每年夏天，诺贝尔奖获得者都会聚集在德国林道，与来自全球各个角落的有为科学家分享他们的智慧，并向他们学习。今年的第62届会议的重点是物理学。为了纪念这一盛事，我们两人从诺贝尔奖得主多年来在该杂志上发表的一些最引人入胜的文章中挑选了节选，主题涵盖从宇宙学到粒子物理学再到技术。
当我们收集这些选集时（从反面页开始），我们再次被几十年前困扰物理学家的问题继续推动当今研究的方式所震惊。是的，自从阿尔伯特·爱因斯坦、P.A.M. 狄拉克和恩里科·费米时代以来，这个领域已经发生了变化。物理学家已经取得了巨大的飞跃（例如构建和完善粒子物理学的标准模型）并遇到了奇怪的转折（例如暗能量）。然而，现在正在解决的许多问题，从根本上讲，与过去一个世纪以来推动研究的问题相同——其中包括：为什么物质比反物质丰富得多？希格斯玻色子（被广泛认为解释了亚原子粒子的质量）真的存在吗？“幽灵般的超距作用”揭示了世界的运作方式的什么？
物质无处不在。它构成了这本杂志、你的手，甚至页面和你的脸之间的空气。另一方面，反物质极其稀有。（这对我们这些物质生物来说是件好事，因为粒子和反粒子在接触时会湮灭。）但是物质和反物质应该在宇宙之初就以平衡状态存在；不知何故，物质胜出，从而形成了星系、太阳系和人类。物理学家长期以来一直想知道是什么倾斜了天平。
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1956 年，埃米利奥·塞格雷和克莱德·E·威根在《大众科学》杂志上详细介绍了他们团队发现反质子的过程，反质子是每个原子核心中常见质子的反物质对应物。塞格雷和威根的小组在前一年在加州大学伯克利分校现已废弃的贝伐特朗粒子加速器中发现了这种短寿命的反粒子，塞格雷和他的伯克利同事欧文·张伯伦因这一发现而分享了 1959 年诺贝尔物理学奖。他们对反质子的探测是在 1932 年卡尔·D·安德森发现反电子或正电子之后，而正电子本身是在 1930 年狄拉克对电子进行理论描述之后发现的，狄拉克的描述暗示了这种反粒子的存在。
自那时以来，物理学家们已经沿着狄拉克、安德森、张伯伦和塞格雷的足迹迈出了下一步：拼凑出基本的反物质原子，以观察它们是否在某些关键方面与普通原子不同。在日内瓦附近的欧洲核子研究中心 (CERN)，研究人员将反质子与正电子结合，产生反氢原子。去年，一个小组成功地保护了反原子免于湮灭数分钟——有足够的时间对这种物质进行测试。如果引力或辐射与反物质的相互作用不同，那可能会为物质在今天如此丰富提供线索。
马丁纽斯·J·G·维尔特曼在 1986 年的《大众科学》中探讨了物理学的另一个领域，他写到了标准模型的一个小问题，标准模型是描述我们宇宙基本粒子的出色框架。维尔特曼指出，标准模型中的一个关键粒子尚未被观察到，而且实际上，该粒子似乎正在努力避免被探测到。没有它，其他粒子的质量将难以解释。
当然，这个粒子就是希格斯玻色子。在维尔特曼写到希格斯玻色子可能在计划中的德克萨斯州超导超级对撞机 (SSC) 中被发现 25 年多后，物理学家仍在等待他们第一次看到这个至关重要的玻色子。SSC 从未完成，因此追逐转移到了欧洲核子研究中心 (CERN) 的大型强子对撞机 (LHC)，该对撞机自 2009 年以来一直在运行。欧洲核子研究中心逐步提高了 LHC 碰撞的能量，并预计到今年年底将有足够的数据最终宣布标准模型的希格斯玻色子是否存在。
甚至在标准模型拼凑起来之前，物理学家们就已经在剖析它所描述的粒子的行为。1935 年，爱因斯坦与两位同事合著了一篇论文，指出当时的量子力学必然存在一种令人不安的现象，称为非定域性。物理学家指出，在一个位置测量粒子的观察者可以瞬间影响另一个位置粒子的状态，无论距离多么遥远。这种效应似乎是荒谬的。爱因斯坦和他的同事认为，非定域性是一个问题，可能会使人们对量子力学的可行性产生怀疑。
实验物理学家花费了数十年的时间来验证粒子确实可以通过一种称为量子纠缠的现象共享非定域连接。物理学家现在经常产生成对的纠缠光子，例如，它们之间共享一种偏振态。单个原子也已纠缠，宏观物体（例如合成金刚石晶片）也是如此。纠缠不仅仅是一种量子戏法——有一天，它可能会使通信和计算能力远远超过当今的电子产品所能达到的水平。
这些实验的关键是激光，量子手电筒，其行为良好的光子本身可以被纠缠，也可以用于在其他粒子之间建立纠缠。在 1961 年第 71 页节选的一篇文章中，阿瑟·L·肖洛赞扬了激光（最初称为光学脉泽）的巨大前景，当时激光才诞生一年。肖洛因在激光发明中的作用而于 1981 年获得诺贝尔奖。他的学术后代，那些利用激光探索量子纠缠的光学物理学家，经常被认为是近期诺贝尔奖的领跑者。
