《大众科学》在其167年的历史中，刊登了无数杰出科学家作者的贡献。其中，近150位诺贝尔奖获得者曾为该杂志撰稿，总共贡献了200多篇文章。在七月刊中，我们重点介绍了过去物理学诺贝尔奖得主撰写的12篇文章摘录，以配合在德国林道举行的第62届诺贝尔奖获得者年度会议，今年的会议重点是物理学。
为了更全面地展现杂志档案中包含的发现故事，我们选择了另外三篇由物理学诺贝尔奖得主撰写的文章。以下摘录的所有三篇文章都以某种方式与他们各自获得诺贝尔奖的研究相关。
例如，威廉·H·布拉格在1930年的叙述中描述了X射线如何为晶体结构提供一个窗口。他曾因在该领域的进步而与他的儿子分享了1915年诺贝尔物理学奖。同样，劳雷特·唐纳德·A·格拉泽因其1955年文章《气泡室》中详述的发明而于1960年获奖。而最近的2011年物理学诺贝尔奖则授予了三位在发现宇宙膨胀正在加速（这要归功于“暗能量”）方面发挥主导作用的研究人员。其中一位研究人员亚当·G·里斯与他人合著了一篇2004年发表在《大众科学》上的文章（摘录如下），内容是关于确定宇宙何时开始加速的努力。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们今天世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
X射线手指探寻物质的原子结构
作者：威廉·H·布拉格（1915年诺贝尔物理学奖）
发表于1930年12月
人类拥有预测克服困难结果的能力和尝试克服困难的愿望，因此设计了各种巧妙的方法来帮助他完成任务。首先考虑到那些取决于他视觉不足的困难，他发明了显微镜，这使他能够看到比肉眼所能感知的精细数千倍的细节。
但是显微镜无法逾越一个界限。借助它，我们可以感知到非常小的东西，但不是“非常非常”小的东西。活细胞的结构细节，金属、棉花、丝绸、橡胶、油漆、骨骼、神经以及其他成千上万种物质的基本特征，即使对于显微镜来说也是隐藏的，并且将永远保持隐藏，因为失败不在于光学家的技能，而在于光线本身的能力不足。
辐射的本质在许多方面都是一个谜，但我们对它了解得足够多，可以理解，我们可以从它的许多重要方面来谈论它，就像是某种介质（我们称之为以太）中的波。如果辐射落在任何物体上，它会被偏转并以各种方式修改。当我们的眼睛朝向物体时，它们会接收经过修改的射线，并且我们通过长期的实践已经学会从这些修改中了解制造它们的物体的性质。这就是“看见”。
这个过程的中心点是散射和修改的行为。现在波具有一定的波长，关于我们可能看到的此类波的常见经验，例如在海面上看到的波，告诉我们，一个比波长小得多的物体对它没有明显的影响。同样，可能存在一些物体太小，以至于它们无法影响光线，并且此类物体在普通意义上永远是不可见的。我们眼睛可以感知到的光波的长度在五万分之一英寸左右的短范围内。
X射线为我们打破了障碍，并将我们带入了这个我们想要进入的广阔领域。它们之所以能做到这一点，是因为它们作为光波的特性，比可见波小约10000倍，但性质完全相同。
如果一种物质的所有组成原子都以相同的模式排列，以至于直线行从一侧延伸到另一侧，则该物质是单晶体；晶体特性仅仅意味着完美的排列。但是大多数物质，尤其是我们每天处理的物质，例如金属，必须被描述为小而独立的晶体团。
无论我们如何尝试使[多晶材料的棒]变形，总有一些晶体抵抗以特定方式变形。并且各种晶体根据我们尚未完全理解的某些原理相互支持。因此，棒的性质取决于其晶体特性。只有X射线才能告诉我们晶体的内部排列。
X射线的波长足够短，可以被原子偏转或散射，而较长的光波则不能。然而，单个原子能做的非常少。这就是晶体排列的规律性发挥作用的地方。即使在肉眼可见的晶体中，图案单元也被重复了无数次。无论这些单元中的一个以散射的方式做什么，所有其他单元都以规则的顺序做。组合量是可感知的，因此可以检测到晶体特性。
