财新传媒
位置:博客 > 知识分子 > 这些物理诺奖得主,有的研究恐龙灭绝,有的研究心物一体

这些物理诺奖得主,有的研究恐龙灭绝,有的研究心物一体

知识分子 X Physics World,带你走进英国媒体视角下的科学议题。

导  读

许多获得诺贝尔奖的物理学家发现,诺奖使得他们开展新的研究路径更为自由。而英国《物理世界》的这篇文章显示,一些诺奖得主研究焦点的转移,往往在获奖之前就发生了。需要特别指出的是,例举中的布莱恩·约瑟夫森对于“心物一体”的研究在物理学界有很多争议,被批评偏离了科学方法论,是“诺奖后毫无根据的自信”、甚至“走火入魔”。撰文|Matin Durrani,Laura Hiscott,Margaret Harris,Michael Banks翻译|赵金瑜校译|于茗骞  洪然

上个月,当真锅淑郎(Syukuro Manabe)、克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann)和乔治·帕里西(Giorgio Parisi)接到来自斯德哥尔摩的 “传说中” 的电话,得知自己获得2021年诺贝尔物理学奖时,三人肯定知道自己的生活将永远改变。其他较年轻的同类奖项可能会提供更多的奖金,但诺贝尔奖仍然是每个物理学家梦寐以求的荣誉。诺贝尔奖不仅带来了声望、赞誉和荣耀,还可让获奖者直接跻身于古往今来的伟大物理学家之列。

该奖项也给了获奖者新的自由。不需要去 “证明” 自己,也不需要到处奔波去申请经费、引进设备和学生,诺贝尔奖得主可以探索新的研究领域。不过,拓展新领域通常本来就是诺贝尔奖得主的第二天性。事实上,开拓新领域并质疑现状的能力和信心,往往是他们获得诺贝尔奖的首要原因。毕竟,循规蹈矩是不可能获得诺奖的。

安德里亚·盖兹(Andrea Ghez)因发现了隐藏在银河系中央的巨大黑洞与莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)共享2020年的诺贝尔物理学奖。对她来说,该奖项打开了新的大门。盖兹告诉《物理世界》:“我真的很高兴能够开展一项更雄心勃勃、更具风险的研究议程,(要没得诺奖的话)这根本是不可能的。” 她想探索超大质量黑洞附近的引力是如何作用的,以及这些奇特但人们知之甚少的物体是如何调节星系的形成和演化的。

图1 安德里亚·盖兹于2020年12月在贝弗利山领取诺贝尔奖证书和奖牌,她已经在计划进行更突破常规的研究 | 图源:Annette Buhl

毫无疑问,盖兹将在天体物理学领域做出更多伟大的研究——她就是在这个领域成名的。在过去,还有一些诺奖得主因在诺奖之外的工作而声名狼藉,一些诺奖得主在获得诺奖前就改变或被迫改变了研究方向。在这里,《物理世界》介绍了四位诺贝尔奖获得者,一起来看看是什么促使这些物理学家开拓新的方向。

1

路易斯·沃尔特·阿尔瓦雷茨:从粒子到古生物学和金字塔

撰文 | Laura Hiscott

路易斯·阿尔瓦雷茨(Luis Walter Alvarez)于1911年出生于旧金山,在芝加哥大学学习物理学,在那里他与亚瑟·康普顿(Arthur Compton)一起建造了一台宇宙射线望远镜,这是他博士研究的一部分。随后,他前往加州大学伯克利分校,与核科学家欧内斯特·劳伦斯(Ernest Lawrence)合作,首次获得了质子吸收电子、转化为中子并发射出中微子的观测证据。他还开发了一种制造极慢的中子束的方法,并与菲利克斯·布洛赫(Felix Bloch)一起测量了中子的磁矩。

