从诺贝尔物理学奖看物理对社会发展的影响

摘要

物理学研究的物质内部结构、运动及其规律的普遍性，是各门自然科学的基础；另一方面，物理学的研究领域涉及社会生产和生活的诸多领域，对社会发展起着巨大的作用。作为自然科学中三大诺贝尔奖之一的物理学奖则充分产县了物理学发展的辉煌成就，获奖者们在各自领域中取得的成就对社会发展起的作用也是显著的。因此，对历年来的诺贝尔物理学奖加以统计、分析、提炼，归纳出其中的规律，并加以阐述，便可以将20世纪物理学发展的脉络清晰地战线出来。物理学的发展也推动着社会的发展，尤其以对科学技术和军事的推动重要最为明显，又以X 射线学、核物理学、光学、微电子和微电子技术几个典型的物理领域对社会发展的影响最为深远。本文将对上述的内容加以论述。 关键词：

诺贝尔物理学奖 发展脉络 作用 典型领域

Abstract

The physics research matter internal structure, the movement and its the rule universality, is various natural sciences foundation; On the other hand, the physics research area involves the social product and life many domains, develops the huge function to the society. As natural sciences in of a physics prize three big Nobel prizes then sufficiently divided an inheritance the county physics development magnificent achievement, prize-winner the achievement which obtained in respective domain the function which developed to the society also is remarkable. Therefore, comes to all previous years the Nobel physics prize performs to count, the analysis, the refinement, induces rule, and performs to elaborate, then may come out 20th century physics development vein clearly front. The physics development also is impelling society's development, especially by to science and technology and military impetus important most obvious, also by X beam study, the nuclear physics, optics, the micro electron and the micro electron technology several typical physics domains the influence which develop to the society is profoundest. This article will perform to the above content to elaborate.

Key word: Nobel physics prize ， development vein function typical domain

第1章 绪论

物理学作为一门科学，它的形成和发展是近四五百年的事情，但是物理知识的形成可以追溯到人类文明之初。从早期人类社会的遗迹中，已经出现人类形成的对物质运动认识具有最初的、不成系统的知识。随着生产的发展，社会的进步，物理知识逐步系统化、科学化，逐渐成为一门精密的科学。物理学研究的物质结构、运动及其规律的普遍性，是各门自然科学的基础，也是各门技术科学的基础。

到19世纪以后，自然科学在收集大量科学材料的基础上，通过整理，分门别类地研究，使它的各门科学得到发展，物理学也不例外。在伽利略、牛顿建立的经典力学的基础上，物理学的各分支科学都得到发展。经过长达百年之久的争辩，对光的本性有了新的认识，光的波动学说获得胜利，从而物理光学很快发展。经过好几个国家六七十位科学家的努力，建立了能量守恒与转化定律，随之诞生了热力学第二定律，使热学、分子物理学得到发展。经过奥斯特、法拉第等人的研究，使人们知道电和磁有密切联系，在一定的条件下可以相互转化。经过麦克斯韦深入研究，使电磁场理论更加完善，使一些学者认为献词厂理论更加完善，使一些学者认为电磁理论是无懈可击的，经典物理学达到颠峰时期。

历史进入20世纪以后，物理学进入了一个全新的时期，经过物理学家的努力和探索，诞生了量子论和相对论，开创了现代物理学。物质结构理论也得到了快速的发展。此外，物理学的各个分支学科也都得到了发展，连古老的分支学科声学、光学，在20世纪也焕发了青春，有的向理论深度拓展，有的则向应用方面进军。物理学的快速发展，在科学技术、军事等方面发挥着重要的作用，极大地推动着社会发展。 提起现代物理学的各项成就，就不能不提诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖包括了物理学的许多重大研究成果，遍及现代物理学的各个主要领域。100多年来的颁奖显示了现代物理学发展的轨迹。可以说，诺贝尔物理学奖是现代物理学伟大成就的缩影，折射出了现代物理学的发

展脉络。诺贝尔物理学奖的办法颁发体现了物理新成果的社会价值和历史价值，对科学进步有举足轻重的作用，对社会发展起着重要的影响。因此，研究物理学诺贝尔奖是研究物理对社会发展的一条捷径，有很强的学术价值和现实意义。

