2019年諾貝爾物理學獎頒給了天體物理學的兩個不同領域，獎項公布后，不少人以為這是強行“合表”。其實，在諾貝爾物理學獎一百多年的歷史上，合表并不少見，難道都是強行合在一起的？
劉欣偉 撰稿
2019年諾貝爾物理學獎的一半頒給了美國物理學家詹姆斯·皮布爾斯，表彰他“在物理宇宙學上的理論發現”。另一半則頒給了兩位曾是師生的瑞士天體物理學家米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲，因“發現圍繞太陽型恒星運行的系外行星”而獲獎。物理宇宙學和系外行星的發現看似是兩個不同的領域，讓人有種諾貝爾獎強行讓三個人“同桌”的感覺。諾獎委員會還強行四舍五入，獲獎理由是“他們對理解宇宙演化和地球在宇宙中的位置所做出的貢獻”。事實上，在諾貝爾獎（物理獎）100年的歷史中，確實出現過很多獎項，獲獎者來自不同的領域，但結果卻暗含關聯。
兩人因一人發現獲三項大獎
1903 年的諾貝爾物理學獎不能算是拼湊起來的，但獲獎理由也很有趣。1903 年諾貝爾物理學獎的一半獎金授予了法國物理學家亨利·貝克勒爾，以表彰他發現天然放射性。另一半獎金則授予了居里夫婦皮埃爾和瑪麗·居里，以表彰他們“在貝克勒爾教授發現的輻射現象的聯合研究中做出了杰出貢獻”。
亨利·貝克勒爾（1852-1908）丨來源：諾貝爾獎
貝克勒爾拍攝了第一張鈾鹽放射性污染的照片。來源：維基
顯然，他們兩人都是因放射性研究而獲獎，但如果按照通常的思路，即獎勵開創性的研究，那么貝克勒爾一人就應該獲獎。或者應該加上英國物理學家盧瑟福，他解釋了放射性的本質，即同位素自發地從不穩定的原子核中輻射出來，衰變成另一種同位素，并首次提出了半衰期的概念。這一杰出成就使他獲得了1908年的諾貝爾化學獎。
1896年，X射線被發現后不久，貝克勒爾正在研究哪些熒光物質可以產生X射線。一次偶然的機會，他得到了一張被放射性鈾鹽污染的膠片，這讓他意識到有一種輻射與X射線不同，但穿透力強，而且是自發的。他的這一偶然發現，是人類歷史上第一次發現原子核可以發射輻射，從而開創了一個新領域——核物理學。
居里夫婦對放射性研究的貢獻，首先是改進了實驗方法。他們在得知貝克勒爾的工作后，便開始了研究。最初，他們只是重復貝克勒爾的實驗，但使用的實驗設備是皮埃爾和弟弟雅克（居里）制造的石英晶體壓電天平，大大提高了實驗的精度。居里夫人在試驗了大量的礦物和化學物質后，認為元素自發輻射應該是一種普遍現象，并開始尋找新的放射性物質。
居里夫人和他的妻子（居里夫人，1859-1906；瑪麗·居里夫人，娘家姓，1867-1934）丨來源：連線
居里夫婦更重要的貢獻是對復雜的瀝青鈾礦進行了提取、分離和提純，并在沉積物中發現了一種新元素，將其命名為釙（以紀念居里的祖國波蘭），隨后又發現了鐳，并對其進行了進一步提純，最終從8噸礦渣中提取出了0.1克純鐳。這一貢獻讓她獲得了1911年的諾貝爾化學獎（1906年皮埃爾因車禍去世）。之后，居里夫人帶領她的學生（包括她的女兒和女婿）繼續進行這項研究。居里夫人最終因長期受到輻射而患上重病，在遭受長期折磨后去世。
從目前諾獎“排隊”的現狀來看，一個人在同一領域同時獲得物理學獎和化學獎的可能性不大。但如果居里夫人能獲得兩項諾貝爾獎，或許她能獲得和平獎。第一次世界大戰期間，居里夫人發明了移動式X光機，自學并教授放射醫學知識和技能，并建立了法國第一家軍用放射中心。作為放射醫學的先驅，她為戰爭和波蘭的獨立解放做出了杰出貢獻。雖然后人編造了許多故事來抬高或貶低居里夫人，但她艱苦卓絕的精神仍然是后人的榜樣。
