125年来，物理学都取得了哪些突破性进展？Physical Review给你答案（上）
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。
今天，就请跟随小编，一起来回顾物理学发展历程中那些非凡的闪光时刻。
1913年，密立根通过油滴实验证明了电荷量不能是连续值，只能是某个基本常数的整数倍，这就是我们今天所说的“元电荷”。值得一提的是，在当时的实验条件下，密立根油滴实验测得的元电荷数值与今天公认值的误差不到0.5%。密立根因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖。
光究竟是粒子还是波？1923年，康普顿散射实验告诉我们光具有粒子的特性：当X射线和伽马射线被电子散射时，它们的动量减少了，这与经典电磁理论相违背，从而证实了光的粒子性。康普顿因此获得了1927年的诺贝尔物理学奖。
德布罗意在理论上预言了物质波的存在，而在实验上的证实工作则是由戴维森和革末完成的。1927年，他们用电子束轰击金属镍的晶体，观察到了清晰的干涉图案，这是物质波存在的最好证明。德布罗意因此获得了1929年的诺贝尔物理学奖。
昂萨格在两篇论文中给出描述像热传递这种不可逆过程的普适理论。在这套理论中昂萨格给出一组应用广泛的倒异关系。例如，他们可以被用于预测热电子和自旋电子器件的行为。昂萨格因此获得了1968年的诺贝尔化学奖。
1932年，尤里、布里克韦德和墨菲发现了一种由一个质子、一个中子和一个电子组成的氢的同位素——氘。随后在第二次世界大战中，氧化氘，也就是我们现在所说的重水，被应用到核反应堆中。如今，氘被广泛应用于核磁共振以及大量的化学实验和粒子物理实验。尤里因此获得了1934年的诺贝尔化学奖。
通过观察宇宙射线中未知粒子在云室中的轨迹，1933年，安德森发现了电子的反粒子——正电子。狄拉克曾预言每一种费米子都具有一个质量相同但电荷相反的反粒子，安德森的发现为这项预言提供了第一个证据支持。安德森因此获得了1936年的诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦、波多尔斯基和罗森构造出一个思想实验旨在证明量子力学和定域实在性相冲突。后来的实验通过验证贝尔不等式不成立反而证实了量子力学的正确性。爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在论文中论述了纠缠的性质，纠缠现在已经成为量子信息领域的基础。
1938年，拉比和他的同事发现了核磁共振现象，并测量了分子束中的核磁矩。后来，布洛赫、珀赛尔和他的合作者将拉比的技术拓展到液体和固体的核研究，最终使核磁共振成像成为可能。拉比因此获得了1944年的诺贝尔物理学奖，布洛赫与珀赛尔因此获得了1952年的诺贝尔物理学奖。
在物理学家发现惊人的核裂变现象不到一年之后，1939年，玻尔和惠勒用液滴模型计算核裂变参数，计算结果与实验非常吻合。这一模型的提出对原子弹和核电的发展至关重要。
1939年，贝特预言两种产物为氦的核反应可能是恒星动力的来源：氢的聚变和碳—氮循环。九年后，贝特、艾弗和伽莫夫利用最初的宇宙大爆炸理论为宇宙中的元素丰度提出了一种解释。贝特因此获得了1967年的诺贝尔物理学奖。
1947年，兰姆和雷瑟福测量发现了狄拉克理论未预言到的氢原子两个能级之间的微小能级差，这个能级差被称作“兰姆移位”。贝特将兰姆移位归因于电子和真空涨落之间的相互作用，并在几个月后用一种新的重整化方法描述了这种效应，为量子电动力学的发展奠定了基础。兰姆因此获得了1955年的诺贝尔物理学奖。
1948年，施温格和费曼分别独立地提出了他们各自量子电动力学理论，费曼还在论文中介绍了他的“费曼图”。后来，戴森证明了这两种理论其实是等价的。量子电动力学提出了很多前所未有的精确预测，例如电子的反常磁矩等，这些预言都在后来的实验中得到证实。施温格和费曼因此获得了1965年的诺贝尔物理学奖。
1930年，泡利引入中微子来解释原子核在β衰变过程中的能量损失。1953年，莱茵斯和考恩宣称他们用放在核反应堆旁边的大水箱探测到了幽灵般的粒子。1956年，他们发表了关于中微子决定性的探测结果。1960年，他们给出了关于他们的实验的完整的说明。莱茵斯因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。