下一代诺贝尔奖物理学家（其中一些人可能会在今年的林道聚会上找到）将把该领域引向何方？如果历史可以作为指导，那么未来的辉煌的一些暗示可能会在过去的获奖者和杂志文章中找到。
天体物理学
宇宙射线的秘密信息
作者：阿瑟·H·康普顿
发表于 1933 年 7 月
1927 年诺贝尔奖
宇宙射线的研究被描述为“现代物理学中独一无二的，因为它现象的微小、观测的精细、观察者的冒险远足、分析的微妙以及推论的宏伟。” 我们相信，这些射线正在给我们带来一些重要的信息。也许它们正在告诉我们我们的世界是如何演变的，或者原子核最内部结构的消息。我们现在正在努力解码这条信息。
大约五年前，两位德国物理学家博特和科尔霍斯特用计数管做了一个实验，这让他们确信宇宙射线是带电粒子。但是，如果这个结论是正确的，那就意味着地球不同地区的射线强度应该存在差异。因为地球就像一块巨大的磁铁，这块巨大的磁铁应该会偏转射向地球的带电粒子。这种效应在磁极附近应该最小，在赤道附近应该最大，从而导致从赤道到两极的强度逐渐增加。旨在检测这种效应的一系列六个不同实验得出了不确定的数据。
因此，在卡内基研究所的资助下，我们在芝加哥大学的一个小组在过去 18 个月中组织了九次不同的探险，前往地球的不同地区，测量从海平面到安第斯山脉和喜马拉雅山脉近四英里高的山顶的宇宙射线。两位能干的登山家卡普和科文在阿拉斯加雄伟的麦金利山一侧的冰川上丧生，但他们获得了迄今为止如此靠近极地的纬度的最高海拔数据。
将这些探险的结果汇总在一起后，发现极地附近的宇宙射线强度比赤道附近高约 15%。此外，它随纬度变化，正如预测的那样，这是由于地球磁场对入射带电粒子的影响。在高海拔地区，地球磁场的影响被发现比海平面大几倍。
这些结果表明，至少宇宙射线的大部分是由带电粒子组成的。然而，一些宇宙射线并没有受到地球磁场的明显影响。其他类型的测量，例如皮卡德和雷根在他们的高空飞行气球飞行中的测量以及博特和科尔霍斯特的计数器实验，使我们得出结论，这些射线中以光子形式存在的非常少，就像光一样，但可能存在相当数量的辐射形式为原子或原子核，原子量较低。
应该说一下单个宇宙射线所代表的巨大能量。让我们以电子伏特作为我们的能量单位。燃烧一个氢原子会释放出大约两个这样的单位。当镭射出一个阿尔法粒子时，会出现两百万个单位。但需要一百亿个这样的单位才能构成宇宙射线。这种巨大的能量从何而来？这个问题的答案或许就在于我们宇宙是如何形成的谜题的答案。
X 射线星
作者：里卡尔多·贾科尼
发表于 1967 年 12 月
2002 年诺贝尔奖
尽管星际空间充满了整个电磁频谱的辐射，从极短的伽马射线和 X 射线到极长的无线电波，但相对较少的宇宙辐射到达地球表面。我们的大气层屏蔽了大部分波长。特别是，大气层完全不透明于波长小于 2,000 埃单位的波长。因此，只能通过将仪器送入我们大气层的外部区域（在气球或火箭中）来探测来自太空的 X 射线辐射。
随着火箭飞行和发送仪器有效载荷的机会变得更加频繁，麻省理工学院的布鲁诺·B·罗西建议对天空进行 X 射线调查，我们美国科学与工程公司的一个小组承担了这项研究。
载有仪器的 Aerobee 火箭于 1962 年 6 月 18 日午夜在白沙导弹靶场发射。我们的实验由赫伯特·古尔斯基、F·R·保利尼和我准备，并得到了罗西的合作。在火箭到达其峰值高度 225 公里（地球表面以上 140 英里）之前的某个时间，舱门打开以暴露探测器。随着火箭绕其轴线旋转，探测器扫描了天空 120 度的范围，包括月球的位置。
来自探测器的遥测信号没有显示来自月球的任何 X 射线辐射迹象。然而，从南方天空的天蝎座方向，探测器揭示了一个强烈的 X 射线源的存在。计数器记录的强度比人们预期的（根据太阳的 X 射线发射率）从任何遥远的宇宙源到达的强度高一百万倍！
对记录进行了三个月的仔细研究，证实辐射确实是 X 射线（波长为 2 到 8 埃），它来自太阳系外，并且源头大致位于我们星系的中心方向。什么样的物体会发出如此强大的 X 射线通量呢？
我们在一年中的不同时间（1962 年 10 月和 1963 年 6 月）进行了两次额外的火箭调查，通过三角测量缩小了强 X 射线源的位置，我们发现它实际上并不在银河系中心。与此同时，赫伯特·弗里德曼和他在海军研究实验室的合作者成功地将源头的位置定位在天空两度弧度内，这表明 X 射线发射器是一颗恒星，而不是一大群恒星。