第一次世界大戰期間，法國軍隊使用的居里夫人的輻射車被稱為“小居里”。
這份獎項并不能體現兩人之間的關系
1927 年物理學獎頒給了兩個截然不同的成就。獎金的一半頒給了美國物理學家康普頓（），因為他“發現了以他的名字命名的效應”——康普頓效應。另一半頒給了英國核物理學先驅威爾遜（CRT），因為他“利用蒸汽凝結使帶電粒子的軌跡可見”。
康普頓散射實驗是物理學史上經典實驗之一。當X射線或伽馬射線散射電子時，散射出的射線不僅有原來的波長，還有波長更長的射線，兩者的波長差與散射角度有關，這種現象被稱為康普頓效應。其實，這種現象并不是康普頓首先觀察到的，早在1904年，英國物理學家A.S.伊夫就在伽馬射線中發現了康普頓效應的跡象，但那時伽馬射線才剛剛被發現，對其性質還完全不了解。
1919年，康普頓來到卡文迪什實驗室研究伽馬射線，他用高超的實驗技術測量了伽馬射線的波長，發現散射后波長變長。后來，他也發現X射線也有同樣的現象。雖然實驗做得很好，但一直很難從理論上解釋這種現象。為此，康普頓也提出了一些基于經典物理的模型，但這些解釋并不完善。
康普頓散射模型公式 | 來源：
1922年，康普頓利用光量子模型，僅依靠物理學中最基本的兩個守恒定律——動量守恒定律和能量守恒定律，推導出一個相當簡單的方程。散射后波長的增加，其實是入射光子的一部分能量被轉移給了電子。這一解釋直接呈現了輻射的量子本質，首次直接證實了愛因斯坦從光電效應中提出的光量子假說。伽馬射線等電磁輻射也可以描述為光子，光子不僅具有能量，還具有動量。
在物理學發展史上，光電效應占據了非常重要的地位，而康普頓效應則更進了一步，為理解光的波粒二象性和物質波假說提供了令人信服的證據，也為量子力學的發展提供了進一步的實驗基礎。（今天仍有很多疑問，相關內容見《康普頓散射的新進展》）
康普頓（H.，1892-1962）丨來源：
值得一提的是，康普頓的學生、華裔物理學家吳有訓在散射實驗中做出了許多貢獻，證實了康普頓效應的普適性。另一位華裔物理學家趙忠堯在康普頓散射實驗中首次發現了正電子，可惜他們沒有獲得諾貝爾獎。（詳見本期《LIGO-Virgo發現所謂“不可能”黑洞 黑洞質量禁區真的存在嗎？》）
今年諾貝爾獎的另一半獲獎成果其實和康普頓效應有直接關系，威爾遜的貢獻是發明了云室，這是一種可以探測粒子軌跡的裝置，也是最早的帶電粒子探測器，所以又叫威爾遜云室。
威爾遜（CTR，1869-1959）丨來源：
這種裝置的發明，可以追溯到威爾遜在山中做觀測員的時候，他對太陽照射在山峰上的云朵上的奇特光學現象感到好奇，想在實驗室里模擬這個實驗。1895年，威爾遜在前人工作的基礎上，設計出一種能將蒸汽凝結成云的裝置，這就是早期的云室。同時，他也意識到了前人留下的一個難題：為什么在空氣中沒有塵埃的情況下，不能產生云，是因為膨脹倍數不夠大。經過精確測量除去塵埃后，他發現氣體中存在一定的凝結核，尺寸不超過一個分子，云就是由這個凝結核變成可見的水滴而形成的，于是他推測凝結核是否是一個帶電原子。
當時在卡文迪許實驗工作的威爾遜有機會使用早期的X射線管，他用X射線照射云室中的氣體，發現空氣在X射線下被電離，這正是他的導師湯姆遜（JJ）氣體電導理論得出的結論（該研究獲得了1906年的諾貝爾物理學獎）。
