1989年諾貝爾物理學(xué)獎

1019891989年物理學(xué)獎，由三位物理學(xué)家共享，他們是美國的諾曼〔NormanF.Ramsc〔獲得獎金的一半德〔HansG.Dehmel〕和德國的沃爾夫?qū)瞁olfgangPaul〔共享另一半獎金。拉姆齊制造了分別振蕩場方法及用之于氫微波激射器及其它原子鐘。德默爾特和保羅進(jìn)展了原子準(zhǔn)確光譜學(xué)和開發(fā)離子陷阱技術(shù)。諾曼·拉姆齊〔NormanF.Ramscy，1915—2023于美國華盛頓特區(qū)。母親是德國移民，曾是大學(xué)數(shù)學(xué)教師，父親是西點(diǎn)軍校畢業(yè)生，當(dāng)過美軍軍官。由于父親工作沒有固定地點(diǎn)，他小時候常隨家周游世界，學(xué)習(xí)不按常規(guī)，根本上靠自學(xué)。1919年，第一次世界大戰(zhàn)剛剛完畢，他父親被派往法國任職，母親帶著小拉姆齊同父親一起來到了法國巴黎。母親寵愛藝術(shù)，來到巴黎這個藝術(shù)之都后，產(chǎn)生了一個念頭：每個月帶兒子參觀兩次盧浮宮，讓兒子從小承受藝術(shù)的熏陶。但第一次參觀盧浮宮，拉姆齊就讓母親大失所望，他對藝術(shù)不感興趣，一件作品是只看兩眼便催促母親趕快走。后來母親領(lǐng)他去科技博物館，意外覺察他對那里的展品行外感興趣，甚至有些流連忘返。于是母親轉(zhuǎn)變了打算，打算每個月帶兒子參觀兩次科技博物館。拉姆齊早年對科學(xué)的興趣是通過閱讀一篇關(guān)于原子的量子理論的文章而激發(fā)的。當(dāng)時他并不認(rèn)為物理可作為自己的職業(yè)。父母曾希望他步父親的后塵去西點(diǎn)學(xué)軍事，可是當(dāng)時他還太小，于是就申請了一項(xiàng)獎學(xué)金到堪薩斯大學(xué)哥倫比亞學(xué)院上學(xué)，專業(yè)是數(shù)學(xué)。由于他每年都獲得競賽優(yōu)勝獎，在高年級時竟然得到了只有爭論生才能從事的教學(xué)助理的職位。1935年拉姆齊從哥倫比亞大學(xué)畢業(yè)，由于興趣轉(zhuǎn)向，改為攻讀物理學(xué)，他得到獎學(xué)金到英國劍橋大學(xué)卡文迪什試驗(yàn)室學(xué)習(xí)。卡文迪什試驗(yàn)室可謂群英薈萃，是20發(fā)祥地之一，先后有二十多人獲得諾貝爾獎。在那里，拉姆齊第一次接觸到分子束方法，為他日后的科學(xué)爭論打下了堅(jiān)實(shí)的根底。后來，拉姆齊又回到哥倫比亞大學(xué)跟隨拉比做博士論文。拉比不僅在爭論方面成果輝煌，而且在教書育人方面也卓有成就，在他的學(xué)生和學(xué)生的學(xué)生中，先后有十多人獲得了諾貝爾獎，被稱之為“拉比樹〔只用了一年、獲得獎學(xué)金最多、榮獲諾貝爾獎時的年齡最大〔74。194740他建立了分子束試驗(yàn)室，以便準(zhǔn)確地進(jìn)展磁共振試驗(yàn)。當(dāng)時遇到的主要困難是沒有足夠均勻的磁場，這促使他制造了分別振蕩場方法。分別振蕩場方法不但為銫原子鐘的研制奠定了根底，還使他們有可能測量很多不同分子的分子特性和磁自旋-旋轉(zhuǎn)相互作用、分子中電子的分布等等。2090的爭論。他主持建設(shè)了哈佛大學(xué)的盤旋試驗(yàn)室，并用這臺進(jìn)展質(zhì)子-質(zhì)子散射爭論。拉姆齊雖然根本上是一位試驗(yàn)物理學(xué)家，但他對理論也格外寵愛，曾經(jīng)建立核磁共振化學(xué)位移理論、分子核的相互作用的理論和負(fù)確定溫度下的熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的理論。1986界，與各大學(xué)及中心試驗(yàn)室建立有廣泛的聯(lián)系。