1954年，杨振宁和米尔斯构造出可以描述基本粒子行为的场论的数学形式。这些杨—米尔斯场成为电弱统一理论和描述夸克行为的量子色动力学中的核心部分。
很久之前，宇称守恒一直是物理学中一个普适的原则。直到1956年，为了解释观测到的奇怪的宇宙射线数据，李政道和杨振宁大胆假设宇称对称性在弱相互作用中被破坏。一年后，吴健雄和她的合作者通过β衰变实验证明了宇称守恒被破坏。李政道和杨振宁因此获得了1957年的诺贝尔物理学奖。
在超导电性被发现的近半个世纪之后，1957年，巴丁、库伯、施里弗提出了解释超导现象的BCS理论。在这个理论中，电子配对并进入一个量子单态。BCS理论不光在凝聚态物理中有应用，其在粒子物理和核物理中BCS理论也发挥着重要的作用。巴丁、库伯、施里弗因此获得了1972年的诺贝尔物理学奖。
1960年，南部阳一郎将π介子的微小质量和近似对称性联系起来，获得了一个重要的新视角：物理系统的对称性可以和组成系统的元素的对称性不同。这种对称性自发破缺是普遍存在的，例如在磁体和固体中对称性自发破缺就经常出现，在希格斯玻色子理论中也存在对称性自发破缺。南部阳一郎因此获得了2008年的诺贝尔物理学奖。
1962年，盖尔曼利用八重态的方法把轻介子和自旋1/2的重子进行分类。这种分类原则依赖于一种近似对称性，它最终被三种最轻的夸克的对称性所解释，这三种夸克是上夸克、下夸克和奇异夸克。盖尔曼因此获得了1969年的诺贝尔物理学奖。
为了避免地球大气对要探测的x射线的吸收，1962年，贾科尼和他的合作者用火箭把盖革计数器送入太空。令人吃惊的是，他们发现了一个位于太阳系外的x射线源。贾科尼被称为x射线天文学之父，他的工作直接促成了使用太空望远镜对黑洞和其它射线源发射的x射线的探测。贾科尼因此获得了2002年的诺贝尔物理学奖。
1963年，格劳伯提出了描述光线中光子之间关联性的理论。他的突破在于他意识到由于量子力学的原因，先抵达探测器的光子会影响探测到之后的光子的概率。他的工作证实了有必要使用新的方法进行光学探测。格劳伯因此获得了2005年的诺贝尔物理学奖。
1963年，卡比博的理论预言让人们意识到：相同质量的夸克并不一定包含相同的味，如上、下、奇异。甚至夸克还可以是不同味的混合体。卡比博的想法解释了为什么特定粒子的衰变被抑制，同时也在粒子物理中引入混合的概念。
1964年，霍恩伯格、科恩和沈建立了密度泛函理论。利用密度泛函理论可以相当精确地计算分子和固体材料的性质，并且这个方法大大减小了计算量。密度泛函理论使用了多电子量子力学方程的近似解法。韦尔莱随后建立了密度泛函理论的经典版本，这是一种在计算机模拟中解决牛顿方程的数值方法。1985年，卡尔和帕里内洛统一了密度泛函理论和韦尔莱的方法。科恩因此获得了1998年的诺贝尔化学奖。
1964年，恩格勒和希格斯分别独立地给出了解释基本粒子为什么有质量的模型。在他们的理论中需要一种新粒子的存在，也就是我们现在所说的希格斯玻色子。希格斯玻色子是标准模型中非常关键的一环，在被理论预言近50年后，它终于在欧洲核子中心的大型强子对撞机中被发现。恩格勒和希格斯因此获得了2013年的诺贝尔物理学奖。
1967年，温伯格提出了一个关于电弱相互作用的理论，当这个理论被拓展到包含夸克和强相互作用时，它就变成了粒子物理的标准模型。这套理论的最核心部分后来都被实验所证实，包括2012年希格斯玻色子的发现。温伯格因此获得了1979年的诺贝尔物理学奖。
1969年，弗里德曼、肯德尔、泰勒和他们的合作者通过电子—质子散射实验给出了质子不是基本粒子的第一个实验证据。数据证实了他们提出的质子由更加基本的粒子组成的想法，这些更基本的粒子就是我们现在知道的夸克。弗里德曼、肯德尔和泰勒因此获得了1990年的诺贝尔物理学奖。
（未完待续）
素材来源：https://journals.aps.org/125years
编辑：Alex Yuan
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