1989年诺贝尔物理学奖

1019891989年物理学奖，由三位物理学家共享，他们是美国的诺曼〔NormanF.Ramsc〔获得奖金的一半德〔HansG.Dehmel〕和德国的沃尔夫冈〔WolfgangPaul〔共享另一半奖金。拉姆齐制造了分别振荡场方法及用之于氢微波激射器及其它原子钟。德默尔特和保罗进展了原子准确光谱学和开发离子陷阱技术。诺曼·拉姆齐〔NormanF.Ramscy，1915—2023于美国华盛顿特区。母亲是德国移民，曾是大学数学教师，父亲是西点军校毕业生，当过美军军官。由于父亲工作没有固定地点，他小时候常随家周游世界，学习不按常规，根本上靠自学。1919年，第一次世界大战刚刚完毕，他父亲被派往法国任职，母亲带着小拉姆齐同父亲一起来到了法国巴黎。母亲宠爱艺术，来到巴黎这个艺术之都后，产生了一个念头：每个月带儿子参观两次卢浮宫，让儿子从小承受艺术的熏陶。但第一次参观卢浮宫，拉姆齐就让母亲大失所望，他对艺术不感兴趣，一件作品是只看两眼便催促母亲赶快走。后来母亲领他去科技博物馆，意外觉察他对那里的展品行外感兴趣，甚至有些流连忘返。于是母亲转变了打算，打算每个月带儿子参观两次科技博物馆。拉姆齐早年对科学的兴趣是通过阅读一篇关于原子的量子理论的文章而激发的。当时他并不认为物理可作为自己的职业。父母曾希望他步父亲的后尘去西点学军事，可是当时他还太小，于是就申请了一项奖学金到堪萨斯大学哥伦比亚学院上学，专业是数学。由于他每年都获得竞赛优胜奖，在高年级时竟然得到了只有争论生才能从事的教学助理的职位。1935年拉姆齐从哥伦比亚大学毕业，由于兴趣转向，改为攻读物理学，他得到奖学金到英国剑桥大学卡文迪什试验室学习。卡文迪什试验室可谓群英荟萃，是20发祥地之一，先后有二十多人获得诺贝尔奖。在那里，拉姆齐第一次接触到分子束方法，为他日后的科学争论打下了坚实的根底。后来，拉姆齐又回到哥伦比亚大学跟随拉比做博士论文。拉比不仅在争论方面成果辉煌，而且在教书育人方面也卓有成就，在他的学生和学生的学生中，先后有十多人获得了诺贝尔奖，被称之为“拉比树〔只用了一年、获得奖学金最多、荣获诺贝尔奖时的年龄最大〔74。194740他建立了分子束试验室，以便准确地进展磁共振试验。当时遇到的主要困难是没有足够均匀的磁场，这促使他制造了分别振荡场方法。分别振荡场方法不但为铯原子钟的研制奠定了根底，还使他们有可能测量很多不同分子的分子特性和磁自旋-旋转相互作用、分子中电子的分布等等。2090的争论。他主持建设了哈佛大学的盘旋试验室，并用这台进展质子-质子散射争论。拉姆齐虽然根本上是一位试验物理学家，但他对理论也格外宠爱，曾经建立核磁共振化学位移理论、分子核的相互作用的理论和负确定温度下的热力学和统计物理学的理论。1986界，与各大学及中心试验室建立有广泛的联系。2023年，拉96汉斯·格奥尔格·德默尔特〔HansGeorgDehmelt，1922—2023，诞生于德国的哥利兹Gorlit1940年，德默尔特中学毕业后，应召入伍。1943年在柏林郊区当过高射炮兵。1943年—1944年出于军事需要，被送往布雷斯劳〔Breslau〕工业大学学习物理，后来又回到部队参与迫击炮19451948195019501952年在哥丁根大学读博士后。19551956华盛顿大学任教，19611978学院院士。沃尔夫冈·保罗〔WolfgangPaul，1913—1993，诞生于德国萨克森州洛仑兹基希〔Lorenzkirch〕的一个农村里。父亲曾是慕尼黑大学药物化学教授，所以保罗小时候受到良好教育，很生疏化学试验室的工作。惋惜其父在他15世。他厌烦中学偏重拉丁文和古希腊文的教学方式，决心成为物理学家。他承受父亲好友索末菲的建议，先从事周密机械工艺的学徒。1932年秋，进入慕尼黑工业大学学习。在学习过程中，丰富的表演试验激起了他对物理学的兴趣。