当然，这是一种检查结构的间接方式。我们没有感知到单个原子；我们只发现了它们的排列。但是，如此获得的知识可以与我们已经拥有的其他知识相结合，并且我们实际上已经发现自己能够破译自然界的模式，其程度是我们几年前做梦也想不到的。
气泡室
作者：唐纳德·A·格拉泽（1960年诺贝尔物理学奖）
发表于1955年2月
物理学家在探索原子核的亚微观世界时，就像是在黑暗洞穴中摸索的人，他们手电筒只能瞬间亮起，并且每次只照亮洞穴的一个小角落。偶尔，闪光灯会捕捉到一些活动或事件——要么是一个熟悉的粒子以熟悉的方式表现，要么是一些奇怪的新粒子，其行为完全令人费解。核物理学家正试图从这些稀少的瞥见中识别粒子以及在原子核黑暗、剧烈的世界中发挥作用的力。如果他们有一个更好的手电筒，那将会有所帮助。
让我们花点时间看看他们试图观察的事件以及迄今为止可用的观察设备。物理学家正在通过用粒子轰击原子核来探测原子核，最好是用能量足以将原子核分解成其组成部分的粒子。
他有两种观察和测量这些事件的方法。第一种是威尔逊云室。在蒸气过饱和的腔室中，飞行的带电粒子会留下可见的液滴轨迹，液滴凝结在粒子通过撞击蒸气和气体原子在其路径上产生的离子上……有时粒子会分解（“衰变”）成较小的粒子，这些粒子会产生发散的轨迹。但是，这些有趣的事件在充气腔室中很少发生，因为气体中的碰撞不频繁。
第二种记录核事件的设备是照相乳胶。冲入致密乳胶的粒子具有很高的与原子核碰撞的概率；因此，乳胶很有可能显示有趣的事件，包括散射、裂变和新粒子的形成。然而，乳胶也有其缺点。它的高密度使得碰撞非常频繁，粒子路径非常弯曲，以至于无法测量磁场的影响。并且从制造出来的那一刻起，乳胶就开始收集来自宇宙射线和地球放射性的随机粒子轨迹。
是否可以找到某种折衷方案，消除云室和乳胶的缺陷，并结合各自的优点？在1952年5月，我开始尝试一种解决问题的新方法，我很快决定探索液体介质的可能性。
液体中哪种可逆过程可以显示飞行粒子的路径并在其通过后快速擦除轨迹？它必须是一个放大原子粒子自身微小效应的过程，就像过饱和蒸气中液滴的凝结放大了粒子在云室中产生的电离一样。我想到，过热的液体，就像过饱和的蒸气一样，可能会提供所需的，可以通过微小刺激触发以产生大效应的不稳定平衡。物理化学家早就知道，在干净、光滑的壁容器中，非常纯净的液体可以在不沸腾的情况下被加热到高于其通常沸点的温度。我想知道，在合适的条件下，飞行粒子是否会触发微小气泡的形成，从而启动沸腾过程。如果是这样，它可能会在过热的液体中形成可见的轨迹。
我使用了一个装满乙醚的球泡（内径为半英寸）；它通过毛细管连接到一个带有手柄曲柄的活塞式气缸，手柄曲柄可以快速降低压力。以每秒3000帧的速度拍摄了球泡内压力降低时发生情况的高速电影。果然，当粒子穿过过热的乙醚时，照片显示了一条微小气泡的轨迹。气泡式腔室很快被证明是一种非常灵敏的记录器。即使是轻微电离的快速μ介子，也在过热的液体中形成了可见的轨迹。
在证明气泡室的想法可行之后，我们着手建造一个足够大，可以实际用于实验室的腔室。我们首先建造了一个两英寸的铝合金和玻璃腔室，带有一个隔膜，由压缩空气驱动，可以在千分之五秒内完全膨胀腔室。液体保持敏感状态七千分之一秒。然后，我们将相同的设计特征纳入一个更大的填充戊烷的版本中，其中液体体积为六英寸长、两英寸宽和三英寸高。这个腔室现在正在布鲁克海文国家实验室的同步加速器中使用。我们已经拍摄了400张来自这个加速器的质子轨迹的优秀照片。这些轨迹照片与最好的云室记录一样容易阅读，并且准确度大约高出10倍。
从减速到加速
作者：亚当·G·里斯（2011年诺贝尔物理学奖）和迈克尔·S·特纳
发表于2004年2月
从艾萨克·牛顿时代到1990年代后期，引力的定义特征是其吸引力。引力使我们脚踏实地。它减缓了棒球的上升速度，并将月球保持在绕地球的轨道上。引力阻止了我们的太阳系分崩离析，并将巨大的星系团结合在一起。尽管爱因斯坦的广义相对论允许引力既可以推也可以拉，但大多数物理学家认为这纯粹是一种理论上的可能性，与今天的宇宙无关。直到最近，天文学家还完全期望看到引力减缓宇宙的膨胀。
