复旦大学物理学系教授施郁预测，今年的诺贝尔物理学奖，很可能颁给对像差校正电子显微镜发展做出重要贡献的三位物理学家。以上图片从左到右分别为奥地利科学家Maximilian Haider，德国物理学家Harald Rose和德国物理学家Knut Urban。他们三人和有着捷克和英国双重国籍的科学家Ondrej Krivane在今年一起获得科维理纳米科学奖。
图源：nuevastecnologiasymateriales.com
撰文 | 施郁（复旦大学物理学系教授）
2020年诺贝尔物理学奖将于10月6日宣布。一年一度揣摩一下哪组科学家可能折冠，不失为回顾物理学进展的一个机会。虽然现在有的科学奖的奖金已经超过诺奖，但是诺奖的至高地位依然牢固。当然，为了继续保持诺奖的权威地位，诺奖委员会也要能坚持做出正确选择。十几年前，我注意到获奖领域越来越集中于四大领域：粒子物理、原子分子光物理、凝聚态物理和天体物理，或多或少有循环（也可称轮流或周期）。可以说，诺奖的颁发并不是杂乱无章的。本世纪以来，每年的颁奖在这四大领域中轮流，但不是严格的周期性，可以有微调。在一段时间内，每个领域平均次数基本持平。还可以看到，相邻年不授予同一领域，甚至分别属于物理I和物理II（按照中国自然科学基金的划分）。我曾经将本世纪以来诺贝尔物理学奖总结成一个表格，更新如下。
从2001年到2008年，正好是完美的两个周期。在每个周期里，又严格按照原子分子光物理（以下简称原分光）、天体、凝聚态和粒子的顺序。也就是说，这4个领域中，每个领域每4年得一次奖。 2009年是原分光获奖，确实是按前面顺序的延申。但是后面出现了微调。我们这里可以做点尽量客观的分析。2012年7月，希格斯（Higgs）粒子被发现，证明了 Brout-Englert-Higgs 机制（基本粒子获得质量的机制）。这是粒子物理的重大进展，相关工作应该获得诺贝尔奖。但是当时，2012年诺奖的提名期已经过去。所以最快要等到2013年才能获奖。确实，2013年诺奖授予提出这个机制的理论家（除了已经去世的Brout）。我曾经猜测，为了避免2012和2013两个相邻的年份都授予粒子物理，将相隔4年本该轮到的粒子换成了原分光。 可以看到，这种重大突发事件导致的诺奖，类似于插队，对原来的带微调的循环，或者说原来排队的项目，影响有限，因为虽然没有连续两年都给粒子物理，但是隔了一年后，粒子物理再次得奖，不过2015年的项目与希格斯机制相距较远，而且与 “本该” 轮到的天体物理相关。 类似地，2016年，LIGO直接探测到引力波，最快也要等到2017年得奖。事实上，LIGO确实于2017年得奖。这也没有影响隔了一年后，天体物理再次得奖。历史上，李政道和杨振宁1956年提出弱相互作用中宇称可能不守恒。1957年初，实验上证实确实不守恒。幸运的是，这时很逼近，却又没到1957年诺奖提名截止期。这使得李政道和杨振宁的1957年诺奖成为历史上最快的诺奖，也就是，从论文发表到得奖的间隔最短。这个纪录很难打破。 领域划分是相对的、粗略的。时间靠近的同一领域的获奖项目也会尽量远离。这可以称作内循环，而四大领域之间的循环可以称作外循环。外循环中的微调通过内循环得到弥补。这可以称为“远离原则”。例如，尽管同属粒子物理大类，2015年的粒子物理获奖工作与天体物理相关，又与两年前获奖的希格斯机制相距较远。尽管同属天体物理大类，2019年的天体物理获奖工作与两年前获奖的引力波也相距较远。2016年的凝聚态拓扑与早两年获奖的蓝光二极管虽然同属凝聚态物理大类，但是也相距很远，一个是基础理论，一个是应用性工作。 虽然2016年按照排队，更可能是原分光，但是因为笔者看好的两位候选人相继不幸离世，当时猜了凝聚态的拓扑方向。对于2013年的希格斯和2017年的引力波，都是提前一年就说对了。