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125年来,物理学都取得了哪些突破性进展?Physical Review给你答案(下)

本文授权转载自微信公众号“中科院物理所”

125年来,物理学都取得了哪些突破性进展?Physical Review给你答案(下)

1893年,美国物理学家Edward Nichols在康奈尔大学创办了Physical Review(《物理评论》)期刊,这便是今天包括Physical Review Letters(《物理评论快报》)在内的物理学顶级期刊方阵——Physical Review系列期刊的鼻祖。

今年是Physical Review创刊125周年,为了纪念这一重要的时刻,美国物理学会(APS)从浩如烟海的论文中遴选出了49项具有里程碑意义的工作,绘制出了一张横跨百年的时间表。




125年来,物理学都取得了哪些突破性进展?Physical Review给你答案(下)



1971
威尔逊提出重整化群理论

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1972年,威尔逊的两篇论文建立了重整化群理论的基础,重整化群理论是研究不同长度标度下物理性质的数学工具。当一个系统发生相变时,它的关联长度趋于无穷大,重整化群理论正是描述这种关联性的强有力的工具。威尔逊因此获得了1982年的诺贝尔物理学奖。



1972
氦-3超流性的发现

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1972年,奥谢罗夫、李、理查森观测到接近绝对零度的氦-3变成了超流体,这种流体完全没有粘性。这个结果表明像氦-3原子这样的费米子一样可以具有超流相,这比氦-4的超流相更为复杂。奥谢罗夫、李、理查森因此获得了1996年的诺贝尔物理学奖。



1973
夸克相互作用理论的建立

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格罗斯、维尔泽克和弗兰克各自独立的提出了解释夸克的两个看似相互矛盾的观测结果的理论:夸克总是被束缚在一起来构成其他的粒子,如质子或中子。在一个复合粒子中,夸克只是被松散的束缚在一起。格罗斯、维尔泽克和弗兰克因此获得了2004年的诺贝尔物理学奖。



1974
粲夸克的发现

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1974年,丁肇中和里希特领导的研究组分别独自利用粲-反粲束缚态发现了粲夸克,这种束缚态就是现在的J/ψ介子。这项发现被称为“十一月革命”,因为它把夸克的概念从理论构造变成实验事实。丁肇中和里希特因此获得了1976年诺贝尔物理学奖。



1975
壳层模型在不稳定轻原子核中失效
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原子核的壳层模型预测最稳定的原子核中的中子和质子具有特定的幻数。1975年,在CERN进行的关于不稳定钠原子核的研究发现在中子含量高的原子核中壳层模型失效。



1977
拓扑相变的理论表述

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1977年,索利斯、科斯特利茨和霍尔丹利用拓扑理论描述了大量固体中奇怪的相和相变。他们的工作为描述薄膜中的输运现象和低维量子磁体、超流体和超导体中的奇异行为提供了新的视角。 索利斯、科斯特利茨和霍尔丹因此获得了2016年的诺贝尔物理学奖。



1978
预言六角相

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1978年,霍尔珀林和纳尔逊提出二维固体融化中包含一种介于固体和液体之间的中间相,这个发现被称为六角相,六角相在之后的实验和理论模拟中均得到证明。这说明二维系统的融化和三维系统有着本质区别。



1980
量子霍尔效应的发现

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1980年,冯·克利青、乔治亚和佩珀发现低温下二维电子气的霍尔电导随着外加磁场的增强按照e2/h 整数倍变化。紧随着量子霍尔效应被发现分数量子霍尔效应,它是被崔琦、施特默和高萨德发现的,分数量子霍尔效应中激发了分数电荷。冯·克利青因此获得了1985年诺贝尔物理学奖。冯·克利青因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖;崔琦和施特默获得了1998年的诺贝尔物理学奖。



1981
古思提出暴涨理论

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1981年,古思假设,在大爆炸发生后不到一秒的时间内,宇宙经历了以指数方式快速膨胀的过程。暴涨模型为宇宙的均匀性和平坦性提供了解释,这在之前一直是宇宙学家想要解决的难题。



1982
贝尔测试验证量子力学预言

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量子理论预言纠缠态中的粒子之间的关联性超出了经典例子可以达到的极限。1982年,阿兰·阿斯佩和他的合作者通过贝尔测试证实了这个预言。实验中使用了从一个原子中发射的光子对,结果是量子理论胜出。值得一提的是,阿兰·阿斯佩消除了导致之前实验失败的测量仪器之间的相互作用。



1982
扫描隧道显微镜的发明

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1982年,宾尼、罗雷尔和他们的合作者利用原子尺度的针尖测量材料表面微小的隧穿电流来制造扫描隧道显微镜。这种探测手段可以扫描出材料表面原子精度的图像。1986年,宾尼、魁特和盖博生产出了原子力显微镜。宾尼和罗雷尔因此获得了1986年诺贝尔奖。



1984
准晶的发现

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1984年,谢赫特曼和他的和他的合作者在合金中的重大发现促使物理学家重新思考晶体的概念,因为在这种合金中的原子排列呈现出五重旋转对称性,并且不具有周期性结构。在后续的论文中,莱文和斯坦哈特把这种原子排列方式称为准晶并解释了这种结构可以存在的原因。 谢赫特曼因此获得了2011年的诺贝尔化学奖。



