获奖。

        他们的研究指向一个永恒的问题：地球之外是否还有生命存在？

        瑞典皇家科学院在新闻公报中说，皮布尔斯对宇宙学的洞见丰富了整个领域的研究。他的理论框架自上世纪60年代中期发展起来，成为当代宇宙学的基础。

        利用他创建的理论工具和运算方法，皮布尔斯将宇宙诞生之初留下的“蛛丝马迹”成功“解码”。根据他的理论可以推算出，宇宙中95%都是神秘的暗物质和暗能量，而我们通常观测到的普通物质只占5%。

        此前人们就曾预言，满天繁星中，一定有许多恒星也拥有绕它们旋转的行星。直到1995年，马约尔和奎洛兹基于恒星会因行星引力变化而产生微小摆动的理论，才宣布首次在太阳系外发现一颗行星。它围绕银河系飞马座中一颗类似太阳的恒星运转。有人认为，这一发现堪比哥伦布发现新大陆，点燃了系外行星探索的“星星之火”，也引发了一场天文学革命，此后科学家在银河系中又发现了逾4000颗行星。

        2018年诺贝尔物理学奖：光的力量

        2018年的诺贝尔物理学奖被授予3位在设计由光制成的工具方面作出重要贡献的研究人员。

        来自美国贝尔实验室的阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）因发明光镊而获得这一殊荣。

        光镊是一种利用聚焦激光束夹住和操控包括生物样本在内的微观物体的技术，正如人们利用镊子所做的事情。利用光镊，人们可以操纵和移动原子、病毒和其他活细胞。阿什金的发明让科研人员有机会在不破坏细胞膜的前提下，深入分析细胞内发挥关键作用的分子马达，探讨其中的运作机制。

        来自法国巴黎综合理工学院的热拉尔·穆鲁（Gérard Mourou）和加拿大滑铁卢大学的唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland）因发明啁啾脉冲放大（CPA）而获奖。CPA是一项可极大提高激光脉冲功率的技术，被广泛用于物理学研究，也可以应用于癌症治疗和粒子加速领域。超强的激光束能够精准地在不同材料上实现切割和钻孔。

        2017年诺贝尔物理学奖：“看见”引力波

        早在百年前，阿尔伯特·爱因斯坦就预测了引力波的存在。

        两个黑洞相互碰撞而产生的引力波信号，经过了13亿光年才到达地球，2015年9月14日，被位于美国的LIGO探测器捕获。这是人类首次观测到宇宙中的引力波现象。

        LIGO，全称“激光干涉引力波天文台（the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）”，是一个汇集了20多个国家1000多名科研人员的合作项目。

        2015年9月、2015年12月和2017年1月先后3次探测到的引力波，都由LIGO单独完成。探测结果不仅验证了广义相对论，也为了解双黑洞系统的成因提供了线索。

        2017年8月14日，激光干涉仪引力波天文台(LIGO)的两台干涉仪和欧洲“处女座”(Virgo)引力波探测器的一台干涉仪，从三个地点几乎同时(先后相差仅几毫秒)捕获到了最新引力波事件。

        2017年诺贝尔物理学奖授予美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩，以表彰他们为发现引力波作出的贡献。

        据新华社报道，其中，雷纳·韦斯被称为LIGO的“发明者”，基普·索恩被称为代言人，而巴里·巴里什是LIGO的大主管。

        根据爱因斯坦的相对论，时空是可以弯曲的，有质量的物体在其中运动，就会产生引力波。这就好比石头丢进水里会产生水波，引力波因此常被称作“时空的涟漪”。但普通物体产生的这种引力波极为微弱。事实上，LIGO项目所观测到的两个黑洞合并产生的引力波，在仪器中只引起了比原子核还要小得多的变化。

        中国科学院物理研究所研究员曹则贤曾表示，引力波是法国科学家、科学多面手庞加莱于1905年率先提出的概念。与加速电荷会发射电磁波作类比，则有理由认为加速运动的质量也应该产生引力波。1918年，爱因斯坦在一篇名为“论引力波(ber Gravitationswellen) ”的文章中深入探讨了引力波问题，给出了引力波方程。