2023年，拉96漢斯·格奧爾格·德默爾特〔HansGeorgDehmelt，1922—2023，誕生于德國的哥利茲Gorlit1940年，德默爾特中學(xué)畢業(yè)后，應(yīng)召入伍。1943年在柏林郊區(qū)當(dāng)過高射炮兵。1943年—1944年出于軍事需要，被送往布雷斯勞〔Breslau〕工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)物理，后來又回到部隊(duì)參與迫擊炮19451948195019501952年在哥丁根大學(xué)讀博士后。19551956華盛頓大學(xué)任教，19611978學(xué)院院士。沃爾夫?qū)けＡ_〔WolfgangPaul，1913—1993，誕生于德國薩克森州洛侖茲基?！睱orenzkirch〕的一個農(nóng)村里。父親曾是慕尼黑大學(xué)藥物化學(xué)教授，所以保羅小時候受到良好教育，很生疏化學(xué)試驗(yàn)室的工作。惋惜其父在他15世。他厭煩中學(xué)偏重拉丁文和古希臘文的教學(xué)方式，決心成為物理學(xué)家。他承受父親好友索末菲的建議，先從事周密機(jī)械工藝的學(xué)徒。1932年秋，進(jìn)入慕尼黑工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)過程中，豐富的表演試驗(yàn)激起了他對物理學(xué)的興趣。兩年后保羅轉(zhuǎn)到柏林工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)，在那里幸運(yùn)地遇到了一位物理學(xué)教授，對他像慈父一般關(guān)心，這位教授致力于超精細(xì)光譜學(xué)和磁矩領(lǐng)域的爭論工作，保羅和他一起工作了16年。另外還有一位理論物理學(xué)家貝克爾Becke響，不僅在科學(xué)方面，還在日常生活以及思想和政見方面。1937年，保羅轉(zhuǎn)到基爾〔Kiel〕大學(xué)讀博士學(xué)位。論文題目選的是從超精細(xì)光譜測定鋇的核矩，他利用原子光源以減小多普勒效應(yīng)。正值要做試驗(yàn)時，他卻被應(yīng)征入伍，不久就爆發(fā)了其次次世界大戰(zhàn)。所幸后來他請了假，完成了博士考試。1940年，保羅脫離軍隊(duì)，回到導(dǎo)師身邊連續(xù)進(jìn)展科學(xué)爭論，從事的是質(zhì)譜學(xué)和同位素分別。后來還與醫(yī)學(xué)系的同事合作，做放射生物學(xué)和電子癌癥治療工作。本年度獲獎的三位物理學(xué)家，都在原子物理試驗(yàn)技術(shù)方面作出過出色奉獻(xiàn)，他們制造性地進(jìn)展了準(zhǔn)確的計(jì)量方法，大大改進(jìn)了試驗(yàn)的技術(shù)條件，使很多以前無法進(jìn)展的試驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)，并到達(dá)前所未有的準(zhǔn)確程度。由于他們的工作，科學(xué)界有可能對一些根本物理定律進(jìn)展更深入的檢驗(yàn)，從而提高了人類生疏物質(zhì)世界的力量。1950年，拉姆齊提出分別振蕩場方法，解決了原子鐘設(shè)計(jì)里的關(guān)鍵問題，研制了銫原子鐘。1960年，他又提出并建筑了原子氫微波激射器，也就是氫原子鐘，使計(jì)時的不確定1×10-121951焦磁場，可以使中性分子聚攏，對分子束爭論極為有用。后來他又設(shè)計(jì)了一種射頻四極電場，能夠把帶電粒子囚禁在電場中，這一電場就相當(dāng)于一個捕獲粒子的陷阱。這項(xiàng)工作成為以后帶電粒子存儲技術(shù)的先驅(qū)。1958年，德默爾特開頭爭論用電磁場形成的陷阱把電子或其它帶電粒子存儲在隔絕狀態(tài)的試驗(yàn)方法。