隨后的幾年里，威爾遜不斷改進實驗。1911年，他發明了威爾遜云室，利用蒸汽的絕熱膨脹，當溫度下降時，會達到過飽和狀態。此時，如果有帶電粒子進入過飽和區，就會電離路徑上的氣體分子。這些離子可以作為凝結核，把水蒸氣凝結成可見的水滴，從而顯示出粒子的路徑，結果可以拍照。他發現了α和β粒子穿過云室的軌跡，證實了X射線具有粒子性質。此后，云室成為研究核物理和粒子物理的有力實驗工具。
1932 年，美國物理學家卡爾·安德森利用云室拍攝到正電子的運動軌跡，發現了第一個反粒子，并因此獲得了 1936 年的諾貝爾物理學獎。另外，那一年的諾貝爾物理學獎似乎是“平分秋色”，另一半則頒給了奧地利裔美國物理學家赫斯，以表彰他發現了宇宙射線。但正電子是在宇宙射線中發現的，兩者關系密切。
劍橋大學卡文迪什實驗室的威爾遜云室 | 來源：
威爾遜的工具和康普頓效應到底有什么關系，導致兩人雙雙獲獎？其實，各種帶電粒子在散射時都會表現出康普頓效應。1924年，康普頓和威爾遜分別利用云室發現了反沖電子的“魚跡”（威爾遜稱之為魚跡，因為反沖電子的軌跡形似魚），證明了反沖電子被X射線散射后的軌跡可以用量子理論來解釋。康普頓首次發表康普頓效應論文時，引發了爭議，而云室中拍攝的電子軌跡照片很大程度上消除了當時物理學家對康普頓效應的懷疑。兩人共同獲得諾貝爾獎，實至名歸。
量子力學理論與實驗設計
1954年的諾貝爾物理學獎同樣由兩人分享。一位是德國數學家、物理學家馬克斯·玻恩，因在量子力學方面的基礎性研究，特別是波函數的統計詮釋而獲獎；另一位獲獎者是德國物理學家博思，因“提出巧合定律，以及隨后的發現”而獲獎。乍一看，似乎是兩個毫無關系的人一起獲獎，但其實，他們還是有共同之處的。
先說玻恩。玻恩是一位非凡的人物，是所有物理學家中數一數二的人物。他是量子力學的奠基人之一，在固體物理和光學方面成就斐然。而且，他是一位優秀的教師，可以說是大師的大師教師（即他和他的學生都是大師的教師，這樣的教師包括索末菲、費米等。相關內容見《天才與良心——那位犀利的物理學家泡利》）。玻恩是哥廷根物理學派的領袖，影響了一大批20世紀的物理學家，其中也包括許多中國物理學家。玻恩被美國科學史學家IB·科恩評價為“物理學家中的物理學家”，是典型的得獎者若得不到諾貝爾獎就會失望的例子。
馬克斯·玻恩（1882-1970）| 來源：
玻恩從1923年起致力于量子理論的研究，堪稱舊量子理論的破壞者。以玻爾原子模型為首的一批理論，創造了量子力學的早期輝煌，這些理論現在被稱為舊量子理論。然而，在20世紀20年代，舊量子理論已無法解釋新發現的現象，如氦原子光譜和反常塞曼效應。
1925年，年輕的海森堡創新性地提出了量子力學的矩陣力學表述。當時，海森堡可以說是玻恩的助手。玻恩發現這種表述形式與數學上的矩陣代數一致。他們二人與玻恩的學生約當（）一起發表了一篇論文，用嚴謹的數學形式全面系統地闡述了海森堡前期的理論，正式宣告了矩陣力學的誕生。這項工作使海森堡獲得了1932年的諾貝爾獎。
后來，玻恩對量子力學的另一種形式——波力學做出了重要補充。他完善了波函數的物理意義諾貝爾物理學家合影，提出了波函數的概率解釋，成為波力學被廣泛接受的重要原因。提出波力學的奧地利物理學家薛定諤和英國物理學家狄拉克共同獲得了1933年的諾貝爾獎，玻恩再次無緣。
他之所以沒能和海森堡等人一同獲獎，最直接的解釋是，他在上世紀 30 年代只獲得過三次提名。當時的物理學家低估了玻恩的貢獻，認為他比不上海森堡和薛定諤的貢獻。玻恩本人也比較謙虛，他知道還有一批人不相信他的概率解釋，其中就包括愛因斯坦。其實，這體現了科學界的一種復雜性。在玻恩極力贊揚海森堡的同時，海森堡卻沒有給予同樣的贊揚，而是長期保持沉默。好在，玻恩最終獲得了諾貝爾獎，而他的得意門生若爾當則永遠與諾貝爾獎無緣。