1985
朱棣文发明激光冷却技术

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1985年,朱棣文和他的合作者利用相向传播激光束的辐射压,将原子限制在极度低温的状态下,这种技术可以在100毫秒内将原子温度降低至几百毫开尔文。他们冷却和俘获原子的技术提高了原子光谱学的精度,也推进了包括玻色爱因斯坦凝聚等在内的体系量子相的研究。朱棣文因此获得了1997年的诺贝尔物理学奖。



1986
计算机模拟纳维叶—斯托克斯公式

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1986年,弗里希、哈斯拉赫尔和波莫提出了一种模拟纳维叶—斯托克斯公式的方法,这种方法描述了液体的行为并被运用到科学技术的许多领域。他们的方法包含了被称为元胞自动机的虚拟粒子,它们在六角网格上的运动和液体粒子的运动相关。



1987
高温超导体的发现

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1987年,朱经武和他的合作者合成钇钡铜氧化合物,这种物质在创纪录拥有创纪录的超导转变温度93K。这么高的转变温度已经可以利用液氮达到,这使得钇钡铜氧材料可以在实际生活中得到应用。



1988
巨磁阻效应的发现

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1988年,费尔和克鲁伯格发现他们可以通过转动两层磁体中的一层来显著改变两层磁体之间的电阻。巨磁阻效应现在被用于制造硬盘驱动器和自旋电子学器件,这些装置可以用电子的自旋而不是电荷来传递和储存信息。费尔和克鲁伯格因此获得了2007年诺贝尔物理学奖。



1992
利用光子实现宏观量子态

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1992年,阿罗什和他的合作者利用光子和腔中原子相互作用实现了宏观量子叠加态,也就是我们常说的“薛定谔的猫”态。利用类似的装置,这个团队观测到量子退相干,而退相干是量子测量的核心手段。阿罗什因此获得了2012年的诺贝尔物理学奖。



1998
中微子振荡的发现

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1998年,日本的超级神冈实验以确凿的实验证据证明了μ子中微子可以自发地转化成τ子中微子,反之亦然,这就是中微子振荡。2001年,加拿大的萨德伯里中微子天文台探测到了太阳发出的全部三种中微子,总流量与标准太阳模型的预言符合得很好,解决了先前观测到的太阳中微子缺失问题。中微子振荡意味着中微子具有质量,这与原始的粒子物理标准模型不相吻合,对理论物理和实验物理而言都有一定的影响。神冈实验室的领导者小柴昌俊因此获得了2002年的诺贝尔物理学奖。



2002
完美透镜的构想

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2002年,英国科学家约翰·彭德利设想了一种完美透镜。它利用了负折射率材料,突破了经典光学的衍射极限,放大了倏逝波,使人们可以观测到物体表面的精细信息。



2001
随机图模型的发展

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2001年,纽曼、史楚盖兹和华兹发展了一种数学体系来分析随机图,这对很多现实世界的网络,例如流行病的传播、人际社交网络等,都是很好的模型。他们的这种模型比以往的方法更具有普适性,拓展了随机图理论的适用范围。



2006
第118号元素的合成

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2006年,俄罗斯杜布纳核研究联合研究所的科学家在论文中报道发现了一种具有118个质子的超重化学元素。这项实验是在2002年进行的,至此,元素周期表第七周期被全部填满。第118号元素最终被命名为Oganesson,中文名为125年来,物理学都取得了哪些突破性进展?Physical Review给你答案(下),以纪念其发现者之一。



2007
三维拓扑绝缘体的预言

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2007年,傅亮和凯恩预言合金材料Bi1-xSbx在当x处于0.07和0.22之间时变成三维拓扑绝缘体,具有导电表面态,并且即便存在杂质或缺陷也能保持稳定。在他们的预言之前,拓扑绝缘体只存在于二维体系中,他们的研究表明这种神奇的性质可能存在于更多种类的材料中



2015
外尔费米子的发现

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1929年,德国科学家外尔在理论上预言存在一种具有手性的无质量费米子,也就是“外尔费米子”,然而并没有任何一种基本粒子符合这种性质。2015年,中科院物理所研究团队在凝聚态体系TaAs中发现了外尔费米子,该项研究从理论预言、样品制备、到实验观测的全过程,都由我国科学家独立完成。

拓展阅读:《物理评论》125周年推出49项精选工作,物理所这项成为国内唯一上榜工作



2016
引力波的发现

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2016年,激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到了两个黑洞合并产生的引力波信号,这是爱因斯坦广义相对论的最后一个预言。引力波的发现开启了引力波天文学的新时代,并于今年观测到双中子星合并的引力波信号。美国麻省理工学院教授雷纳·韦斯、加州理工学院教授基普·索恩和巴里·巴里什因此获得了2017年的诺贝尔物理学奖。


素材来源:https://journals.aps.org/125years。想要获得更多中科院物理所(cas-iop)的精彩内容,请点击阅读原文直达。


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