第二章 诺贝尔物理学奖概述

2．1 诺贝尔及诺贝尔物理学奖的设立

诺贝尔（Alfred Bernhard Nobel，1833-1896）是一位瑞典发明家的儿子，他从小身体欠佳，因此主要靠家庭教师教育。他曾经在彼得堡学习工程，也曾经到美国，在伊里克逊指导下学习了大约一年。诺贝尔在他父亲的工厂里做实验时，发现当把甘油炸药分散在漂白土或木浆之类的惰性物质中时，可以使炸药的稳定性更高，从而更安全地处理。他还发明了其他炸药和雷管，并取得了这些发明的专利权。

诺贝尔因炸药的制造和巴库油田的开发而得到了一笔巨额财产。他终生未婚，被认为是一个有自卑感和孤独感的人。他对同伴常抱有一种嘲笑态度，但他为人心肠慈善，对人类的未来满怀希望。

诺贝尔留下9百万美元的基金，他在遗嘱中写道：“这些基金的利息每年以奖金的形式分发给那些在前一年中对人类作出最大贡献的人，上述利息分为相等的五部分：一部分奖给在物理领域有最重要发现和发明的人；一部分奖给在化学上有最重要发现和改革的人；一部分奖给在生理学或医学上有最重要发现的人；一部分奖给在文学领域内著有带理想主义倾向的最杰出作品的人；一部分奖给在促进国家之间友好、取缔或裁减常备军以及举行和促进和平会议方面作出显著贡献的人。” “物理学奖和化学奖由瑞典科学院颁发，生理学或医学奖由斯德哥尔摩的加罗琳斯卡研究院颁发，文学奖、由斯德哥尔摩研究院颁发，和平奖由挪威议会推选出一个五人委员会颁发。”

诺贝尔提出奖金只授予“前一年间”所做的工作这一规定，从一开始就未实行。这是因为推选委员会考虑到要确认这一项成果对物理学的

贡献的价值，往往需要很多年。诺贝尔奖不授予毕生的工作，而授予那些有特殊成果的工作。狄塞留斯在大诺贝尔化学委员会主任期间，曾经写道：“诺贝尔奖不能由于我称之为‘科学上良好行为’而授予。有很多伟大任务，他们曾经起到导师、组织者和鼓舞源泉的作用，但当要找出一项具体的贡献、具体的发明时，也许会一无所获。”

诺贝尔奖只授予活着的人们，并且按照传统，没有任何一次诺贝尔奖授予三人以上的小组。每年秋天，大约有650封信发到瑞典皇家科学院成员、物理学和化学的诺贝尔委员会的成员、从前的物理学奖和化学奖获得者、瑞典8所大学以及科学院选出的40-50个大学和研究所的物理学教授和化学教授，以及国外的研究院和大型研究所的其他科学家，以征求诺贝尔奖的获奖者名单。这样，大约有60-100名物理学家被提名为候选人，然后，由一些非常严肃认真的人组成一个小组，承担这项繁重的业余工作，细心研究提出人选。有一位委员会主席说过：“你无法确定谁是最好的，因而唯一可行的是另外一种方法：即试图寻找一位特别值得推荐的候选人。”

2．2 诺贝尔物理学奖得主的国籍分布与分析

自1901年到2004年的104年中，诺贝尔物理学奖有6届由于世界大战和经济萧条而没有颁发（1919年、1931年、1934年和1940-1942年）。所以物理学奖实际上只颁发了98届，共174人次，173位科学家获得过诺贝尔物理学奖。其中美国著名物理学家巴丁是唯一的在物理学领域中两次获得诺贝尔物理学奖的物理学家。

从1901年-2004年诺贝尔物理学奖获得者的国籍和统计（表1）中可以看到，全世界共有17个国家的174位物理学家（以下均指人次）获此殊荣。获奖者最多的国家是美国，共有77人；英国第2；德国第3；中国有两位，他们是杨振宁和李政道（获奖时持有的是当年留学出国时的中国护照）。

表1 诺贝尔物理学奖得主的国籍分布

58年，则可以明显看到一个现象：即在前45年中，美国获诺贝尔物理学奖的人数比英国与德国少，美国在这段时间内有8人获得物理学奖，而英国10人，德国11人。这一情况说明，在第二次世界大战以前，自然科学提别是物理学研究的中心在欧洲，尤其是在德国。德国格丁根大学是当时公认的世界理论物理研究中心，一大批诺贝尔物理学奖获得者曾在那里学习或工作过。而英国剑桥大学的卡文迪什实验室则是实验物理的研究中心，很多新发现都是在那里作出的。可是自从第二次世界大战结束至今的60年中，获得诺贝尔物理学奖的美国人和具有美国国籍的科学家明显增多，世界自然科学的研究中心已从欧洲转移到了美国。

