今年的諾爾物理學獎引起了我的幾個話題

2022-11-23 21:48:03 字數 3767 閱讀 5728

華新民第乙個話題就是,今年分享諾貝爾物理獎的馬瑟博士恰好是筆者工作所在的美國宇航局戈達德空間飛行中心的科學家。「諾獎年年發,今年到我家」,這給所有在這裡工作的人多少帶來一點「與有榮焉」的感覺,儘管得獎的科研成果是十年前就已經結束的一顆算不上大的衛星(cobe)上得來的,參與該項目的人,包括馬瑟本人,都已經轉到別的專案多年。馬瑟1974年到宇航局工作,從博士後當起,幾十年一直沒有離開過,可以說是宇航局自己培養出來的人才,不是那種百萬年薪聘來的已經成了名的主兒。

而且這是美國國家宇航局成立近五十年來第一次有研究人員獲得諾貝爾獎,為此飛行中心組織了兩次有關的活動。就在宣布得獎後的第二天,飛行中心開了乙個熱烈但說不上隆重的慶祝會。會開得沒有什麼「規格」,所有工作人員都受到了邀請,為了多容納一些人,會場撤去了椅子,周圍桌子上放了一些香檳之類的飲料和糕點,出席的人們都隨意站著,沒有各部門領導帶隊進場。

除了飛行中心的主任,沒有其他領導「蒞臨指導」,也沒有宣讀任何上級領導的賀信——大概根本沒有什麼賀信,網上只看到馬利蘭州的參議員給馬瑟本人的一封賀信。馬瑟進場的時候手裡高舉著一樣小東西,走近了才看清那是人人都須掛在胸前的出入證。想來他是用這個出入證來表達他對於飛行中心的感情,也表示他同大家一樣都是這個大家庭裡的普通一員。

事實也是這樣,中心的官方**上,馬瑟的頭銜是:美國宇航局戈達德空間飛行中心觀測宇宙學實驗室的資深天體物理學家連實驗室主任都不是,更沒有教授、博導之類的頭銜,儘管他是馬利蘭大學的兼職教授。會大約只開了乙個小時。

另外一次活動是在十一月二十一日舉行了一場學術演講會,據說是馬瑟去斯德哥爾摩演講的預演,包括答問,也是乙個小時。除此之外,沒有聽說有別的慶祝活動了。

相對於中國人對於諾貝爾獎的熱衷,美國人的態度簡直可以說近乎冷漠。有人說美國得諾貝爾獎的人多,所以人們習以為常。筆者覺得原因不是那麼單純,美國的諾貝爾得獎人雖然多,一生兩次得獎的人總不會多吧?

查諾貝爾獎委員會的網頁,在諾貝爾獎的一百多年的歷史上,在科學領域裡兩次得獎的人只有三人:法國的居里夫人(波蘭裔),英國的桑格和美國的巴丁。就是這個約翰.巴丁伊利諾大學的教授,因為發明電晶體和建立低溫超導理論成為美國獨一無二的兩次諾獎得主(分別在1956年和1972年),有一段軼事足可令國人開眼:

他老人家喜歡打高爾夫球,一位多年的球友,有一次問他:「約翰,你老兄是吃哪一行飯的?」——您看,美國人對於這樣一位「國寶」級科學家竟然如此「有眼無珠」,在中國人看來,簡直是可忍,孰不可忍!

難怪入了美國籍的***和楊振寧回到祖國後會感到無比溫暖了。

從這裡也可以看出,人們說美國科學技術發達,是因為**和人民重視,這種說法未必準確。由於國力強大,美國科研經費固然是比別國多,但**為了節約財政支出而砍掉科研經費的事也時常發生,美國人也不像中國人那樣經常把科學掛在嘴上,中小學生的科學和數學水平在世界上也屬於下游,甚至有眾多的人反對在學校中教授演化論,也不把許多諾貝爾獎得主聯署的公開信放在眼裡,一直鬧到最高法院。筆者根據這些年在美國的觀察,覺得科學和科學家在美國其實是屬於邊緣化的職業和人物,上面舉的巴丁教授的遭遇便是一例。