但是阿尔瓦雷茨与生俱来的好奇心和实验方面的创造力引领着他去探索更多问题,既有物理学领域的,也有物理以外的。结束战时军事研究,包括在曼哈顿原子弹项目上的一段时间后,他回到伯克利,成为粒子加速器方面的专家。最重要的是,阿尔瓦雷茨在20世纪50年代引领了氢气泡室的发展,随后他的团队发现了许多粒子和共振态。

不过,从发明氢气泡室到获得1968年诺贝尔奖之间的几年里,阿尔瓦雷茨开始将他的专业知识带出实验室并进入现实世界。1964年,他提议通过气球将实验设备送到高空,来收集高能粒子相互作用的数据。这听起来可能是异想天开,但它促成了高空粒子物理实验(High Altitude Particle Physics Experiment),为研究大爆炸回声的宇宙背景探测器(COBE)卫星铺平了道路。

1965年,阿尔瓦雷茨建议研究埃及金字塔。对于物理学家来说,这个项目听起来出乎意料,但这与他之前的工作有着关键联系:他的想法是在金字塔下方放置一个粒子探测器来测量μ子(不断地照射地球的宇宙射线的成分之一)。即所谓的μ子断层扫描,他希望这项技术能够通过来自不同方向的μ子能量的差异来显示结构中的空洞。

阿尔瓦雷茨与一个由考古学家和物理学家组成的国际团队一起,用了几年的时间使用这种技术来搜索哈夫拉金字塔(Pyramid of Khafre)(吉萨金字塔的第二大金字塔),当他获得1968年的诺贝尔奖时,该项目已经全面展开。然而在当时诺贝尔奖委员会出版的他的传记中,并未提及他的考古成就,这也许不是坏事:当搜索于次年结束时,金字塔的19%已经被扫描了,但没有发现任何中空结构。

这个结果听起来可能并不令人兴奋,但对考古学家来说却很有意义。后来,μ子断层扫描也是搜索其他结构的有效工具。在2014年接受《物理世界》采访时,曾在墨西哥使用μ子研究太阳金字塔的物理学家阿图罗·门查卡(Arturo Menchaca)回忆起与阿尔瓦雷茨的会面,并告诉他哈夫拉金字塔的项目如何一无所获。“他愤怒地纠正了我,”门查卡说,“他已经证明金字塔内没有任何东西。”

早在阿尔瓦雷茨获得诺贝尔奖之前,他的金字塔项目就已经开展。由此可见,他在传统领域的成功已经让他有信心和声誉去带领团队另辟蹊径。当他的地质学家儿子沃尔特告诉他有关恐龙灭绝的谜团时,阿尔瓦雷兹很快就参与了进来。通过在伯克利认识的两位核化学家弗兰克·阿萨罗(Frank Asaro)和海伦·米歇尔(Helen Michel)的帮助,他们研究了在众多地质地层中代表大灭绝发生时间点的沉积层。

图2 阿尔瓦雷兹和他的地质学家儿子沃尔特站在含铱的粘土层旁边,地点为意大利古比奥附近 | 图源:Lawrence Berkeley National Laboratory

研究团队发现,该沉积层的铱含量比平均水平高数百倍(译者注:铱元素在地球地壳中罕见,但在一些小行星撞击的地层中有峰值升高的现象),表明一次小行星撞击导致地球上的铱元素激增,并引发了大规模灭绝事件。这是一个有争议的观点,阿尔瓦雷茨一直积极捍卫这一观点,直到1988年去世。然而,在此期间积累了更多证据,特别是在墨西哥尤卡坦半岛(Yucatán Peninsula)下发现了巨大的希克苏鲁伯陨石坑,“阿尔瓦雷茨假说”现在被普遍认为是恐龙消失的最可能解释。

