施郁：可能的诺贝尔物理学奖

　　2023年诺贝尔物理学奖将在10月3日公布。图源：诺贝尔基金会

　　导读：

　　一年一度的诺贝尔物理学奖即将在周二10月3日公布。对诺贝尔奖和物理学史有深入研究的理论物理学者施郁教授认为，以下五组工作值得诺贝尔物理学奖的奖励。他列出了这些工作的完成人以及他们的主要贡献。

　　你认为今年的诺贝尔物理学奖将颁给哪些科学家？欢迎留言说明你的理由。对于预测正确的读者，《赛先生》将随机选出三位，赠送一本1933年诺贝尔物理学奖得主保罗·狄拉克的著作《狄拉克讲广义相对论》。

　　施郁 ｜ 撰文

　　1. 超快激光科学和阿秒物理

　　人物：Anne L’Huillier, Paul Corkum 和 Ferenc Krausz

　　主要贡献：对超快激光科学和阿秒物理的开拓性贡献，展示了原子、分子和固体中的电子运动的时间分辨成像。

　　他们对技术发展和物理应用都做出了贡献。如这组科学家获得诺贝尔物理学奖，安妮·吕利耶（Anne L’Huillier，1958年8月16日—）将成为第五位女性物理学奖得主。

　　费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz，1962年5月17日—）是匈牙利裔奥地利人，2004年起是慕尼黑大学物理学教授。1990年代，他在维也纳技术大学时，就对用激光产生超短光脉冲感兴趣。2000年代早期，他的研究组产生了第一个阿秒脉冲，证明了脉冲时长在阿秒量级，并用来对原子尺度上的电子运动做了实时观测。

　　保罗·科克姆（Paul Corkum，1943年10月30日— ）是加拿大人，领导加拿大研究会和渥太华大学共同成立的联合阿秒科学实验室（Joint Attosecond Science Laboratory, JASLab）。他对高阶谐波的产生做出重要贡献，并提出模型解释阿秒光谱的复杂现象，特别是，用半经典再碰撞模型解释了阿秒脉冲的形成机制。在强激光场的影响下，电子从原子或分子势场中隧穿出来，然后加速，再复合，放出高阶谐波，对原子分子结构的演化很敏感。高阶谐波谱使得他能重建物理过程，演示分子轨道层析成像的可行性。

　　安妮·吕利耶是法国/瑞典物理学家，隆德大学（Lund University）原子物理教授，从事原子和短强激光脉冲的相互作用。在巴黎大学，她获得数学和理论物理双硕士学位，博士论文研究实验物理。1987年，她参与了产生第一个产生高阶谐波、形成阿秒脉冲的实验，她对理论描述的贡献很大，也进行了一系列进一步的实验来加深对过程的理解。

　　以下贡献未来也可能获得诺贝尔奖。

　　2. 量子相位

　　人物：Yakir Aharonov, Sir Michael V. Berry.

　　主要贡献：发现拓扑和几何量子相位。

　　1959年，亚基尔·阿哈罗诺夫(Yakir Aharonov，1932年8月28日—)和他的导师戴维·玻姆（David Bohm）考虑电子绕过一个局限在某个区域的磁场。量子力学中，电子运动用波函数描述，可以看成有两个分量，分别从磁场的两边经过，从而积累了不同的相位，这两个分量的相位差，与局域磁场的磁通量有关系。当这两个分量再结合时，相位差可以引起干涉效应。这叫Aharonov-Bohm效应。等效地看，也可以考虑电子环绕磁场区域一周，积累一个相位。这个相位差或者相位后来被称作Aharonov-Bohm相位。它具有拓扑性，因为只要这两个路径包住磁通量，具体路径可以变化。它还说明，与经典电磁学的说法不一样，电磁场的矢势有物理效应，因为在磁通量之外，磁场强度等于零，但是矢势不等于零。

　　Aharonov-Bohm相位对于所有与电磁场有关的量子力学问题都很重要，比如超导和量子霍尔效应。杨振宁将此推广为规范场的不可积相位因子，并鼓励日本的外村彰用超导环实现Aharonov-Bohm效应。

　　戴维·玻姆是奥本海默在伯克利的博士生，因为是左派、亲共，被排斥在曼哈顿工程之外，留在伯克利研究等离子体。战后成为普林斯顿大学助理教授，和学生戴维·派恩斯（David Pines）研究金属中电子的等离子体振荡。后来麦卡锡主义猖獗时，玻姆被迫离开美国，先去巴西，后来定居在英国。 顺便提一下，电影《奥本海默》里没有出现玻姆，原著作者和电影编导毕竟都不是物理学家。

　　Aharonov-Bohm效应是阿哈罗诺夫和玻姆在英国Birbeck学院做的工作阿哈罗诺夫后来也研究了量子力学的其他很多基础问题。

　　1984年，迈克尔·贝里（Michael Berry，1941年3月14日—）发现，量子粒子的能量函数（哈密顿量）里的参数缓慢变化时，也会导致一个相位，只与参数空间里的路径有关系，叫做几何相位，后来也被称为Berry相位。某种意义上，是Aharonov-Bohm相位的推广。

　　Aharonov-Bohm相位和Berry相位在物理学的所有与量子力学有关的领域都很重要。Berry相位在一些经典系统里也类似地存在。

　　亚基尔·阿哈罗诺夫是以色列特拉维夫大学和美国北卡罗林那大学教授， 迈克尔·贝里爵士是英国布里斯托大学教授。

　　3. 拓扑绝缘体

　　人物：Charles Kane, Eugene Mele, Laurens W. Molenkamp

　　主要贡献：对量子自旋霍尔效应的理论预测和实验观察，开创了拓扑绝缘体领域（for the theoretical prediction and experimental observation of the quantum spin Hall effect, opening the field of topological insulators）。