两年后保罗转到柏林工业大学学习，在那里幸运地遇到了一位物理学教授，对他像慈父一般关心，这位教授致力于超精细光谱学和磁矩领域的争论工作，保罗和他一起工作了16年。另外还有一位理论物理学家贝克尔Becke响，不仅在科学方面，还在日常生活以及思想和政见方面。1937年，保罗转到基尔〔Kiel〕大学读博士学位。论文题目选的是从超精细光谱测定钡的核矩，他利用原子光源以减小多普勒效应。正值要做试验时，他却被应征入伍，不久就爆发了其次次世界大战。所幸后来他请了假，完成了博士考试。1940年，保罗脱离军队，回到导师身边连续进展科学争论，从事的是质谱学和同位素分别。后来还与医学系的同事合作，做放射生物学和电子癌症治疗工作。本年度获奖的三位物理学家，都在原子物理试验技术方面作出过出色奉献，他们制造性地进展了准确的计量方法，大大改进了试验的技术条件，使很多以前无法进展的试验得以实现，并到达前所未有的准确程度。由于他们的工作，科学界有可能对一些根本物理定律进展更深入的检验，从而提高了人类生疏物质世界的力量。1950年，拉姆齐提出分别振荡场方法，解决了原子钟设计里的关键问题，研制了铯原子钟。1960年，他又提出并建筑了原子氢微波激射器，也就是氢原子钟，使计时的不确定1×10-121951焦磁场，可以使中性分子聚拢，对分子束争论极为有用。后来他又设计了一种射频四极电场，能够把带电粒子囚禁在电场中，这一电场就相当于一个捕获粒子的陷阱。这项工作成为以后带电粒子存储技术的先驱。1958年，德默尔特开头争论用电磁场形成的陷阱把电子或其它带电粒子存储在隔绝状态的试验方法。他和合作者不断改进试验原理和试验装置，2080他设计的离子陷阱试验装置，可以把单个自由电子长期〔几天或几周，甚至更长时间〕存储在所谓的彭宁〔Penning〕陷阱里，让它作受迫运动，并不断从电子的运动提取有关电子特性的各种讯息。他的小组测到的电子g因子，比别的方法13个。值得一指的是，这三位出色的物理学家，他们的工作都与原子束方法有渊源关系，都曾长期在这个领域作过很多工作，有所觉察和制造。早在1949共振觉察的鼓励，觉察了核四极共振〔简称NQ1940拉姆齐在导师拉比〔I.I.Rabi〕的指导下，第一个对分子的旋转磁矩进展过准确测量，并首次观测到这类磁矩随核的质量变化的关系。当时他还在做博士论文，就显示出了惊人的才能。后来他受聘留在哥伦比亚大学任教，并从事争论原子束共振。1947说起铯原子钟的制造，还有一段引人深思的轶事。1940133作为频率测量的基准。拉姆齐记得当时在拉比小组中就争论过这个问题。他们打算用这一跃迁测引力红移〔广义相对论认为，从巨大质量的星体外表经过的光线，会向光谱的红端移动，还一度建议美国国家标准局的有关专家研制原子束钟。可是由于技术条件尚未成熟，这一建议只好束之高阁。其次次世界大战中，由于雷达的广泛应用，微波电子学有了长足用原子钟来计时的日子已经不远了。原子束试验装置素以构造简单，设备浩大著称，由于它既需要加热，又需要抽高真空，还要有强大的射频场和特别要求的磁场，使分子束或原子束放射、聚焦、选态、激发和检测。怎样才能简化这些设备呢？这是使物理学家们大伤脑筋的问题。特别是为了减小谱线宽度，还必需实行某些特别的措施，这使事情更加简单。依据理论分析，得知谱线宽度与振荡场区的长度成反比，这个振荡场区要求保持均匀的微波场和磁场。但是，射程长了，原子束的强度大减，而且难以保证磁场均匀，所以加大长度，谱线反而会增宽。拉姆齐和大家一样，也在为这个问题作各种探讨。他当时正在哈佛大学上物理光学课。正值他百思不得其解之际，迈克尔逊的测星干预仪的设计思想启发他找到了一个绝妙的2020100〔2.54m〕天文望远镜上加了两道反射镜，形成两翼，相距6m，利用两翼的光束相互干预，用以测量星体的角直径，结果把望远镜的角区分率增加了几十倍，从而第一次测出了星体的角直径，解决了过去用望远镜始终无法解决的问题。