他和合作者不斷改進(jìn)試驗(yàn)原理和試驗(yàn)裝置，2080他設(shè)計(jì)的離子陷阱試驗(yàn)裝置，可以把單個自由電子長期〔幾天或幾周，甚至更長時間〕存儲在所謂的彭寧〔Penning〕陷阱里，讓它作受迫運(yùn)動，并不斷從電子的運(yùn)動提取有關(guān)電子特性的各種訊息。他的小組測到的電子g因子，比別的方法13個。值得一指的是，這三位出色的物理學(xué)家，他們的工作都與原子束方法有淵源關(guān)系，都曾長期在這個領(lǐng)域作過很多工作，有所覺察和制造。早在1949共振覺察的鼓勵，覺察了核四極共振〔簡稱NQ1940拉姆齊在導(dǎo)師拉比〔I.I.Rabi〕的指導(dǎo)下，第一個對分子的旋轉(zhuǎn)磁矩進(jìn)展過準(zhǔn)確測量，并首次觀測到這類磁矩隨核的質(zhì)量變化的關(guān)系。當(dāng)時他還在做博士論文，就顯示出了驚人的才能。后來他受聘留在哥倫比亞大學(xué)任教，并從事爭論原子束共振。1947說起銫原子鐘的制造，還有一段引人深思的軼事。1940133作為頻率測量的基準(zhǔn)。拉姆齊記得當(dāng)時在拉比小組中就爭論過這個問題。他們打算用這一躍遷測引力紅移〔廣義相對論認(rèn)為，從巨大質(zhì)量的星體外表經(jīng)過的光線，會向光譜的紅端移動，還一度建議美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的有關(guān)專家研制原子束鐘?？墒怯捎诩夹g(shù)條件尚未成熟，這一建議只好束之高閣。其次次世界大戰(zhàn)中，由于雷達(dá)的廣泛應(yīng)用，微波電子學(xué)有了長足用原子鐘來計(jì)時的日子已經(jīng)不遠(yuǎn)了。原子束試驗(yàn)裝置素以構(gòu)造簡單，設(shè)備浩大著稱，由于它既需要加熱，又需要抽高真空，還要有強(qiáng)大的射頻場和特別要求的磁場，使分子束或原子束放射、聚焦、選態(tài)、激發(fā)和檢測。怎樣才能簡化這些設(shè)備呢？這是使物理學(xué)家們大傷腦筋的問題。特別是為了減小譜線寬度，還必需實(shí)行某些特別的措施，這使事情更加簡單。依據(jù)理論分析，得知譜線寬度與振蕩場區(qū)的長度成反比，這個振蕩場區(qū)要求保持均勻的微波場和磁場。但是，射程長了，原子束的強(qiáng)度大減，而且難以保證磁場均勻，所以加大長度，譜線反而會增寬。拉姆齊和大家一樣，也在為這個問題作各種探討。他當(dāng)時正在哈佛大學(xué)上物理光學(xué)課。正值他百思不得其解之際，邁克爾遜的測星干預(yù)儀的設(shè)計(jì)思想啟發(fā)他找到了一個絕妙的2020100〔2.54m〕天文望遠(yuǎn)鏡上加了兩道反射鏡，形成兩翼，相距6m，利用兩翼的光束相互干預(yù)，用以測量星體的角直徑，結(jié)果把望遠(yuǎn)鏡的角區(qū)分率增加了幾十倍，從而第一次測出了星體的角直徑，解決了過去用望遠(yuǎn)鏡始終無法解決的問題。相距6m于把望遠(yuǎn)鏡的口徑加大為6m，實(shí)際上即使做成這樣浩大的望遠(yuǎn)鏡，也可能無法保證干預(yù)條紋的清楚度。后來，邁克爾遜的設(shè)計(jì)方案被人們寫進(jìn)了教科書，拉姆齊在教光學(xué)課時固然會看到這些內(nèi)容。拉姆齊想，可不行以也用類似的方法來改造原子束的振蕩場呢？經(jīng)過推算，他證明在振蕩場兩端用兩條狹窄的振蕩區(qū)即可代替整個振蕩場，只要兩端的驅(qū)動微波同位相，整個場的不均勻性就不會影響共振曲線的寬度，反而可以使寬度縮窄40期望。1952年，第一臺應(yīng)用分別振蕩場方法的銫原子鐘在美101955后他們發(fā)表的結(jié)果是：銫133原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級間躍9192.631770MHz196713假設(shè)說銫原子鐘為科學(xué)的進(jìn)展供給了準(zhǔn)確的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，那么原子或離子陷阱技術(shù)就為探究微觀粒子的特性開拓了一條途徑。