然而，在1998年，研究人员发现了引力的排斥力一面。通过仔细观察遥远的超新星——恒星爆炸，在短暂的时间内像100亿个太阳一样明亮——天文学家发现它们比预期的要暗淡。对这种差异最合理的解释是，来自数十亿年前爆炸的超新星的光线传播的距离比理论学家预测的要远。反过来，这种解释导致了一个结论，即宇宙的膨胀实际上正在加速，而不是减速。在过去的几年中，天文学家通过研究越来越遥远的超新星，巩固了宇宙加速的案例。
但是，宇宙的膨胀是否在宇宙的整个生命周期中都在加速，还是只是相对最近的发展——也就是说，发生在过去五十亿年左右？答案具有深远的意义。如果科学家发现宇宙的膨胀一直在加速，他们将不得不完全修改他们对宇宙演化的理解。但是，如果正如宇宙学家所预期的那样，加速被证明是最近的现象，研究人员或许能够确定其原因——并且或许可以通过了解膨胀何时以及如何开始加速来回答宇宙命运这个更大的问题。
在爱因斯坦的理论中，引力作为一种吸引力的概念仍然适用于所有已知的物质和能量形式，即使在宇宙尺度上也是如此。因此，广义相对论预测，宇宙的膨胀应该以由宇宙内部物质和能量密度决定的速率减速。但是，广义相对论也允许存在具有奇异性质的能量形式，这些能量形式会产生排斥引力。加速而非减速膨胀的发现显然揭示了这样一种能量形式的存在，被称为暗能量。
膨胀是减速还是加速取决于两个巨头之间的战斗：物质的吸引性引力拉力和暗能量的排斥性引力推力。在这场较量中重要的是各自的密度。随着宇宙膨胀，物质的密度会降低，因为空间的体积会增加。尽管对暗能量知之甚少，但预计随着宇宙膨胀，其密度变化缓慢或根本不变。目前，暗能量的密度高于物质的密度，但在遥远的过去，物质的密度应该更高，因此当时的膨胀应该是减速的。
重要的是寻找早期减速膨胀阶段的直接证据。这样的证据将有助于证实标准的宇宙学模型，并为科学家提供关于当前宇宙加速时期潜在原因的线索。由于望远镜在收集来自遥远恒星和星系的光时会及时回溯，因此天文学家可以通过关注遥远的天体来探索宇宙的膨胀历史。该历史被编码在星系的距离和退行速度之间的关系中。如果膨胀正在减速，则遥远星系的速度将相对大于哈勃定律预测的速度。如果膨胀正在加速，则遥远星系的速度将低于预测值。或者，换句话说，如果宇宙正在加速，则具有给定退行速度的星系将比预期的更远——因此更暗淡。
为了利用这个简单的事实，需要找到具有已知本征光度——物体每秒产生的辐射量——并且可以在整个宇宙中看到的天文物体。一类特殊的超新星，称为Ia型超新星，非常适合这项任务。在过去的十年中，研究人员已经仔细校准了Ia型超新星的本征光度，因此可以从其视亮度确定到其中一次爆炸的距离。
然而，找到如此古老而遥远的超新星是困难的。当宇宙是现在一半大小时爆炸的Ia型超新星大约只有天空中最亮的恒星天狼星的百亿分之一亮度。地面望远镜无法可靠地探测到这些物体，但哈勃太空望远镜可以。2001年，我们中的一位（里斯）宣布，太空望远镜在重复观测中意外地拍摄到了一颗极其遥远的Ia型超新星（称为SN 1997ff）。考虑到来自这颗恒星爆炸的光的红移——大约发生在100亿年前，当时宇宙是现在大小的三分之一——该物体看起来比[星际空间中填充的尘埃只是使超新星看起来暗淡，正如一些研究人员提出的那样]要亮得多。这个结果是减速时代的第一个直接证据。我们两人提出，对更多高红移超新星的观测可以提供确凿的证据，并确定从减速到加速的转变。
先进巡天照相机是2002年安装在太空望远镜上的新型成像仪器，它使科学家能够将哈勃望远镜变成一台超新星猎取机器。里斯领导了一项努力，通过搭载大型天文台起源深空巡天项目来发现所需的大量非常遥远的Ia型超新星样本。该团队发现了六颗在宇宙小于现在一半大小（七十多亿年前）时爆炸的超新星；连同SN 1997ff，这些是有史以来发现的最遥远的Ia型超新星。观测证实了早期减速期的存在，并将减速和加速之间的过渡“漂移点”定在大约五十亿年前。