到这时，源头是一个离散物体的证据变得非常有力，以至于我们将其命名为 Sco（天蝎座）X-1。人们可能期望一个以 X 射线形式倾泻如此多能量的物体至少应该是一颗相当明亮的恒星，因此可以清晰地看到。然而，源头区域却荒芜，没有引人注目的恒星。
接下来的问题是在指示位置的可见恒星中识别出 X 射线星。Sco X-1 的位置仅在约一度范围内已知，在其天空区域内，每平方度大约有 100 颗 13 等星。对新数据进行了详细分析，以更精确地确定位置。该分析将位置缩小到两个同样可能找到恒星的位置。
根据这些位置，东京天文台以及威尔逊山和帕洛玛天文台对 Sco X-1 进行了望远镜搜索。东京天文台的天文学家立即找到了 X 射线星，一周之内，帕洛玛天文台的观察员证实了该识别。
现在 Sco X-1 可以用光学望远镜进行检查，它开始产生一些引人注目的新信息。最令人兴奋的事实是，这颗恒星以 X 射线形式发射的能量是可见光的 1,000 倍，这种情况是天文学家从他们对已知各种恒星的研究中从未预料到的。有迹象表明，Sco X-1 的 X 射线发射量等于太阳在所有波长下的总能量输出。
超新星如何爆发
作者：汉斯·A·贝特和杰拉尔德·布朗
发表于 1985 年 5 月
1967 年诺贝尔奖（贝特）
超新星始于坍缩或内爆；那么，恒星质量的大部分是如何被喷射出来的呢？恒星物质的向内运动必须在某个时候停止并反转；内爆必须转化为爆炸。
通过计算机模拟和理论分析的结合，超新星机制的连贯视图开始出现。看来转变中的关键事件是向外传播的冲击波的形成。
当核心中心达到核密度时，它会猛然停止。这会产生穿过核心介质向后传播的声波，很像锤子敲击铁砧时手柄中的振动。这些波在穿过同源核心时会减速，这是因为局部声速下降，并且它们逆流而上，而逆流速度越来越快。在声速点，它们完全停止。与此同时，更多的物质落到中心核物质的硬球上，产生更多的波。在千分之一秒内，这些波聚集在声速点，在那里积聚压力。压力凸起减慢了穿过声速点的物质的下降速度，从而在速度上产生了不连续性。这种速度的不连续变化构成了冲击波。
在恒星核心硬球的表面，下落的物质突然但并非瞬间停止。动量使坍缩超过平衡点，将中心核压缩到甚至高于原子核密度的密度。我们称这个点为“最大挤压”的瞬间。在最大挤压之后，核物质球像被压缩的橡胶球一样弹回。反弹引发了更多的声波，这些声波加入了不断增长的冲击波。
冲击波与声波有两个不同之处。首先，声波不会对其介质造成永久性变化；当波浪过去时，材料恢复到以前的状态。冲击波的通过可能会引起密度、压力和熵的巨大变化。其次，声波——顾名思义——以声速移动。冲击波移动得更快，速度由波的能量决定。因此，一旦声速点处的压力不连续性累积成冲击波，它就不会再被下落的物质固定在原位。波可以继续向外传播，进入恒星的上覆层。根据计算机模拟，它的速度非常快，在每秒 30,000 到 50,000 公里之间。
在恒星的外层被吹走后，核心的命运仍有待决定。较轻恒星的爆炸可能留下稳定的中子星。在威尔逊的计算中，任何质量超过约 20 个太阳质量的恒星都会留下超过两个太阳质量的致密残骸。看来残骸将变成黑洞，这是一个物质被压碎到无限密度的空间区域。
宇宙中的生命
作者：史蒂文·温伯格
发表于 1994 年 10 月
1979 年诺贝尔奖
如果我们所知的生命存在，那么如果几个物理量中的任何一个值略有不同，那将是不可能的。这些量中最著名的是碳 12 核激发态之一的能量。在恒星中构建重元素的核反应链中有一个必不可少的步骤。在这一步中，两个氦核结合在一起形成不稳定的铍 8 核，铍 8 核有时在裂变之前会吸收另一个氦核，从而在这种激发态下形成碳 12。然后，碳 12 核发射一个光子并衰变为最低能量的稳定状态。在随后的核反应中，碳被构建成氧和氮以及生命所需的其他重元素。但是铍 8 捕获氦是一个共振过程，其反应速率是所涉及核能量的尖峰函数。如果碳 12 激发态的能量再高一点，其形成速率就会低得多，因此几乎所有的铍 8 核都会在形成碳之前裂变成氦核。那么宇宙将几乎完全由氢和氦组成，而没有生命的成分。
关于自然常数必须进行微调以使生命成为必要的程度，意见不一。有独立的理由期望碳 12 的激发态接近共振能量。但是一个常数似乎确实需要令人难以置信的微调：它是真空能量或宇宙学常数，在膨胀宇宙学中提到过。
尽管我们无法计算这个量，但我们可以计算出它的一些贡献（例如引力场中量子涨落的能量，其波长不短于约 10