很难将阿尔瓦雷茨这些不拘一格的成就相互比较,因为它们的领域大相径庭——他甚至调查了约翰·肯尼迪总统的遇刺事件。物理学家自然会因为气泡室研究记得阿尔瓦雷茨,但对于非物理学家来说,他“恐龙因小行星撞击地球而灭绝”的假说才激发了他们的兴趣。对于阿尔瓦雷茨来说,他获得诺贝尔奖的工作甚至不是他最知名的成就,这是多么了不起啊。

2

布莱恩·约瑟夫森:从超导体到心灵物理学

撰文 | Matin Durrani

一位可能比其他任何物理学家都更偏离传统道路的诺贝尔奖获得者是布莱恩·约瑟夫森(Brian D. Josephson),他在英国剑桥大学领导着独树一帜的 “心物一体” 项目(Mind-Matter Unification Project)。该项目旨在“从理论物理学家的角度来理解自然界中的智能,可以粗略地描述为与大脑功能或其他一些自然过程相关的智能过程”。

图3 诺奖得主Brian Josephson | 图源:CC BY SA Cavendish Laboratory/Kelvin Fagan

换句话说,81岁的约瑟夫森每天都在思考大脑是如何工作的,研究诸如语言和意识等问题,思考音乐与思维之间的联系。最具争议的是,就物理学家而言,他还对超自然现象进行了推测性研究,这一领域被称为超心理学(parapsychology)。约瑟夫森的兴趣甚至涉及顺势疗法(homeopathy)和冷聚变(cold fusion)——这是很少有物理学家敢涉足的两个领域。

但约瑟夫森对意识和思维感兴趣并不是什么新鲜事。事实上,早在他获得诺贝尔物理学奖之前,他就已经有兴趣了。

约瑟夫森凭借20世纪60年代初在剑桥卡文迪什实验室攻读博士学位期间所做的工作获得1973年的诺贝尔物理学奖。在布莱恩·皮帕德(Brian Pippard)的指导下,约瑟夫森曾预测,即使两端没有电压,超导电流也可以隧穿绝缘结,当施加电压时,电流会以一个确定的频率振荡 [1]。这种 “约瑟夫森结” 是超导量子干涉装置(SQUID)的核心,该设备能以极高的灵敏度测量磁场。

但刚拿到博士学位,约瑟夫森的注意力就迅速转移到了别处。在伊利诺伊大学香槟分校为期一年的博士后研究期间,约翰·巴丁(John Bardeen)(至今唯一获得过两次诺贝尔物理学奖的人)试图说服约瑟夫森继续他在超导方面的研究。他并没有被说服,而是决定与里奥·卡达诺夫(Leo Kadanoff)一起研究临界现象。“但在那之后,我觉得多体理论更简单、更有趣的部分已经完成,我开始尝试理解大脑功能,”约瑟夫森说。

回到剑桥后,约瑟夫森结识了数学遗传学家乔治·欧文(George Owen),后者在业余时间研究了闹鬼之类的事,这进一步激发了他的兴趣。约瑟夫森回忆道,“他跟我讲了一些超心理学,让我对此产生了兴趣,特别是因为我可以看到超能力现象和量子力学之间的相似之处。”

1974年,约瑟夫森在斯德哥尔摩领完诺贝尔奖后不久,欧文邀请他参加了在多伦多举行的 “心灵致动(psychokinesis)” 会议,在那里他看到了金属弯曲的演示。“我对此进行了一些研究,但一直将其视为副业,” 约瑟夫森说道。

尽管如此,约瑟夫森的这一新兴趣已经显而易见了。他继续在卡文迪什开设 “创造性智能” 课程,甚至与帮助建立艾康电脑公司(Acorn Computers)的物理学家和技术企业家赫尔曼·豪瑟(Hermann Hauser)合作撰写了一篇关于发展过程逻辑的论文。随着时间的流逝,约瑟夫森开始受邀参加有关思维过程的会议。“然后我开始尝试将符号学等概念与量子物理学联系起来。目前,我正在与一位量子物理学家合作,他正在研究数学方面的问题,” 他说道。