2016年诺贝尔物理学奖：发现新的物质形态

        据中国科学报报道，2016年诺贝尔物理学奖被授予科学家大卫·索利斯、邓肯·霍尔丹、迈克尔·科斯特利茨，获奖理由是“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”。拓扑描述的是当一个物体在未被撕裂的条件下，被拉伸、扭曲或变形时保持不变的特性。拓扑学的目标是通过一些基本特征如坑洞的数量，来描述形状和结构。因此，从拓扑方面来说，一只马克杯和一个硬面包圈是一样的，因为它们都只有一个开口，而蝴蝶脆饼则不同，因为它有两个开口。

        中科院物理所所长王玉鹏接受《中国科学报》记者采访时说，“三个人最主要的贡献就是把拓扑的概念用到了物理学上。”“他们发现了新的物质形态——拓扑物质态。普通人能看到气态、液态、固态这常见的三种物态，更深刻的层次有很多物质态的分类。”“比如说电子，导电的时候是流动的，从物理上就可以认为是液态的。”

        据新华社报道，拓扑学原本是现代数学的一个重要分支，研究物体在连续变形下不变的性质，但后来逐渐渗透到整个量子物理学领域，成为研究分析物质世界连续性和连通性的重要数学方法。

        早在20世纪70年代初，戴维·索利斯和迈克尔·科斯特利茨就发现当时有关薄层超导理论存在错误，他们借用拓扑学的概念圆满地解释了薄层物质在低温条件下的超导现象以及发生机理和相变理论。相变指的就是物质从一种相转变为另一种相的过程，而物质分固相、液相、气相这三种。

        邓肯·霍尔丹则在1988年运用拓扑概念阐述了“拓扑量子流体”在缺乏磁场条件下存在于薄层半导体内的现象，其理论为凝聚态物理的发展作出了一系列重要贡献。

附：此前十年诺贝尔物理学奖获得者名单及其贡献：

2021年诺贝尔物理学奖

“对我们理解复杂系统的开创性贡献”

真锅淑郎（Syukuro Manabe）和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）“用于地球气候的物理建模、量化变异性和可靠地预测全球变暖”

乔治·帕里西（ Giorgio Parisi）“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用”

2020年诺贝尔物理学奖

罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）“发现黑洞的形成是对广义相对论的有力预测”

赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和美国科学家安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez ）“在银河系中心发现了一个超大质量致密天体”

2019年诺贝尔物理学奖

“对我们理解宇宙演化和地球在宇宙中位置的贡献”

詹姆斯·皮布尔斯“物理宇宙学的理论发现”

米歇尔·马约尔（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹因（Didier Queloz ）“发现了围绕太阳型恒星运行的系外行星”

2018年诺贝尔物理学奖

“激光物理学领域的突破性发明”

阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）“用于光镊及其在生物系统中的应用”

热拉尔·穆鲁（Gérard Mourou）和唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland）“产生高强度、超短光脉冲的方法”

2017年诺贝尔物理学奖

雷纳·韦斯（Rainer Weiss）、巴里·巴里什（Barry C. Barish）和基普·索恩（Kip S. Thorne ）“对 LIGO 探测器和引力波观测的决定性贡献”

2016年诺贝尔物理学奖

戴维·索利斯（David J. Thouless）、邓肯·霍尔丹（F. Duncan M. Haldane）和迈克尔·科斯特利茨（J. Michael Kosterlitz）“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”

2015年诺贝尔物理学奖

梶田隆章（Takaaki Kajita）和阿瑟·麦克唐纳（Arthur B. McDonald）“发现中微子振荡，表明中微子有质量”

2014年诺贝尔物理学奖

赤崎勇（Isamu Akasaki）、天野浩（Hiroshi Amano）和中村修二（Shuji Nakamura）“发明了高效的蓝色发光二极管，能够实现明亮且节能的白光源”

2013年诺贝尔物理学奖

弗朗索瓦·恩格勒特 ( Franois Englert)和彼得·希格斯 ( Peter W. Higgs )“一种有助于我们理解亚原子粒子质量起源机制的理论发现，最近通过欧洲核子研究中心的大型强子对撞机的ATLAS和CMS实验发现此前预测的基本粒子而得到了证实”

2012年诺贝尔物理学奖

塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）和 戴维·瓦恩兰（David J. Wineland）“用于测量和操纵单个量子系统的突破性实验方法”

2011年诺贝尔物理学奖

索尔·佩尔马特（Saul Perlmutter）、布莱恩·施密特（Brian P. Schmidt）和亚当·里斯（Adam G. Riess ）“通过观测遥远的超新星发现宇宙加速膨胀”

附：

2022年诺贝尔物理学奖揭晓！三位科学家分享