−33 厘米）。这些贡献比我们对当前宇宙膨胀速率的观测所允许的最大值大约大 120 个数量级。如果对真空能量的各种贡献没有几乎抵消，那么，根据总真空能量的值，宇宙要么会在生命出现之前经历完整的膨胀和收缩周期，要么会膨胀得如此之快以至于无法形成星系或恒星。
因此，任何形式的生命的存在似乎都需要不同贡献之间的真空能量抵消，精确到大约 120 位小数。这种抵消有可能在未来的某些理论中得到解释。到目前为止，在弦理论以及量子场论中，真空能量都涉及任意常数，必须仔细调整这些常数，以使总真空能量足够小，以使生命成为可能。
所有这些问题都可以在不假设生命或意识在自然或初始条件的基本定律中起任何特殊作用的情况下解决。我们现在所说的自然常数实际上可能会在宇宙的不同部分之间变化。（这里的“宇宙的不同部分”可以用各种意义来理解。例如，该短语可以指由膨胀事件引起的不同的局部膨胀，其中遍布宇宙的场取了不同的值，或者指量子宇宙学某些版本中出现的不同的量子力学“世界轨迹”。）如果是这种情况，那么发现生命在宇宙的某些部分是可能的，但在大多数部分可能不是，这也就不足为奇了。
自然，任何进化到可以测量自然常数的程度的生物总是会发现这些常数具有允许生命存在的值。这些常数在宇宙的其他部分具有其他值，但那里没有人来测量它们。尽管如此，这种假设并不能表明生命在基本定律中起任何特殊作用，就像太阳拥有一颗可以存在生命的行星这一事实并不表明生命在太阳系起源中起作用一样。
粒子和原子
什么是光？
作者：欧内斯特·O·劳伦斯和 J. W. 比姆斯
发表于 1928 年 4 月
1939 年诺贝尔奖（劳伦斯）
光是最熟悉的物理现实之一。我们所有人都熟悉它的许多特性，而我们这些物理学家则知道它表现出的更多奇妙特性。我们对光产生的物理效应的总知识非常可观，但我们对它是什么还没有令人满意的概念。
两个多世纪前，牛顿认为光本质上是微粒；他认为光是由射穿空间的小飞镖组成的。其他人则将光视为一种波动现象；以类似于水波传播的方式，光波在遍布所有空间的一种称为以太的介质中传播。关于光的本质的这两种概念的拥护者之间展开了激烈的争论，并且随着揭示其更多特性的新实验的进行，波动理论似乎解释了微粒假说中许多完全不可理解的东西。
随着时间的推移，人们发现了许多与光和物质相互作用有关的其他现象，这些现象在波动理论中是不可能理解的，并且迫使科学家们重新回到几个世纪前牛顿脑海中的光的概念。最近的观察事实表明，光束包含的能量是某个确定的最小量的精确倍数——一个光量子——正如物质似乎是由最小的物质或电力粒子（电子）的确定倍数组成的一样。因此，我们既有光的原子性，也有物质和电力的原子性。
在现代量子光理论中，似乎存在一种非常特殊的境况，因为该理论中涉及的东西完全是模糊的。
因此，量子的物理性质问题就出现了。它们的长度是一码还是一英里还是一英寸，还是无限小尺寸？许多实验事实可以解释为表明量子至少有一码长，但实际上无法从过去的观察中推断出任何确定的东西。量子在空间中的尺寸仍然是完全的谜。
至少有一种测量量子长度的方法，前提是该方案可以在实践中进行，其本质如下：假设有一个光快门，可以根据需要快速阻挡或让光束通过。这种装置能够将光束切割成段，很像切肉机切博洛尼亚香肠一样。很明显，如果由此产生的光束切片比光束中的光量子短，那么来自快门的短光闪烁将仅包含量子的一部分。实际上，该装置将切掉量子的头部或尾部。要从金属表面弹出一个电子，需要一个完整的量子，因为一个量子的一部分不包含足够的能量来完成这项任务。因此，人们可以通过简单地观察能够产生光电效应的最短光闪烁来明确地确定光量子长度的上限。
人们不必非常熟悉机械装置就能意识到，没有机械快门可以在如此高的速度下工作。然而，幸运的是，大自然赋予了物质除纯机械性质之外的其他性质。通过利用某些液体的某种电光特性，人们设计了一种设备，该设备实际上可以充当快门，在大约一百亿分之一秒内打开和关闭。
以这种方式产生的短促光闪烁被允许落在灵敏的光电管上，并且发现该光电管对获得的最短闪烁（只有几英尺长）做出了响应。
这种简单的实验观察的重要性怎么强调都不过分，因为它明确证明了光量子的长度小于几英尺，并且可能仅占据空间中非常微小的区域。
原子核的结构
作者：玛丽亚·G·梅耶
发表于 1951 年 3 月
1963 年诺贝尔奖