1954年，獎金的另一半被分給了一項實驗技術。博特發明的符合法被用在探測電離輻射的粒子探測器上。新方法大大提高了計數效率。
博特（1891-1957） 圖片來源：諾貝爾獎
1908年，德國物理學家蓋革和英裔新西蘭物理學家馬斯登在盧瑟福指導下進行了蓋革—馬斯登實驗（金箔實驗），發明了能記錄帶電粒子數目的計數管。當帶電粒子通過計數管時，里面的氣體就會電離而導電，產生脈沖信號。1924年，博特改進了實驗設計，把兩個計數管連接在一起，接入邏輯電路（符合電路）。如果兩個計數管中同時送入脈沖，則輸出信號表明該事件是由同一個粒子引起的，或者粒子運動足夠快，可以忽略兩個計數管之間的行進時間。這種方法就是符合計數法。
巧合法可用來選擇沿特定方向運動的粒子，因此在測量宇宙射線的研究中得到了廣泛的應用，特別是在1930年前后的相關重要發現中得到了廣泛的應用。此外，前面提到的康普頓獲得諾貝爾獎也是得益于博特的工作。博特和蓋革利用巧合法驗證了光子和反沖電子在康普頓散射過程中同時出現，能量和動量在每次碰撞中都守恒，而不僅僅是在統計意義上守恒。這對于量子力學的發展具有深遠的意義，現在巧合法是量子光學領域常用的方法。
早期的蓋革計數器 | 圖片來源：CBS
為何他們二人會一起獲得諾貝爾獎？這肯定和量子力學的未來有關，雖然在外行看來這似乎有些牽強。其實，1955 年的物理學獎也頒給了“蘭姆位移”和“電子磁矩”兩個不同的發現留學之路，但最終它們都可以用同一個理論來解釋，即量子電動力學。
兩個方向
1978 年的物理學獎就是典型的強行拼湊，獎項頒發給了兩個截然不同的方向。獎金的一半頒給了蘇聯物理學家彼得·卡皮察，他因“低溫物理學領域的基礎發明和發現”而獲獎。另一半頒給了兩位美國工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜，他們因發現宇宙微波背景輻射而獲獎。
低溫物理，簡單來說，就是研究物質在低溫環境下特性的學科。一切物質都是由不斷運動的原子和分子構成，其溫度取決于“熱運動”的強度。當溫度達到絕對零度時，熱運動就停止了。在極低溫條件下，科學家發現了物質的許多不尋常的特性，比如超導性。1913年，荷蘭物理學家海克·昂內斯因制出液氦，發現物質超導性而獲得諾貝爾物理學獎，這也是該領域第一個諾貝爾獎。
透明容器中的液氦 | 圖片來源：
1934年，卡皮查設計出一種生產液氦的新裝置，這種裝置不需要用液氫冷卻就能產生大量的液氦，開創了低溫物理學的新紀元。卡皮查隨后進行了一系列液氦實驗，發現了液氦的超流動性——在絕對零度以上約2開爾文時，液體的粘度極低甚至消失。他的實驗證明，氦Ⅱ處于宏觀量子態，量子效應起主導作用。后來，另一位蘇聯物理學家朗道從理論上解釋了超流體現象的成因，他因“開創了凝聚態特別是液氦的理論”而獲得1962年的諾貝爾物理學獎。
卡皮察（ПётрЛеонидович Капица, 1894-1984）丨來源：
朗道的貢獻讓他贏得了不止一次諾貝爾獎，而他更有可能在 1962 年獲獎，因為他在那年早些時候遭遇了車禍。諾貝爾獎不會頒發給已故的人——如果我們不頒給他，可能就太晚了！當時還有另外兩位俄羅斯物理學家與朗道一起研究超導體和超流體，但他們直到 2003 年才獲得諾貝爾獎。