2．3 诺贝尔物理学奖获奖项目专门学科分布与分析 表2列出了诺贝尔物理学奖的获奖项目在各专门学科的获奖次数。需要指出的是获奖项目在各个专门学科的划分只是相对的，因为同一内容完全可以归入到两个甚至三个不同学科中，同一年的奖项也可因人而分在多个不同的学科中。

表2 诺贝尔物理学奖获奖项目学科分布

理学、量子物理学（量子力学、量子电动力学、弱电统一理论）和凝聚态物理学，这三门学科都是20世纪物理学发展的主要分支，也是研究物质微观规律的基本学科。自从1895年发现X 射线和1896年发现放射性，物理学在物质的微观结构上的研究在100年间取得了巨大的成就。 从表2也可看到，新技术和新方法的获奖项目也占了一定的比例。1909年的诺贝尔物理学奖就授予在无线电通讯技术的推广和应用中作出突出贡献的意大利科学家马可尼和德国物理学家布劳恩。1939年的诺贝尔物理学奖奖给发明和制造出回旋加速器的美国物理学家劳伦斯，1960年的诺贝尔物理学奖授予了气泡室的发明者美国物理学家格拉塞。1922年物理学奖授予发明和研制出多丝正比探测器的法国实验物理学家夏帕克。1997年物理学奖授予发展了用激光冷却和捕捉原子方法的美国物理学家朱棣文、法国物理学家科恩·塔诺季和美国物理学家菲利普斯。 诺贝尔物理学奖如果按照理论方面和实验方面来划分，初步统计，理论方面为50人次，实验方面为92人次。，可以看出，实验方面的比

重远大于理论方面。如果把新技术的开发也算在实验的名下，则实验的比例就更大了。

第三章 从诺贝尔物理学奖看现代物理学发

展脉络

3．1 20世纪第一个25年：现代物理学革命的开始

第一个25年，诺贝尔物理学奖主要反映世纪之交及随后的年代里现代物理学革命的基本内容。值得注意的是，有些项目并不是获奖者最突出的成就。爱因斯坦1921年因理论物理学的成果得奖，主要奖励他在光电效应方面的工作。主持者特别申明，此奖与相对论的创建无关。这件事反映了20世纪初学术界对相对论的怀疑态度；迈克尔逊1907年因光谱学和精密计量得奖，却闭口不提迈克尔逊--莫雷实验的零结果以及因此造成的影响，然而，以太漂移实验的结果对经典物理学的冲击是众所周知的。在量子现象和原子物理学方面，诺贝尔物理学奖的判定总的来说是公正的。维恩黑体辐射定律的研究（1911年物理学奖）、普朗克发现能量子（1918年诺贝尔物理学奖）以及佩兰证实物质结构的不连续性（1926年诺贝尔物理学奖），为微观世界的不连续性提供了基本的依据，这是现代物理学的又一个出发点。

在这25年中，除了某些项目，例如瑞利关于气体密度的研究（1904年诺贝尔物理学奖）、李普曼关于彩色照相的研究（1908年诺贝尔物理学奖）、马可尼、布劳恩关于无线电报的研究（1909年诺贝尔物理学奖）、范德瓦尔斯关于气液状态方程的研究（1910年诺贝尔物理学奖）、纪尧姆关于合金反常特性的研究（1920年诺贝尔物理学