对于整个原子，现代物理学家已经开发出一种基于我们行星系统的有用模型：它由一个中心原子核（对应于太阳）和卫星电子（像行星一样）组成，卫星电子在某些轨道上围绕它旋转。尽管该模型仍然遗留许多问题尚未解答，但它有助于解释电子的许多观察到的行为。然而，原子核本身却知之甚少。甚至原子核粒子是如何结合在一起的问题都没有得到令人满意的答案。
最近，包括作者在内的几位物理学家独立地提出了一个非常简单的原子核模型。它将原子核描绘成具有像整个原子一样的壳层结构，核质子和中子像卫星电子束缚在原子中一样，分组在某些轨道或壳层中。该模型能够解释大量关于原子核组成及其粒子行为的已知事实，这令人惊讶。
有可能辨别出质子和中子的特定组合的性质中一些相当显着的模式，正是这些模式暗示了我们的原子核壳层模型。这些显着的巧合之一是核粒子（如电子）偏爱某些“幻数”这一事实。
每个原子核（氢除外，氢仅由一个质子组成）都以两个数字为特征：质子数和中子数。两者的总和是原子核的原子量。质子数决定了原子的性质；因此，具有两个质子的原子核始终是氦，具有三个质子的原子核是锂，依此类推。然而，给定的质子数可以与不同数量的中子结合，形成同一元素的几种同位素。现在，一个非常有趣的事实是，质子和中子都偏爱偶数组合；换句话说，质子和中子（如电子）都表现出强烈的配对倾向。在已知元素的大约 1,000 种同位素的整个列表中，由奇数个质子和奇数个中子组成的稳定原子核不超过六个。
此外，质子或中子的某些偶数聚集体特别稳定。这些幻数之一是 2。氦核，具有 2 个质子和 2 个中子，是已知的最稳定的原子核之一。下一个幻数是 8，代表氧，其常见同位素具有 8 个质子和 8 个中子，并且非常稳定。下一个幻数是 20，即钙的幻数。
幻数列表为：2、8、20、28、50、82 和 126。具有这些质子数或中子数的原子核具有异常的稳定性。很容易假设这些幻数代表原子核中的闭合壳层，就像原子外部部分的电子壳层一样。
壳层模型可以解释核行为的其他特征，包括称为同质异能素的现象，即原子核中存在长寿命的激发态。该模型最重要的应用也许是在 β 衰变的研究中，即原子核发射电子。能够发射电子的原子核的寿命取决于它释放电子必须经历的自旋变化。目前的 β 衰变理论的状态不是很令人满意，并且不容易检验这些理论，因为只有少数情况下放射性原子核的状态是已知的。壳层模型可以在这种情况下提供帮助，因为它能够预测尚未测量的自旋。当然，这里描述的简单模型不足以对原子核的结构给出完整而精确的描述。尽管如此，该模型在描述原子核的许多特征方面的成功表明，它对真理的近似程度还不错。
反质子
作者：埃米利奥·塞格雷和克莱德·E·威根
发表于 1956 年 6 月
1959 年诺贝尔奖（塞格雷）
四分之一个世纪前，剑桥大学的 P.A.M. 狄拉克开发了一个基于最普遍的相对论和量子力学原理的方程，该方程定量地描述了电子的各种性质。他只需要输入电子的电荷和质量——然后它的自旋、相关的磁矩以及它在氢原子中的行为就以数学上的必然性随之而来。然而，它的发现者发现，该方程要求正电子和负电子都存在：也就是说，它不仅描述了已知的负电子，还描述了一个完全对称的粒子，该粒子在各个方面都与电子相同，只是它的电荷是正的而不是负的。
在狄拉克做出预言几年后，加州理工学院的卡尔·D·安德森在云室中宇宙射线产生的粒子中发现了正电子（反电子）。这一发现开启了物理学家们寻找另一种假想粒子——反质子的新的、更加艰巨的探索，而这项探索最终在几个月前才得到了回报。
狄拉克的通用方程稍作修改后，应适用于质子和电子。同样，在这种情况下，它也预言了反粒子的存在——反质子与质子相同，但带有负电荷而不是正电荷。
随之而来的问题是，在实验室中使用加速器制造反质子需要多少能量。由于反质子只能与质子成对产生，因此我们至少需要相当于两个质子质量的能量（即约 20 亿电子伏特）。然而，在我们提议的实验室实验中，我们需要远不止 20 亿电子伏特。要将能量转化为粒子，我们必须将能量集中在一个点上；最好的方法是用高能粒子撞击靶标——例如，用质子撞击质子。碰撞后，我们将有四个粒子：两个原始质子加上新产生的质子-反质子对。这四个粒子都将以约 10 亿电子伏特的动能从碰撞中射出。因此，产生一个反质子需要 20 亿电子伏特（产生质子-反质子对）加上 40 亿电子伏特（四个射出粒子的动能）。正是考虑到这些数字，加州大学的贝伐特隆加速器才被设计出来。