也曾说对了2009年原子分子和光物理， 2015年说天体物理，具体所说的系外行星4年后得奖。2015年得奖的中微子振荡很大程度是太阳中微子缺失问题，与天体物理密切相关。当然，以上都是从常识出发所作的分析，是在实践中自然导致的概率性结果，不是法则，可以违反。对于这些概率性 “规律”，诺奖委员不一定意识到，也不会承认。那么今年会花落谁家呢？粒子物理5年没得了，但是粒子物理与天体物理同属物理II, 还没有过相邻年得奖的先例，更有甚者，去年得奖的宇宙学的具体成果涉及极早期宇宙、暗物质和暗能量，与粒子物理很相关。所以今年粒子物理得奖的可能性较小，尽管如果是粒子物理，则2001到2020年之间，每个领域的得奖总数都是5，严格相等。我认为今年最大可能获奖的，是凝聚态物理中比较实用或技术性的项目。具体的一组可能获奖人是：Maximilian Haider（奥地利人），Harald Rose（德国人）和 Knut Urban（德国人）
获奖理由是：发明了像差校正电子显微镜，使得可以以皮米的精度观察原子，实现了亚埃的3维成像。
我们能看到宏观物体是因为可见光的波长是几千埃，或者说微米量级，因为1米=106微米=1010埃。而原子的大小是埃的量级，因此用可见光是看不到的，可以用电子束。1924年，德布罗意提出电子以及其他物质粒子也是一种波，后来被严格的量子力学确认。三年后，戴维森（Clinton Joseph Davisson）和汤姆逊（George Paget Thomson）分别观察到电子被晶体中的原子衍射的现象。1931年，Ernst Ruska 和 Max Knoll 发明了电子显微镜（简称电镜）。与光学显微镜的设计类似的透射电镜叫做传统透射电镜（CTEM）。1937年，Manfred von Ardenne 发明了扫描时有电子透射的扫描透射电子显微镜（STEM）。但是因为电镜的像差（实际成像与单透镜理论结果之间的差别）比较严重，电镜的棱镜一直需要改进。1980年代发明的扫描隧道显微镜和原子力显微镜只能用于材料的表面。 1990年，当时在 Darmstadt 大学的 Harald Rose，在电磁6极装置上设计了一个棱镜系统，能够抵消像差。次年，Rose联合当时在海德堡的 Maximilian Haider 和在 Jülich 的 Knut Urban 在一个CTEM上实现他的设计。1998年, 他们发表了第一个成像。后来这个技术也用到STEM。20年来，像差校正的CTEM的分辨力达到0.5埃，可以用来观察单个原子。 Harald Rose的贡献主要是设计了所谓Rose校正器（ Rose corrector），在透射电镜中校正像差，这也可以用于扫描电镜。 Maximilian Haider 的贡献是在Rose的设计基础上，实现了第一个6极校正器（sextupole corrector），并且在第一个像差校正的透射电镜中起了重要角色。Knut Urban 的贡献是在第一个像差校正的透射电镜的制造中起了重要角色。Harald Rose 在 Darmstadt 大学获得博士学位，研究电子光学，然后在这所大学工作。2009年起是Ulm大学ZEISS高级教授。Maximilian Haider 1987年在 Damstadt 大学获博士学位，在海德堡的欧洲分子生物实验室工作至今。他也是 Karlsruhe 工学院的名誉教授。还创建了 Corrected Electron Optical Systems GmbH 公司。Knut Urban 1972年于Stuttgart大学获博士学位。他现在是RWTH Aachen 大学的高级教授。
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