相距6m于把望远镜的口径加大为6m，实际上即使做成这样浩大的望远镜，也可能无法保证干预条纹的清楚度。后来，迈克尔逊的设计方案被人们写进了教科书，拉姆齐在教光学课时固然会看到这些内容。拉姆齐想，可不行以也用类似的方法来改造原子束的振荡场呢？经过推算，他证明在振荡场两端用两条狭窄的振荡区即可代替整个振荡场，只要两端的驱动微波同位相，整个场的不均匀性就不会影响共振曲线的宽度，反而可以使宽度缩窄40期望。1952年，第一台应用分别振荡场方法的铯原子钟在美101955后他们发表的结果是：铯133原子基态两个超精细能级间跃9192.631770MHz196713假设说铯原子钟为科学的进展供给了准确的计量标准，那么原子或离子陷阱技术就为探究微观粒子的特性开拓了一条途径。原子〔或离子〕陷阱技术是依据爱因斯坦提出的原理实现的，即原子〔或离子〕向电磁辐射源运动时，能够吸取肯定能量的光子而跃迁到较高能级，跳回到原来能级时又释放出光子。假设这个原子或离子是相对于电磁辐射源静止不动的，那么，两个光子的能量完全相等。假设这个原子或离子向电磁辐射源运动，则放出光子的能量比吸取光子的能量大。依据爱因斯坦的这一原理，两个光子能量之差只能从原子或离子运动能量的削减中得到补偿。这样一来，原子或离子的运动速度就会减慢。反复屡次，原子或离子的运动能量就会耗尽，这样原子或离子就被捕获到了。这种方法是2050方法有一个缺点，就是被捕获到的原子或离子还会以某个频率振动，它仍旧有肯定的动能。德默尔特对其进展了改进，用一束光照耀被捕获的原子或离子，使它通过吸取或放射的过程再失去能量。这样，它就会静止在陷阱中。陷阱的主体是三个电极组成的电场区，如下图。中间是一双曲旋转面电极〔称环电极10V左右的直流电压，中间形成四极电场区。再在沿轴线方向加一均匀磁场，于是就形成一个可以囚禁电子的陷阱。再在下电极加一射频驱动电压，使电子作受迫轴向振荡。电子在磁场中还要作盘旋加速器运动和磁控管运动，这些运动的频率可以经上电极的谐振电路检测，如下图。离子陷阱原理图〔左〕和谐振电路原理图〔右〕电子被隔绝在电极和磁体所掌握的陷阱里，都安置于地球上，与地球构成一个整体，就似乎电子是被地球束缚住了一样。于是德默尔特最初给它起了一个代号叫地球素〔geoniu，实际上就是地球原子的意思。陷阱的尺寸极其0.325cm，整套装置封在真空度中。超导线圈产生的磁场强达5T，环境温度大约4K。在这样低的温度下，电子的状态只能用量子化的能级来描述。可以说，它是在最低的几个能级上跃迁，同时不断地转变自旋取向，能级跃迁和自旋反转都可经轴向感生电压的频率变化反映出来。经过简单的检测，可以从自旋运动的频率ν与盘旋频率νC之比求出电子的g1984量的结果是〔1/g＝1.00115965219〔g因子是表征电子或其它微观粒子特性的重要参数，把这个参数测量得如此之准确，对生疏物质世界规律有格外重要的意义。首先，可以通过量子电动力学计算精细构造常数α1984α-＝137.035994589。其中第一项误差来自试验，其次项误差来自理论计算，他们得到的αgαα电动力学理论进展检验。这个比较始终在进展，可以说，不同途径得到的α还有，比较不同的微观粒子的g因子，可以检验某些重要的物理规律。例如，1987g〔1/2〕g〔e+〕＝1001159652187.〔4.3〕×1-12。用同一方法测得负电子g因子为：〔1/2〕g〔e〕＝1001159652188.4〔4.3〕×10-12。两者相比，得：g〔e+〕/g〔e-〕1.00000000000060。这不能说不是对CPT严格的一次检验。离子陷阱试验方法还可用于质子和重离子。经过补偿的彭宁陷阱可以当作高区分率的质谱仪测量电子和质子的质量比，其准确度超过以往的任何方法，19