当贝伐特隆开始用 60 亿电子伏特的质子轰击铜靶时，接下来的问题是如何探测和识别产生的任何反质子。欧文·张伯伦、托马斯·伊普西兰蒂斯和本文作者设计了一项搜索计划。该计划基于可以方便地确定的三个特性。首先，粒子的稳定性意味着它应该足够长寿，能够穿过一个长长的装置。其次，它的负电荷可以通过外加磁场对粒子的偏转方向来识别，而它的电荷大小可以通过它沿路径产生的电离量来衡量。第三，如果速度已知，则可以从粒子在给定磁场中的轨迹曲线计算出它的质量。
去年 10 月宣布发现反质子时，已经记录了 60 个反质子，平均每小时贝伐特隆运行记录到约四个。它们通过了我们在实验开始前预先设定的所有测试。一位备受尊敬的同事刚刚完成了一项关于介子的重要而困难的实验，他对我们的测试评论道：“我希望我对 μ 介子的实验能像这个一样令人信服。”我们对此感到非常欣慰。此时，几项关于反质子存在的长期赌注开始兑现。我们所知的最大赌注为 500 美元。（我们个人没有参与。）
希格斯玻色子
作者：马丁纽斯·J·G·韦尔特曼
发表于 1986 年 11 月
1999 年诺贝尔奖
希格斯玻色子以爱丁堡大学的彼得·W·希格斯的名字命名，它是当今被称为基本粒子过程标准模型中的主要缺失成分：该理论描述了物质的基本组成部分以及它们相互作用的基本力。根据标准模型，所有物质都由夸克和轻子组成，它们通过四种力相互作用：引力、电磁力、弱力和强力。例如，强力将夸克结合在一起形成质子和中子，而残余强力将质子和中子结合在一起形成原子核。电磁力将原子核和电子（电子是一种轻子）结合成原子，而残余电磁力将原子结合成分子。弱力是某些类型的核衰变的原因。弱力和强力的影响范围仅延伸到很短的距离，不超过原子核的半径；引力和电磁力具有无限的范围，因此是最常见的力。
尽管对标准模型已经了解了很多，但仍有理由认为它是不完整的。这就是希格斯玻色子的用武之地。具体而言，人们认为希格斯玻色子为标准模型提供了数学一致性，使其适用于超出当前一代粒子加速器能力但可能很快被未来加速器达到的能量范围。此外，人们认为希格斯玻色子产生所有基本粒子的质量；在某种意义上，粒子“吃掉”希格斯玻色子来获得重量。
希格斯玻色子的最大缺点是迄今为止尚未发现其存在的证据。相反，相当多的间接证据已经表明这种难以捉摸的粒子并不存在。事实上，现代理论物理学不断地用如此多的装置（如希格斯玻色子）填充真空，以至于令人惊讶的是，人们甚至可以在晴朗的夜晚看到星星！尽管未来的加速器很可能会找到希格斯玻色子的直接证据，并表明假设其存在的动机是正确的，但我认为事情不会那么简单。我必须指出，这并不意味着整个标准模型都是错误的。相反，标准模型可能只是对现实的一种近似——尽管是一种很好的近似。
通过散射实验，可以在高能物理实验室中研究基本粒子之间的力。例如，电子束可能会从质子上散射出来。通过分析入射粒子的散射模式，可以了解力的信息。
当电子与质子相互作用时，电弱理论成功地预测了散射模式。它还成功地预测了电子与光子、W 玻色子[使弱场感觉到的粒子]以及称为中微子的粒子的相互作用。然而，当该理论试图预测 W 玻色子之间的相互作用时，就遇到了麻烦。特别是，该理论表明，在足够高的能量下，将一个 W 玻色子从另一个 W 玻色子上散射下来的概率大于 1。这样的结果显然是无稽之谈。这种说法类似于说，即使飞镖运动员瞄准的方向与目标相反，他或她仍然会击中靶心。
希格斯玻色子在这里作为救星出现。希格斯玻色子以这样一种方式与 W 玻色子耦合，使得散射概率落在允许的范围内：介于 0 和 1 之间的某个固定值。换句话说，将希格斯玻色子纳入电弱理论中“减去”了不良行为。
有了希格斯玻色子对于使电弱理论可重整化是必要的这一洞察力，很容易看出如何进行对这种难以捉摸的粒子的搜索：[W 玻色子]必须在极高的能量下，在或高于 1 万亿电子伏特（TeV）的能量下相互散射。必要的能量可以在提议的 20-TeV 超导超级对撞机（SSC）中实现，该对撞机目前正在美国考虑中。如果散射粒子的模式遵循重整化电弱理论的预测，那么必然存在一种补偿力，而希格斯玻色子将是明显的候选者。如果模式不遵循预测，那么 [W 玻色子] 很可能通过强力相互作用，并且将开启物理学的一个全新领域。
技术
光学脉泽
作者：阿瑟·L·肖洛
发表于 1961 年 6 月
1981 年诺贝尔奖
至少半个世纪以来，通信工程师们一直梦想拥有一种能够像产生无线电波一样高效和精确地产生光波的设备。普通白炽灯发出的电磁波与无线电波发生器发出的电磁波之间的纯度对比简直是天壤之别。来自电磁振荡器的无线电波被限制在电磁频谱的相当窄的区域内，并且如此不受“噪声”干扰，以至于它们可以用于传输信号。相比之下，所有传统光源本质上都是噪声发生器，仅适用于最粗糙的信号目的。直到去年，随着光学脉泽的出现，才有可能精确控制光波的产生。