　　拓扑绝缘体是一种表面是金属态，内部是绝缘态的材料。因为拓扑效应，电子在拓扑绝缘体表面运动时对杂质不敏感。这里的拓扑是电子的动量量子态空间的性质，受到对称性的保护。拓扑绝缘体的研究源于用自旋轨道耦合代替自旋与磁场的耦合，以实现类似量子霍尔效应的物态。自旋轨道耦合是时间反演不变的，而磁场破坏时间反演不变。

　　2003年，张首晟和合作者发现，自旋轨道耦合使得每种自旋的电子行为类似于量子霍尔效应，叫做量子自旋霍尔效应，不同自旋的电子向不同方向运动，但是这个模型里没有拓扑保护，少量杂质就可以破坏边缘态。

　　2005年查尔斯·凯恩（Charles Kane,1963年1月12日 — ）和尤金·梅莱（Eugene Mele）提出具有拓扑保护的模型，他们指出，由于具有某种拓扑不变量，某种时间反演对称性的2维模型可以有稳定的边缘态，从而有稳定的量子自旋霍尔效应。但是他们提到的具体材料石墨烯中的自旋轨道耦合太弱，不足以引起效应。

　　然后张首晟和合作者指出，将碲化汞夹在碲化镉中间所形成的量子阱中可以实现2维拓扑绝缘体，具有1维螺旋边缘态，在没有磁场的情况下就表现出电导量子化。在张首晟的推动下 ，劳伦斯·莫伦坎普（ Laurens W. Molenkamp，1956年8月4日—)在实验上第一次实现了这样的2维拓扑绝缘体，观察到电导平台。

　　凯恩和梅莱是美国宾夕法尼亚大学教授。莫伦坎普是德国维尔茨堡大学大学教授。

　　如果拓扑绝缘体研究获得诺贝尔奖，也会引起对于张首晟的怀念。

　　4. 粒子物理中的强相互作用理论

　　人物：James Bjorken，Stephen Adler

　　主要贡献：对强相互作用理论的开拓性贡献（pioneering contributions in theories of strong interaction）。詹姆斯·比约肯（James Bjorken，1934年6月22日—）1967年预言电子-核子非弹性碰撞中的标度行为，1964年和谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）提出粲夸克。史蒂文·阿德勒（Stephen Adler，1939年11月30日—）提出求和规则，阐明了手征反常。

　　核子是指质子或中子。标度行为是说，决定碰撞概率分布的结构函数取决于能量和动量之比。比约肯所预言的电子-核子深度非弹性碰撞中的标度行为，一年后被斯坦福直线加速器实验证实，并导致费曼提出核子由点状的部分子组成。这对夸克模型的接受至关重要，并导致强相互作用的量子色动力学。部分子被认为是夸克和胶子的高能近似，量子色动力学的渐进自由性质与比约肯标度行为一致。做出实验的三位实验物理学家Jerome I. Friedman, Henry W. Kendall 和 Richard E. Taylor已经获得1990年诺贝尔物理学奖。

　　另外，比约肯还曾和格拉肖于1964年提出粲夸克。1974年，丁肇中组和里希特（B.Richter）组发现J/ψ粒子，确认了粲夸克的存在乃至夸克模型的真实性，因此丁肇中和里希特分享了1976年诺贝尔物理学奖。

　　比约肯关于标度行为的预言是在阿德勒的求和规则基础上做出的。阿德勒求和规则是说，正反中微子和核子散射的结构函数之差是一个常数。阿德勒此前还有一个π介子与核子散射的求和规则（Weisberger也独立发现）。

　　这些都是流代数理论的成果，流代数理论是盖尔曼1964年提出，通过各种“流”的对称性，研究夸克的性质。

　　阿德勒还 阐明了手征反常 （意思是，经典上因为违反守恒律而不能发生的过程，因为量子效应而可以发生）。在阿德勒之前，贝尔（John Bell）和贾基夫（Roman Jackiw）已发现了手征反常。

　　比约肯是美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）名誉教授，他与德雷尔（Sidney Drell）合写过《相对论量子力学》和《相对论量子场》教科书。阿德勒是美国普林斯顿高等研究院教授。

　　5. 像差校正电子显微镜

　　人物：Maximilian Haider，Harald Rose和 Knut Urban。

　　主要贡献：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。1米=10^6微米=10^10埃。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，当时在达姆施塔特工业大学的哈拉尔德·罗泽（Harald Rose，1935年2月14日—），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，罗泽联合当时在海德堡的马克西米利安·海德尔（Maximilian Haider，1950年1月23日—）和在 Jülich 的克努特·乌尔班（Knut Urban，1941年6月25日—）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。

　　罗泽的贡献主要是设计了所谓罗泽校正器（ Rose corrector），在透射电镜中校正像差，这也可以用于扫描电镜。海德尔的贡献是在罗泽的设计基础上，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。乌尔班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。

　　哈拉尔德·罗泽是德国人，在达姆施塔特工业大学获得博士学位，研究电子光学，然后在这所大学工作，其中1976-1980年在美国纽约州卫生部工作。2009年起是乌尔姆大学ZEISS高级教授。

　　马克西米利安·海德尔是奥地利人，1987年在达姆施塔特工业大学获博士学位，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。

　　克努特·乌尔班是德国人，1972年于斯图加特大学获博士学位。他现在是亚琛工业大学的高级教授。

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