回顾他的职业生涯,约瑟夫森认为即使他从未获得过诺贝尔奖,他也会开始研究心智。“获得终身职位可能会给我研究它的自由,” 他说。不过,尽管诺贝尔奖带来了声望,但主流之外的生活并不容易。约瑟夫森声称,“诺贝尔奖并没有阻止系里对他的敌意。” 他还列举了一些潜在合作者被劝阻与他合作并撤回承诺资金的事件。

他还面临着来自遗传学家大卫·温特(David Winter)等人的批评,他们指责他患有“诺贝尔病”,称诺贝尔奖给已是某一领域专家的科学家一种“毫无根据的自信”,让他们在自己一无所知的领域发表看法。温特认为,这种病会让患者 “滔滔不绝地说些反科学的废话”。他提到诺贝尔奖获得者、化学家莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)的例子——鲍林认为,高剂量的维生素C具有药用价值。

这样的评论似乎并没有阻止约瑟夫森,他认为,恰恰相反,是他的批评者蒙在鼓里。“正是像温特这样的人,在谈论一些他们根本一无所知的话题时带着毫无根据的自信,比如心灵感应或关于水的记忆。” 他坚称,“在后一种情况下,谬论经常被用于排除可能性。”

事实上,约瑟夫森告诉《物理世界》,他认为他目前的工作“比我的超导工作重要得多”,尽管它还没有被证实。“关键认识到精神比物质更加基础,这将是物理学乃至整个科学发展的重要一步,就像当年从经典到量子的跨越一样”。“当然,过去很多人都这么认为,问题是我们什么时候会达到‘临界点’,‘主流团体’什么时候会开始注意到这一点?”

3

拉塞尔·赫尔斯:从脉冲星到等离子体物理学

撰文 | Margaret Harris

1974年夏天,拉塞尔·赫尔斯(Russell Hulse)在为他的博士论文收集数据的过程中发现了一些奇怪的东西。赫尔斯与他的导师约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)一起,在波多黎各阿雷西博天文台(Arecibo Observatory)使用著名的305米单镜面射电望远镜寻找脉冲星。这是一种致密且高度磁化的恒星,当它们旋转时会向整个星系发射无线电波。 

图4 斗转星移:1993年诺贝尔奖得主拉塞尔·赫尔斯曾在波多黎各使用阿雷西博射电望远镜观测脉冲双星,但不久之后转向等离子体物理学 | 图源:University of Central Florida

尽管仅在六年前,另一名学生乔瑟琳·贝尔·伯内尔(Jocelyn Bell Burnell)和她的导师安东尼·休伊什(Antony Hewish)才发现了第一颗脉冲星,但这些不寻常的恒星已经成为天体物理学的热门话题。赫尔斯希望通过识别更多的脉冲星来做出自己的贡献,但他40颗脉冲星数据中的一颗出现了问题。在他的笔记本中将其表示为:PSR 19 13 + 16,他花了好大功夫去计算它的自转周期,还是无果。

图5天文学家、计算等离子体物理学家和科学教育者Russell Hulse | 图源:University of Texas at Dallas 

当时,赫尔斯的反应并不是 “我有新发现了!”而是如他后来回忆的那样,“却是一个相当恼火的 ‘又他妈哪儿出错了?’” 赫尔斯下定决心要弄清到底是什么技术故障导致了这个问题,他把剩余的观测时间集中在这颗令人困惑的脉冲星上。到了9月中旬,他有了答案:PSR 19 13 + 16是一对双星的一半,它难以计算的周期在其伴星的引力影响下波动。

在接下来的几个月里,赫尔斯称自己为 “脉冲星数据采集系统”,而泰勒进行轨道分析计算,来检验对这个双星脉冲星系统如何运行的预测。他们的发现惊人地证实了爱因斯坦的广义相对论,并首次证明了引力辐射的存在。当休伊什因发现脉冲星而分享了1974 年的诺贝尔物理学奖时(有争议的是他以前的学生乔瑟琳没有一起获奖),赫尔斯一定觉得他的未来是有保障的。