尽管光学脉泽仍然非常新，但它们已经提供了非常强烈的、方向非常集中的光束。这些光束比其他光源的光束单色性更高。
光学脉泽是一种全新的光源，它极大地考验着人们对它可能应用的想象力。当然，信息传输是最明显的用途，也是最受技术关注的用途。自古以来，人类一直在使用光进行信号传输，但由于可用光源的微弱和嘈杂而受到限制。普通光束可以比作一个纯净、平滑的载波，它已经被光源中各个原子随机发射的短暂光脉冲调制了噪声。另一方面，脉泽可以提供几乎理想的平滑波，除了人们放在它上面的东西之外，什么都不携带。
如果能够找到合适的调制方法，相干光波应该能够传输大量信息。这是因为光的频率如此之高，以至于即使是非常窄的可见光谱带也包含每秒大量的周期；可以传输的信息量与每秒的周期数成正比，因此与频带的宽度成正比。在电视传输中，载波携带产生四兆赫兹有效带宽的信号。假设可以找到产生这种信号的方法，单个脉泽光束可能会合理地携带频率或带宽为 100,000 兆赫兹的信号。这种频率的信号可以携带与现在存在的所有无线电通信信道一样多的信息。必须承认，没有任何光束能够很好地穿透雾、雨或雪。因此，为了在地面通信系统中发挥作用，光束必须封闭在管道中。
天基弹道导弹防御系统
作者：汉斯·A·贝特、理查德·L·加尔温、库尔特·戈特弗里德和亨利·W·肯德尔
发表于 1984 年 10 月
1967 年（贝特）和 1990 年（肯德尔）诺贝尔奖
总统[罗纳德·里根]在去年的电视讲话中呼吁国家科学界“为我们提供使这些核武器失效和过时的方法”，他表示希望技术革命将使美国能够“在战略弹道导弹到达我们自己的国土或我们盟友的国土之前拦截并摧毁它们”。
任何弹道导弹防御系统都能消除核毁灭的威胁吗？
我们对天基防御系统对抗弹道导弹袭击的前景分析将侧重于助推段拦截问题。
防御系统的助推段层将需要许多本身不是武器的组件。它们将通过感知助推器的尾焰来提供攻击的早期预警；确定攻击导弹的精确数量，如果可能，还要确定它们的身份；确定导弹的弹道并锁定它们；分配、瞄准和发射防御武器；评估拦截是否成功；如果时间允许，则发射更多轮次。
由于必须在防御系统可以从地球表面任何可访问的点看到助推器之前对其进行攻击，因此防御系统必须从太空中的一个点启动助推段拦截，范围以数千公里计。目前正在研究用于此目的的两种类型的“定向能”武器：一种是基于激光束的使用，激光束以光速（每秒 30 万公里）传播，另一种是基于粒子束的使用，粒子束的速度几乎与光速一样快。还提出了非爆炸性射弹，它能自动跟踪助推器的红外信号。
为弹道导弹防御系统提出的其他拦截方案包括化学激光武器、中性粒子束武器和非爆炸性寻的飞行器，所有这些都必须部署在低轨道上。
迄今为止获得的最亮激光束是由利用氟化氢的化学激光器产生的红外光束。美国国防部计划在 1987 年之前演示一种 2 兆瓦的激光器版本。假设 25 兆瓦的氟化氢激光器和光学完美的 10 米反射镜最终可用，那么一种“杀伤半径”为 3,000 公里的武器将唾手可得。如果在没有对抗措施的情况下，每个组件都以其理论极限工作，那么部署在低轨道上的总共 300 束这样的激光器可以摧毁 1,400 枚洲际弹道导弹助推器。
粒子束武器可以发射一股高能带电粒子束，它可以深入导弹内部并破坏其制导系统中的半导体。然而，带电粒子束会受到地球磁场的弯曲，因此无法准确瞄准远距离目标。因此，任何合理的粒子束武器都必须产生中性束。此外，通过使用砷化镓半导体（其抗辐射损伤能力比硅半导体强约 1,000 倍），有可能保护导弹的制导计算机免受此类武器的攻击。
精确的时间测量
作者：韦恩·M·伊塔诺和诺曼·F·拉姆齐
发表于 1993 年 7 月
1989 年诺贝尔奖（拉姆齐）
依赖于原子和离子捕获和冷却的新技术，有充分的理由相信时钟的精度可以比现有精度高 1,000 倍。
最有希望的方法之一依赖于捕获的带电离子的共振频率。捕获的离子可以悬浮在真空中，从而几乎完全与干扰影响隔离。因此，它们不会遭受与其他粒子或腔室壁的碰撞。
使用了两种不同类型的陷阱。在彭宁陷阱中，静态、非均匀电场和静态、均匀磁场的组合可以 удерживать 离子。在射频陷阱（通常称为保罗陷阱）中，振荡、非均匀电场完成这项工作。惠普公司、加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气推进实验室和其他地方的工作人员已经制造了使用保罗陷阱的实验标准装置。捕获的粒子是汞 199 离子。捕获离子标准的最高 Q 值[相对能量吸收和损失的量度]超过 10