**對於科學,與其說是重視,不如說是寬容與不干涉。這種邊緣化的地位,反而給了科學家乙個相對少受世事干擾的工作環境,使科學家能夠比較沉穩地從事自己的職業。據說,中國當局現在開始重視整治中國學術腐敗問題。

筆者認為,學術腐敗根子在於學術界在政治經濟等外界因素干擾下的急功近利和浮躁,使這些非學術因素退出學術領域才是整治學術腐敗之根本措施。

今年馬瑟同伯克利加州大學教授斯穆特共同得獎的原因是他們對於宇宙背景輻射的精密測量。外行人也許不知道,因為宇宙背景輻射問題而頒發諾貝爾獎,這已經是第二次了,第一次是1978年,發給最初發現宇宙背景輻射的彭齊亞斯和威爾遜比起馬瑟和斯穆特的工作,彭齊亞斯和威爾遜的工作更富有戲劇性,因為馬瑟和斯穆特是利用專門設計製造的衛星裝置有目的地測量背景輻射,而彭齊亞斯和威爾遜則是在並不知道宇宙中有這樣的輻射存在的情況下發現了它,因而帶有「誤打誤撞」的偶然性,是值得重提的一段科學佳話。這就是我要講的第二個話題。

這個話題也許應當從介紹一點宇宙演化理論的歷史說起。愛因斯坦在二十世紀初提出廣義相對論時,發現他由此建立的引力場方程數學上沒有穩定的解,這意味著我們的宇宙是動態的,要麼收縮,要麼膨脹。這樣的結果今天看起來容易理解,因為在宇宙這樣大的尺度上起作用的力只有引力,沒有別的力量與之抗衡。

就好比一顆拋在空中的石頭一樣,在地球引力場中,它要麼上公升,要麼下落,不可能停留在空中。不過在當時,動態的宇宙同人們日常生活中看到的永恆的星空是那樣的格格不入,以致連愛因斯坦這樣不受成見束縛的人都覺得難以接受,於是他給他的方程加了乙個常數項來強迫宇宙穩定下來。只是後來,經過若干學者的工作,如二十年代蘇聯的弗里得曼等人,以及天文學方面的發現,愛因斯坦才意識到:

膨脹其實是我們宇宙的真實的現狀,自己當初加的常數項實在是多此一舉,愛因斯坦稱這是自己一生中最大的失誤。天文學發現中最重要的是1929年美國的天文學家哈勃根據對大量遙遠的銀河系外的星系的觀測,發現他們都在遠離我們而去,即所謂的河外星系光譜的 「紅移」現象,而且遠去的速度正比於它們同我們之間的距離,而這正是宇宙處於膨脹之中才會有的現象,這就為宇宙膨脹提供了最初的明確證據。既然宇宙一直是在膨脹著,那麼追溯到當初,它一定起始於乙個點,是一次**開始了今天仍在繼續著的膨脹,就好比一顆在空中上公升的石頭可以追溯到最初被拋的那一刻,這就是所謂的「大**」宇宙論。

雖然如此,「天不變,道亦不變」這一人類幾千年來的經驗共識並沒有輕易退出人們的頭腦,仍然有一些學者不相信宇宙起始於一次**,他們根據各種不同的物理上的原理,甚至不惜創造新的理論來解釋哈勃看到的紅移現象,這些理論被人們統稱為穩恆態宇宙論。「大**」和穩恆態理論雙方都有一些有地位的學者支援,一時誰也說服不了誰。

到了上世紀四十年代,流亡美國的蘇聯科學家伽莫夫(g.gamow)和他的合作者阿爾弗和貝特(h.bethe)從研究中認識到,如果大**理論是正確的話,早期的宇宙應當是處於高密度狀態,並且為極高溫度的輻射所充斥。那麼除了哈勃看到的膨脹之外,今天的宇宙中應當還殘留著這種輻射。根據他們的計算,經過幾十億年(現在比較公認的估計是130億年)的膨脹和冷卻,當年那無際的光焰到如今已經只剩微微一絲暖氣了——降到了絕對溫度5度,也就是攝氏零下268度!