然而,到了1975年,他陷入了两难的境地。尽管在完成博士学位后不久,他就成了弗吉尼亚州夏洛茨维尔的国家射电天文台(NRAO)的博士后,但这并不是一份永久的工作。“虽然我仍然喜欢做脉冲星射电天文学,但从我来到 NRAO的那一刻起,我就越来越担心天文学缺乏长期的职业前景,” 他后来回忆道。“当时我完全不清楚,何时何地以及如何让自己的职业生涯安顿下来。”

赫尔斯的个人情况加剧了他的担忧。当时他的女友(后来的妻子)珍妮·库尔曼(Jeanne Kuhlman)在宾夕法尼亚大学攻读物理学研究生,并很快开始了自己的职业生涯。赫尔斯认为:“我的个人生活中的这些未知的反复变化超出了我的承受能力”。因此,当他在NRAO的工作于1977年结束时,赫尔斯离开了天文学,到普林斯顿等离子体物理实验室(Princeton Plasma Physics Laboratory)任职,那里离费城的珍妮很近。

他能够转换领域的部分原因是他攻读的是物理学而非天文学博士学位——这一选择既反映了他广泛的科学兴趣,也反映了他想在两个领域下注的愿望——部分原因是在1970年中旬,搜索脉冲星已经成了高度计算机化的任务。在普林斯顿,他的第一份工作是创建新的计算机代码来模拟高温等离子体中杂质的行为。当他和泰勒因发现双脉冲星而获得1993年诺贝尔物理学奖时,赫尔斯已经开辟了一个新领域,成为了热核聚变建模代码的开发者和维护者。

在1993年的诺贝尔官方传记中,赫尔斯对自己的职业生涯充满乐观。他写道:“我对科学的兴趣从来都不是追求事业本身,而是我对‘世界如何运作’的个人迷恋。”然而,尽管说法如此——以及许多诺贝尔奖后的机会,包括德克萨斯大学达拉斯分校的客座教授职位——我们很难不把赫尔斯的职业路径看作对学者早期研究生涯的资助和组织方式的控诉。

近45年前,由于缺乏工作保障,这位未来的诺贝尔奖得主被迫放弃了射电天文学。如今,物理学家的学术职业前景仍然具有高度不确定性。那些不愿每隔几年换一次工作(有时是换一个国家或大陆)的博士后研究人员仍然会发现他们通往终身职位的道路困难重重。赫尔斯和库尔曼遇到的“双事业问题”,如今仍在迫使科研夫妻做出艰难的选择,对女性的职业生涯来说影响尤甚。自20世纪70年代中期以来,诺贝尔委员会对博士生的态度发生了变化——例如,唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)与杰哈·莫罗(Gérard Mourou)共享了2018年的诺贝尔奖,以表彰她在研究生期间所做的工作。但作为一个物理学家,生活中的许多其他方面都没有给予斯特里克兰应有的肯定。

4

梶田隆章:从中微子到引力波

撰文 | Michael Banks

在过去的半个世纪里,日本在中微子科学方面一直处于世界领先地位。20世纪80年代,日本物理学家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)在日本岐阜县(Gifu Prefecture)的铅锌矿井下1000米处组织建造了一个巨大的中微子探测器。它被称为神冈(Kamiokande),是一个周围环绕着光电倍增管的巨大水箱,用于检测中微子与水分子中的原子核相互作用时产生的闪光。

小柴昌俊利用该设备从一个遥远的超新星爆炸中探测到了中微子,并在此过程中成为中微子天文学的创始人之一。这项工作使他与发现了宇宙中微子的雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis)和里卡尔多·贾科尼(Riccardo Giacconi)分享了2002 年的诺贝尔物理学奖。