原子〔或離子〕陷阱技術(shù)是依據(jù)愛因斯坦提出的原理實(shí)現(xiàn)的，即原子〔或離子〕向電磁輻射源運(yùn)動時，能夠吸取肯定能量的光子而躍遷到較高能級，跳回到原來能級時又釋放出光子。假設(shè)這個原子或離子是相對于電磁輻射源靜止不動的，那么，兩個光子的能量完全相等。假設(shè)這個原子或離子向電磁輻射源運(yùn)動，則放出光子的能量比吸取光子的能量大。依據(jù)愛因斯坦的這一原理，兩個光子能量之差只能從原子或離子運(yùn)動能量的削減中得到補(bǔ)償。這樣一來，原子或離子的運(yùn)動速度就會減慢。反復(fù)屢次，原子或離子的運(yùn)動能量就會耗盡，這樣原子或離子就被捕獲到了。這種方法是2050方法有一個缺點(diǎn)，就是被捕獲到的原子或離子還會以某個頻率振動，它仍舊有肯定的動能。德默爾特對其進(jìn)展了改進(jìn)，用一束光照耀被捕獲的原子或離子，使它通過吸取或放射的過程再失去能量。這樣，它就會靜止在陷阱中。陷阱的主體是三個電極組成的電場區(qū)，如下圖。中間是一雙曲旋轉(zhuǎn)面電極〔稱環(huán)電極10V左右的直流電壓，中間形成四極電場區(qū)。再在沿軸線方向加一均勻磁場，于是就形成一個可以囚禁電子的陷阱。再在下電極加一射頻驅(qū)動電壓，使電子作受迫軸向振蕩。電子在磁場中還要作盤旋加速器運(yùn)動和磁控管運(yùn)動，這些運(yùn)動的頻率可以經(jīng)上電極的諧振電路檢測，如下圖。離子陷阱原理圖〔左〕和諧振電路原理圖〔右〕電子被隔絕在電極和磁體所掌握的陷阱里，都安置于地球上，與地球構(gòu)成一個整體，就似乎電子是被地球束縛住了一樣。于是德默爾特最初給它起了一個代號叫地球素〔geoniu，實(shí)際上就是地球原子的意思。陷阱的尺寸極其0.325cm，整套裝置封在真空度中。超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)達(dá)5T，環(huán)境溫度大約4K。在這樣低的溫度下，電子的狀態(tài)只能用量子化的能級來描述?？梢哉f，它是在最低的幾個能級上躍遷，同時不斷地轉(zhuǎn)變自旋取向，能級躍遷和自旋反轉(zhuǎn)都可經(jīng)軸向感生電壓的頻率變化反映出來。經(jīng)過簡單的檢測，可以從自旋運(yùn)動的頻率ν與盤旋頻率νC之比求出電子的g1984量的結(jié)果是〔1/g＝1.00115965219〔g因子是表征電子或其它微觀粒子特性的重要參數(shù)，把這個參數(shù)測量得如此之準(zhǔn)確，對生疏物質(zhì)世界規(guī)律有格外重要的意義。首先，可以通過量子電動力學(xué)計(jì)算精細(xì)構(gòu)造常數(shù)α1984α-＝137.035994589。其中第一項(xiàng)誤差來自試驗(yàn)，其次項(xiàng)誤差來自理論計(jì)算，他們得到的αgαα電動力學(xué)理論進(jìn)展檢驗(yàn)。這個比較始終在進(jìn)展，可以說，不同途徑得到的α還有，比較不同的微觀粒子的g因子，可以檢驗(yàn)?zāi)承┲匾奈锢硪?guī)律。例如，1987g〔1/2〕g〔e+〕＝1001159652187.〔4.3〕×1-12。用同一方法測得負(fù)電子g因子為：〔1/2〕g〔e〕＝1001159652188.4〔4.3〕×10-12。兩者相比，得：g〔e+〕/g〔e-〕1.00000000000060。這不能說不是對CPT嚴(yán)格的一次檢驗(yàn)。離子陷阱試驗(yàn)方法還可用于質(zhì)子和重離子。經(jīng)過補(bǔ)償?shù)呐韺幭葳蹇梢援?dāng)作高區(qū)分率的質(zhì)譜儀測量電子和質(zhì)子的質(zhì)量比，其準(zhǔn)確度超過以往的任何方法，19