奖）等属于经典物理学范畴的补充和应用外，首届诺贝尔物理学奖就授予发现X 射线的伦琴，正是这一发现拉开了现代物理学革命的序幕。 X射线的发现和随后放射性和电子的发现以及作为其起因的阴极射线的研究相继在1902年、1903年、1905年、1906年授予诺贝尔物理学奖。α射线的研究导致了原子核的发现，虽然卢瑟福没有得到诺贝尔物理学奖，但在1908年获得了诺贝尔化学奖。X 射线的研究，特别是X 射线光谱学的研究，为原子结构提供了详细的信息，为此劳厄获得了1914年诺贝尔物理学奖（发现X 射线衍射）、亨利·布拉格和劳伦斯·布拉格获得了1915年诺贝尔物理学奖（X 射线晶体结构分析的研究）、巴克拉获得了1916年诺贝尔物理学奖（发现元素的标识X 辐射）以及卡尔·西格班获得1924年诺贝尔物理学奖（X 射线光谱学）。密立根的基本电荷实验和光电效应实验获得了1923年的诺贝尔物理学奖，弗兰克和古斯塔夫·赫兹对电子--原子碰撞的研究获得了1925年诺贝尔物理学奖，这些实验为原子物理学奠定了进一步的实验基础。而尼尔斯·玻尔对原子结构和原子光谱的研究获得了1923年诺贝尔物理学奖，则肯定了他在创建原子理论方面的功绩。

3．2 20世纪第二个25年：量子力学、原子核物理

学及粒子物理学建立

20世纪第二个25年是量子力学和原子核物理学建立的时期。在这一期间，现代物理学取得了辉煌的发展。1927年诺贝尔物理学奖授予了康普顿效应的发现者康普顿；1929年诺贝尔物理学奖授予论证电子波动性的路易斯·德布罗意；1930年诺贝尔物理学奖授予发现赖曼效应的赖曼；1932年、1933年诺贝尔物理学奖授予创立量子力学的海森伯、薛定谔和狄拉克；1945年诺贝尔物理学奖授予提出不相容原理的泡利。在核物理方面，查德威克发现中子（1935年奖）、费米发现慢中子的作用（1938年奖）并由此导致核裂变的发现，劳伦斯建造回旋加速器（1939年奖），汤川预言介子的存在（1949年奖）以及鲍威尔发明核乳胶（1950年奖）都是有重大意义的成就。

伴随着原子物理学和原子核物理学的发展，粒子物理学也逐步形

成。自从1932年发现中子和正电子（1936年奖）以后，人们提出了基本粒子的概念，由于回旋加速器和核乳胶的发明，一大批基本粒子陆续得到发现，于是在20世纪的第三个25年，出现了粒子物理学发展的高潮。与此同时，凝聚台物理学也得到很大发展。而在理论物理学方面，量子电动力学和核模型理论都是诺贝尔物理学奖的重点项目。例如：格拉塞发明泡室（1960年奖），为发现新粒子提供了重要工具。二战期间发展起来的微波技术为分子束方法打开了新的局面，人们用一颗树来形容分子束方法的发展，称之为“拉比树”。这颗树可以说是由斯特恩“栽种”，由拉比“培育”（斯特恩和拉比先后于1943年和1944年获得诺贝尔物理学奖）并在第三个25年里结出了丰硕的果实，其中在第三个25年里获得诺贝尔物理学奖的有兰姆位移和库什的电子反常磁矩（1955年奖），这两个实验的结果，为朝永振一郎、施温格和费因曼建立量子电动力学重正化理论（1965年奖）提供了实验基础。这些年代里对起义粒子的研究，导致了李政道和杨振宁发现弱相互作用的宇称不守恒定律（1957年奖）以及盖尔曼提出基本粒子及其相互作用的分类方法（1969年奖）。有些项目则是为了20余年后才给予表彰的，例如：克罗宁和菲奇发现C-P 破坏（1980年奖）；莱德曼、施瓦茨、斯坦博格通过μ子中微子的发现显示轻子的二重态结构（1988年奖）。 “拉比树”的丰硕成果还可以用如好几项获得诺贝尔奖的项目来代表：1946年布洛赫和珀赛尔分别用核感应法和共振吸收法测核磁矩（1952年奖）；1948年拉姆齐用分离振荡场方法常见了铯原子钟，随后又于1960年制成氢原子钟，原子钟后来发展成为最准确时间基准（1989年奖）；1950年卡斯特勒提出光抽运方法（1966年奖）；1954年，汤斯小组研制“分子振荡器”成功，实现了氨分子束的粒子数反转；接着，汤斯和肖洛提出激光原理；汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫因量子电子学方面的基础工作1964年获诺贝尔物理学奖；布隆姆贝根和肖洛获1981年物理学奖。

3．3 20世纪第三个25年：凝聚态物理学的大发展 在第三个25年里，凝聚态物理学的大发展可以用如下的诺贝尔物