這種輻射同當初一樣仍然充斥環宇,我們的地球當然也沐浴在這種餘暉之中,它應當來自所有的方向,因而稱為宇宙背景輻射。1948年,他們在一篇題為「宇宙中元素之起源」的**中發表了研究的結果,這樣,他們就為大**理論提出了乙個可以證偽的預言——如果能找到這樣的輻射,將是對大**理論的極有力的證明,可以把穩恆態宇宙論逼進無法自圓其說的絕境。反之,那就說明大**理論經不住觀測的驗證。

不過要測量這樣的輻射談何容易!絕對溫度為5度的熱輻射屬於微波波段,測量這樣低溫的輻射困難之一是要排除掉各種可能的干擾,否則這些干擾產生的噪音足以把要測量的微弱訊號掩蓋掉。過了將近二十年,這樣的不尋常測量裝置才在紐澤西州的貝爾**實驗室製造出來,它是乙個長達六公尺的喇叭形天線,喇叭形狀可以保證它朝向天空時遮蔽掉來自地面的噪音干擾。

接收器的主要部件——波導管的一端則完全浸沒在近於絕對零度的液態氦中,這就把測量部件本身的溫度降到接近絕對零度(攝氏零下273度),使得儀器和線路自身的熱運動產生的噪音降到最小。需要強調的是,這個裝置並不是為了測量伽莫夫等人預言的宇宙背景輻射而研製的。事實上,伽莫夫等人的想法已經為世人遺忘。

更何況,乙個**公司的實驗室,是不會花錢去搜尋那種虛無縹緲的東西的。宇宙背景輻射的發現者彭齊亞斯和威爾遜是射電天文學家,貝爾實驗室雇用他們是為了研究來自太空的各種無線電干擾以改進無線電通訊,他們二人也完全不知道十幾年前伽莫夫等人的研究工作。然而「歪打正著」,這樣一台儀器卻正是捕捉伽莫夫輻射的理想裝置。

當彭齊亞斯和威爾遜在1964年春著手用它來進行測量時,便發現了在微波段有一些出乎預料的噪音,而且顯然不是由地球大氣產生的,因為大氣產生的噪音應當同大氣的厚度,從而也同喇叭天線的指向有關,而這些無法排除的噪音卻同方向無關。不僅如此,它也不隨著日夜和季節的變遷而變化。彭齊亞斯和威爾遜為了排除這些無法理解的噪音進行了鍥而不捨的努力,他們甚至懷疑鴿子在喇叭天線內留下的糞便是這些噪音的元凶,因而在1965年初把天線拆開,進行了一次徹底的清理。

近幾年的諾貝爾物理學獎與高考

近年的高考試題中有不少與諾貝爾獎有關的試題,也體現了近年高考的乙個新趨向 與最新科技相聯絡,以培養學生解決實際問題的能力 現對與近幾年諾貝爾物理獎有關的問題例析如下 一 與2004年的諾貝爾物理學獎有關的問題 略 二 與2005年的諾貝爾物理學獎有關的問題 背景 美國科學家約翰 霍爾和德國科學家特奧...

2023年諾貝爾物理學獎 迴旋加速器的發明

1939年諾貝爾物理學獎授予美國加利福尼亞州伯克利加州大學的勞倫斯 ernest orlando lawrence,1901 1958 以表彰他發明和發展了迴旋加速器,以及用之所得到的結果,特別是人工放射性元素。核物理學的誕生揭開了物理學發展史中嶄新的一頁,它不但標誌了人類對物質結構的認識進入了更深...

我愛著的物理學班 演講稿

經過高考的過濾,很榮幸大家和我一樣。由於高中努力的把知識結晶,如今能留下來接受高等教育,而不是隨波下流。我們每個人都是乙個質點,彼此存在著力的聯絡,共同以物理學班為參考係,並以物理學專業為質心圍繞著它做永不停息的運動。每個質點與質心間的相互作用,產生了加速度,由於相互作用力不同,產生的加速度也不同,...