12。该值比当前铯束时钟的值[Q 值越高，时钟越稳定]高 10,000 倍。
在过去的几年中，在捕获和冷却中性原子方面取得了惊人的进展，这比捕获离子更难实现。特别有效的激光冷却来自沿三个相互垂直的路径使用三对反向激光冷却光束。然后，移动的原子在它移动的任何方向上都会减速。这种效应产生了“光学糖蜜”的名称。中性原子陷阱可以存储比离子陷阱更高的原子密度，因为离子是带电的，因此会因相互排斥而保持分离。在其他条件相同的情况下，原子数量越多，信噪比越高。
将中性原子用作频率标准的主要障碍是，陷阱中原子的共振受到激光场的强烈影响。一种称为原子喷泉的装置克服了这一困难。陷阱捕获并冷却原子样本，然后将其向上提升，使其移动到没有激光的区域。然后，原子在重力作用下落回。在上升和下降的过程中，原子都会穿过一个振荡场。通过这种方式，就像在分离的振荡场束装置中一样，会诱发共振跃迁。
目前的大量研究都集中在陷阱中激光冷却的离子上，这些离子在光学领域共振，那里的频率高达数千吉赫兹。由于其高 Q 值，此类标准为精确时钟提供了有希望的基础。NIST 的研究人员在单个激光冷却的捕获离子的紫外共振中观察到 Q 值为 10
13。该值是光学或微波原子共振中见过的最高 Q 值。
标准的预期改进将提高当前用途的有效性，并为新功能开辟道路。只有时间才能证明这些用途是什么。
碳的奇境
作者：安德烈·K·盖姆和菲利普·金
发表于 2008 年 4 月
2010 年诺贝尔奖（盖姆）
每次有人用铅笔划线时，产生的痕迹都包含物理学和纳米技术中最热门的新材料：石墨烯。石墨，铅笔中的“铅”，是一种由扁平堆叠的原子层形成的纯碳。石墨烯是赋予其中一层薄片的名称。它完全由碳原子组成，这些碳原子结合在一起形成一个重复六边形网络，位于一个原子厚的单平面内。它不仅是所有可能材料中最薄的，而且还非常坚固和硬挺。此外，在其纯净形式中，它在室温下比任何其他物质更快地导电。世界各地实验室的工程师目前正在仔细研究这种材料，以确定是否可以将其制造成智能显示器、超高速晶体管和量子点计算机。
与此同时，石墨烯在原子尺度上的特殊性质使物理学家能够深入研究必须用相对论量子物理学描述的现象。迄今为止，研究此类现象一直是天体物理学家和高能粒子物理学家的专属领域，他们使用价值数百万美元的望远镜或价值数十亿美元的粒子加速器工作。石墨烯使实验人员能够使用实验室台式设备测试相对论量子力学的预测。
石墨烯的两个特点使其成为一种特殊的材料。首先，尽管石墨烯的制造方法仍然相对粗糙，但它表现出非常高的质量——这归因于其碳含量的纯度及其碳原子排列成晶格的有序性相结合。到目前为止，研究人员尚未在石墨烯中发现任何原子缺陷——例如，晶格中某个原子位置的空位或位置错误的原子。这种完美的晶体有序似乎源于强大而又高度灵活的原子间键，这些原子间键创造了一种比钻石更硬的物质，但允许平面在施加机械力时弯曲。其晶格的质量也是石墨烯具有极高导电性的原因。它的电子可以传播，而不会因晶格缺陷和外来原子而散射偏离方向。
石墨烯的第二个突出特点是，它的传导电子移动速度更快，并且看起来比在普通金属和半导体中游荡的电子质量小得多。事实上，石墨烯中的电子——或许“电荷载流子”是一个更合适的术语——是生活在怪异世界中的奇怪生物，在这个世界中，类似于相对论量子力学规则的规则发挥着重要作用。据任何人所知，固体内部的这种相互作用是石墨烯独有的。由于这种来自铅笔的新型材料，相对论量子力学不再局限于宇宙学或高能物理学；它现在已经进入了实验室。
一个工程方向值得特别提及：基于石墨烯的电子产品。我们强调，石墨烯中的电荷载流子以高速移动，并且在与晶格中的原子碰撞时损失的能量相对较少。这种特性应该可以制造弹道晶体管，这是一种超高频器件，其响应速度将比现有晶体管快得多。
更诱人的是，石墨烯可能有助于微电子行业延长摩尔定律的寿命。即使在纳米尺度上，石墨烯也具有卓越的稳定性和导电性，这使得制造尺寸大大小于 10 纳米甚至小至单个苯环的单个晶体管成为可能。从长远来看，人们可以设想从单张石墨烯薄片上雕刻出整个集成电路。
无论未来如何发展，这种只有一个原子厚的奇境几乎肯定会在未来几十年内保持在聚光灯下。工程师将继续努力将其创新副产品推向市场，物理学家将继续测试其奇异的量子特性。但真正令人惊讶的是，人们意识到所有这些丰富性和复杂性在几个世纪以来都隐藏在几乎每一道普通的铅笔痕迹中。