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康普顿效应|他们为什么能一起获奖？诺贝尔物理奖历史上的“拼桌”( 四 )


康普顿效应|他们为什么能一起获奖？诺贝尔物理奖历史上的“拼桌”
一台早期的盖革计数器丨图源：CBS
为什么要把他们俩放在一起得诺奖 ， 那一定都是跟量子力学的未来有关 ， 尽管对非专业人士来说看起来像是硬凑的 。 其实1955年的物理学奖也是两个不同的发现“兰姆位移”和“电子磁矩” ， 但最终可以用同一个理论解释 ， 即量子电动力学 。
两个方向硬凑
1978年的物理学奖可以说是硬拼凑的典型了 ， 颁给了两个完全不同的方向 。 独享一半奖金的是苏联物理学家卡皮查（Pyotr Kapitsa） ， 因“低温物理学的基本发明和发现”而获奖 。 另一半奖金由美国的两位工程师彭齐亚斯（Arno A. Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert .W. Wilson）获得 ， 他们因为发现了宇宙微波背景辐射而获奖 。
低温物理学 ， 简单来说就是在低温环境下研究物质性质的一门学科 。 所有物质都是由不断运动的原子和分子组成 ， 而它的温度就取决于“热运动”的强度 。 当温度到达绝对零度 ， 热运动就会停止 。 在极低温的条件下 ， 科学家发现了物质很多非同寻常的性质 ， 比如超导性 。 1913年荷兰物理学家昂内斯（Heike Onnes）因为制取了液氦并发现了物质的超导性而获得了诺贝尔物理学奖 ， 这也是该领域的第一个诺奖 。
康普顿效应|他们为什么能一起获奖？诺贝尔物理奖历史上的“拼桌”
装在透明容器里的液氦丨图源：Funsize Physics
1934年卡皮查设计了一种生产液氦的新装置 ， 可以在不用液氢冷却的情况下大量产生液氦 ， 为低温物理学开创新时代 。 随后卡皮查又进行了一系列的液氦实验 ， 从而发现了液氦的超流动性——在绝对零度之上约2开尔文时 ， 液体的黏度极低甚至消失了 。 他的实验证明了氦II处于一种宏观的量子状态 ， 量子效应起主导作用 。 后来另一位苏联物理学家朗道理论上解释了超流现象的原因 ， 他因“对凝聚态特别是液氦的先驱性理论”获得了1962年诺贝尔物理学奖 。
康普顿效应|他们为什么能一起获奖？诺贝尔物理奖历史上的“拼桌”
卡皮查（Пётр Леонидович Капица ， 1894-1984）丨图源：thefamouspeople.com
朗道的贡献不止一个诺贝尔奖 ， 他在1962年获奖的原因更大可能是因为当年年初遭遇了车祸 。 诺奖不发给过世的人——再不发给他可能就来不及了！还有两位俄罗斯物理学家当时与朗道一起研究超导体和超流体 ， 他们直到2003年才获得诺贝尔奖 。
卡皮查是位巨匠级的物理学家 ， 除了低温物理学 ， 还在强磁场、高温等离子体等研究而闻名 。 他也是苏联物理学的领军人物 ， 苏联科学院主席团成员 ， 莫斯科物理技术研究所(MFTI) 的创始人之一 。 朗道曾因政治原因入狱一年 ， 正是卡皮查找到斯大林抗议交涉 ， 最终使朗道无罪释放 。
康普顿效应|他们为什么能一起获奖？诺贝尔物理奖历史上的“拼桌”
朗道（左）和卡皮查丨图源：nplus1.ru
1978年的另一半诺贝尔物理学奖与2019年的诺奖有关 。 1963年 ， 彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊这两位贝尔实验室的工程师把一台通讯卫星的接受装置改装成了射电望远镜 ， 用来接收宇宙中传来的无线电波 ， 这是现代天文学中最重要的研究方法之一 。 当他们测量天线性能时 ， 发现了一个无法解释的现象 ， 无论天线通向何处 ， 都有一个等效温度为3.5K的噪声 ， 多余的温度是哪里来的？他们想办法排除各种干扰 ， 还发现了天线上栖息了一对鸽子 ， 留下不少鸽子粪 ， 他们一度以为这就是罪魁祸首 ， 结果清理干净后还是噪声还在 。 折腾了一年 ， 他们才意识到了这应该是一次新发现 。
康普顿效应|他们为什么能一起获奖？诺贝尔物理奖历史上的“拼桌”
威尔逊（Robert .W. Wilson ， 1936-）（左）和彭齐亚斯（Arno A. Penzias， 1933-）获得诺奖后在天线旁合影丨图源：npr.org
普林斯顿大学的天体物理学家迪克（Robert H. Dicke）等人当时也在进行相关的工作 ， 而且正是他向贝尔实验室的两人建议使用辐射计搜寻宇宙的微波背景 ， 提出是否可能存在于宇宙早期残留下来的某种辐射 。 当彭齐亚斯联系到迪克时 ， 迪克说 ， “我们被抢先了”——他们两人先发现了宇宙微波背景辐射 。
在大爆炸模型中 ， 宇宙早期是充满着高温致密的等离子体和辐射 ， 随着宇宙膨胀而逐渐冷却 。 当冷却到一定温度 ， 质子和电子结合成了中性的氢原子 ， 宇宙开始变得透明 ， 接下来光子开始自由地在空间中移动 ， 这一过程被称之为光子退耦 。 随着空间的膨胀能量越来越少 ， 遗留下来的辐射已经到了微波波段 ， 这就是宇宙微波背景辐射 ， 也称之为遗留辐射 。
彭齐亚斯和威尔逊没能对这种辐射做出理论上的解释 ， 所以他们的发现也遭受了一些争议 ， 很多科学家认为预测了宇宙微波背景辐射 ， 并对大爆炸模型奠定基础的阿尔弗（Ralph Alpher）和伽莫夫（George Gamow）、赫曼（Robert Herman）应该获得诺奖 ， 他们的理论诞生于20世纪40年代 ， 尽管在当时并没有被广泛关注 ， 后来人们才意识到对宇宙学发展的重要性 。


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