被这些幽灵般的粒子所吸引,在小柴昌俊开展他获得诺贝尔奖的工作之时,还是物理系学生的梶田隆章(Takaaki Kajita)决定在小柴的指导下在东京大学攻读博士学位。 

图6 中微子研究先驱梶田隆章 | 图源:ICRR

获得博士学位后,梶田加入了东京的宇宙射线研究所(ICRR),在利用超级神冈探测器(神冈探测器的继任者)证明来自地球两侧的电子中微子与μ子中微子之比不同上发挥了关键作用。这一发现意味着,这些由宇宙射线与高层大气中的原子核相互作用时产生的中微子在它们穿过地球时改变了 “味”(flavour),或在穿过地球时 “振荡”,因此一定具有(很小的)质量。

梶田最终因发现中微子振荡而获得2015年诺贝尔物理学奖。他与亚瑟·麦克唐纳(Arthur McDonald)分享了该奖项,后者领导了加拿大萨德伯里中微子天文台(SNO)的实验,该实验确定了太阳产生的电子中微子在到达地球时有多少会变成μ子中微子或τ子中微子。SNO的数据证实,大约三分之二的太阳电子中微子在到达地球时会发生味变。

然而在2008年,早在梶田获得诺贝尔奖之前,他大胆地做出了改变研究领域的决定。“经过多年的中微子研究,我想做一些重要而令人兴奋的新事情,” 梶田告诉《物理世界》。“幸运的是,我们研究所一直在计划一个引力波项目,作为继超级神冈之后的下一个重大项目。” 这个设施就是KAGRA引力波天文台,它建在超级神冈附近的地下200米处。

梶田于2008年成为ICRR的主任,并在获得资助和建设KAGRA方面发挥了重要作用。本质上来讲,KAGRA就是一个巨大的干涉仪,激光束在其中被分成两束,并发射到两个3公里长的臂里,始建于2010年,于2020年正式投入使用。KAGRA预计将于明年加入搜寻引力波的大部队,梶田将担任该项目的首席研究员。 

图7 隧道视角:梶田隆章因其在中微子方面的工作获得了2015年诺贝尔奖,但现已转换了领域,成功领导了KAGRA引力波天文台的建设,该天文台于2020年运行 | 图源:ICRR

除了改变研究领域,对梶田来说,科学不止一面。他于2017年成为日本科学理事会(SCJ)的成员,其作用是就某些问题向政府和更广泛的社会提出建议,现年62岁的梶田去年被其他SCJ成员提名为理事会主席。“我不知道为什么他们中的许多人都投票给我,”梶田承认。“但我猜诺贝尔奖对投票有一定的影响!”

梶田说他加入SCJ是为了向公众宣传基础科学的重要性,他认为这与从事科学研究本身一样重要。“科学已经变得非常重要了,因为它决定了社会的方向,甚至是地球的未来,”他说:“物理学显然是科学的重要组成部分之一。我希望物理学家也能把时间花在科学政策和其他此类活动上。” 

▲ 本文为 Physics World 专栏的第50篇文章。

 

版权声明 

原文标题为“Life beyond the Nobel”,首发于2021年11月出版的Physics World ,英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。未经授权的翻译是侵权行为,版权方将保留追究法律责任的权利。登陆 Physics World,关注日常全球科学新闻、热点报道和评论。Physics World 帮助学界与产业界的研究人员走在世界重大科研突破与跨学科研究的前沿。 

原文链接:https://physicsworld.com/a/life-beyond-the-nobel-why-physicists-love-to-leave-the-herd/

作者简介 

Matin Durrani为《物理世界》主编,邮箱是matin.durrani@ioppublishing.org。Laura Hiscott为《物理世界》的评论和职业版编辑。Margaret Harris是《物理世界》的网站编辑。Michael Banks是《物理世界》新闻编辑。


参考文献:1. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0031916362913690

 



推荐 0