卡皮查是一位物理學大師，除了低溫物理，他還因對強磁場和高溫等離子體的研究而聞名，他也是蘇聯物理學的領軍人物，蘇聯科學院主席團成員，莫斯科物理技術學院（MFTI）的創始人之一。蘭道曾因政治原因被監禁一年，正是卡皮查找到斯大林進行抗議和談判，最終蘭道被無罪釋放。
（左）和 | 圖片來源：.ru
1978 年諾貝爾物理學獎的另一半與 2019 年諾貝爾獎有關。1963 年，貝爾實驗室的兩位工程師彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜將通訊衛星的接收裝置改裝成射電望遠鏡，用于接收來自宇宙的無線電波，這是現代天文學最重要的研究手段之一。他們在測量天線性能時發現了一個難以解釋的現象，無論天線通向何處，都會產生等效溫度為 3.5K 的噪聲。多余的溫度從何而來？他們嘗試排除各種干擾，發現是一對鴿子棲息在天線上，留下了大量鴿糞。他們一度以為這就是罪魁禍首，但清理之后噪聲依舊。經過一年的折騰，他們意識到這應該是一個新的發現。
威爾遜（.W.，1936-）（左）和彭齊亞斯（Arno A.，1933-）獲得諾貝爾獎后在天線旁合影。來源：
當時普林斯頓大學天體物理學家 H. 迪克等人也在做相關工作，正是他向貝爾實驗室的兩個實驗室建議使用輻射計來尋找宇宙的微波背景，并提出了宇宙早期可能存在某種輻射的問題。當彭齊亞斯聯系迪克時，迪克說：“我們搶先了一步”——他們兩個首先發現了宇宙微波背景輻射。
在大爆炸模型中，早期宇宙中充滿了高溫、致密的等離子體和輻射，隨著宇宙的膨脹，這些等離子體和輻射逐漸冷卻。當冷卻到一定溫度時，質子和電子結合成中性氫原子，宇宙開始變得透明。隨后光子開始在空間中自由移動，這個過程被稱為光子退耦。隨著空間的膨脹，能量越來越少，剩下的輻射已經到達微波波段。這就是宇宙微波背景輻射，又稱遺跡輻射。
彭齊亞斯和威爾遜未能對這種輻射給出理論解釋，因此他們的發現也備受爭議。許多科學家認為，預言宇宙微波背景輻射、奠定大爆炸模型基礎的拉爾夫、伽莫夫和赫爾曼應該獲得諾貝爾獎。他們的理論誕生于20世紀40年代，雖然當時并未受到廣泛關注，但后來人們意識到了它對宇宙學發展的重要性。
諾貝爾獎最好只有一個搭檔。2006年，兩位美國物理學家因發現微波背景輻射的黑體形式和各向異性而獲得諾貝爾獎，這再次將諾貝爾獎頒給了宇宙學領域。他們利用衛星進行觀測，他們的工作在探索宇宙起源和將宇宙學發展為一門精確科學方面發揮了重要作用。
宇宙背景探測器 (COBE) 的成果讓約翰·C·馬瑟 (1946-) 和喬治·斯穆特 (1945-) 分享了 2006 年諾貝爾物理學獎。來源：NASA
2001 年發射的威爾金森微波各向異性探測器 (WMAP) 觀測到的宇宙微波背景輻射。來源：NASA
要說這門學科的理論發展，不能不提去年的諾貝爾獎得主詹姆斯·皮布爾斯。正是他對宇宙微波背景輻射做出了系統的理論解釋，描述了宇宙的演化。他不僅進行了數學推導，還緊密結合物理過程的分析，發展了一系列相關理論。目前關于已知物質占5%，未知物質和能量占95%的推測也源于他的理論，并得到了觀測實驗的證實。
2004年，皮布爾斯獲得首屆邵逸夫天文學獎，獎項評價為：“他為幾乎所有現代宇宙學研究奠定了基礎，無論是在理論上還是在觀測上，將一個高度推測的領域轉變為一門精確的科學。”作為對宇宙學做出最大貢獻和創立學派的物理學家，諾貝爾獎頒給他絕對沒有任何爭議，只是讓人覺得兩個獎項與發現系外行星同時頒發。至于他為何沒有與前幾位獲獎者同時獲獎，很容易猜到是因為當時有那么多大人物，頒不頒給他還是個問題。
詹姆斯·皮布爾斯（1935-）| 來源：諾貝爾獎
以后還有拼湊嗎？
又到了 2009 年，這兩個領域走到了一起。一半的獎金頒給了美籍華裔物理學家高錕，以表彰他在“光纖傳輸領域的開創性成就”，另一半則頒給了加拿大裔美國物理學家羅伯特·波義爾和 E·史密斯，以表彰他們發明了半導體成像設備 CCD 傳感器。
這兩項成果與我們今天的生活更接近，光纖上網和數碼相機已普及大眾，為今天的信息社會奠定了基礎，它們分別獲獎也合情合理，如果非要找出聯系，那一定與光學有關。然而史密斯和波義爾在開發CCD時，只是想做成電子儲存裝置，并沒有想到要用它來成像。因此，真正用CCD成像的貝爾實驗室的I.和波義爾聲稱他們應該獲得諾貝爾獎，他們進一步發展了CCD在數碼相機上的應用。
諾獎不斷妥協，顯而易見。諾獎頒給最有獨創性的人，既然不能給四個人，那不如湊一對。其實，2018 年的物理學獎也有拼湊的痕跡。雖然同屬激光領域，但一個是光鑷（相關內容見《誰能控制你的基因？》），一個是激光放大（相關內容見《跟媽媽講諾獎：2018 年物理學獎的啁啾是什么？| 小毛巾沙龍》），一個是弱光，一個是強光，是完全不同的兩個方向。
關于2019年諾貝爾獎的另一半，系外行星的發現，還有一個有趣的問題。米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲采用了徑向速度探測的方法，即觀察恒星和行星因引力作用遠離（紅移）或接近（藍移）地球，并根據光譜的周期性變化發現恒星的位置。他們的方法開辟了一個新的研究領域，他們應該獲得諾貝爾獎。2009年諾貝爾獎的貢獻在天文觀測中發揮了非常重要的作用。光纖是光學天文望遠鏡的基本工具，可以完美地將星光引導到光譜儀中。CCD增加了設備對光的靈敏度。俗話說，工欲善其事，必先利其器。他們還使用了更先進的計算機來處理數據，最終發現了第一顆系外行星。
徑向速度法示意圖 | 圖片來源：諾貝爾獎
還有一位天文學家在系外行星的發現方面做出了杰出貢獻，他也應該是諾貝爾獎的有力競爭者。美國天文學家馬西因開創了凌日法而聞名——根據行星在恒星前運行的光變曲線的周期性變化來發現恒星。這種方法在系外行星搜索競賽的早期階段占據了主導地位，他一人就發現了最初發現的 100 顆系外行星中的 70 顆。
凌日法示意圖 | 圖片來源：NASA
然而 2015 年，馬西因性騷擾指控名譽掃地，最終只有他的兩位同事獲獎。因此可以推斷，諾獎??委員會發現只差一個，就趕緊把獎頒給了皮布爾斯，皆大歡喜。而且皮布爾斯一直是該獎的有力候選人，多年來一直是亞軍。他們一起幫助我們理解了宇宙的演化，對我們在宇宙中的位置有了新的認識。因此，雖然看起來兩個獎項一起頒發，被認為有點意外，但其實也在情理之中。
上次獲得兩個獎項是多年來的，近年來會有更多的組合？將她與另一個方向配對。
最后，我想為那些希望將來贏得獎項的人做幾句話：諾貝爾獎一直有爭議了一百年，只有在長壽的情況下，您才能成功。
參考
Guo , Shen . Nobel Prize in , 1901-2010[M]. : Press, 2012.
A. X射線作為[J]，1961，29（12）：817-820。
Hou Yude和諾貝爾獎[J]。
Guo 。
在2019年的諾貝爾獎上，還有一顆太陽能明星，諾貝爾。
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