本文原载于《环球科学》。
物理学家获得过一些巨大进展（如粒子物理标准模型的建立与修正），也经历过出人意料的转变（如对“暗能量”的研究）。但追根溯源，当前许多研究所关注的，那些在过去一个世纪里推动着物理学发展的问题。
我们摘取了12位诺贝尔奖得主为《科学美国人》亲笔撰写的文章。这不仅是对过去近百年中的重要物理问题的回顾，或许还能告诉我们新一代物理学家会将物理学带往何方：如果参照过去的历史，那么未来一些辉煌成就的线索，或许就隐藏在过去数十年里那些诺贝尔奖得主的工作里。
我们将按天体物理学、粒子与原子物理学、技术应用3个板块，分3次推送这12篇科普短文。本次推送的是第二部分：粒子与原子物理学。查看第一部分“天体物理学”请回复“半小时看明白现代物理学”（当然这是不可能的）。
整理 约翰·马特森（John Matson）
费里斯·贾布尔（Ferris Jabr）
插图 约翰·亨德里克斯（John Hendrix）
翻译 王栋
粒子与原子物理学
光是什么
撰文 欧内斯特·O·劳伦斯（Ernest O. Lawrence）
J·W·毕姆斯（J. W. Beams）
劳伦斯是1939年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1928年4月《科学美国人》
光是人们最熟知的物理存在。我们都了解它的许多特性，而对于物理学家来说，光显示出的不可思议的性质还要多得多。虽然，我们对光学效应的了解已经很多，但光究竟是什么，还没有令人满意的解答。
两个多世纪前，牛顿认为光的本质是粒子，是由飞行于空气中的小“飞镖”组成。其他一些人将光归于波动，就像波浪在水中传播那样，光波也在遍布宇宙的一种介质中传播，这种介质叫作“以太”。随即，在关于光到底是什么这个问题上，持不同观点的科学家展开了一场激烈的争论。当一些新实验揭示出光的更多特性后，人们发现波动理论能解释许多粒子假说无法解释的现象。
随着时间的推移，更多关于光与物质相互作用的现象被接连发现。在这些现象中，很多都无法用波动理论来解释，这就迫使科学家将注意力转向牛顿提出的“光的粒子假说”。近期的观测结果表明，光束所包含的能量值是一个最小单位（一个光量子）的精确整数倍，正如物质看起来像是由物质粒子的精确整数倍组成，电量是电子的整数倍一样。因此，光也是粒子化的，正如物质和电量是粒子化的一样。
在现代光量子理论中，有一个看起来非常奇特的事实，即该理论的研究对象自身——光量子——恰恰是完全不清楚的。
量子自身的物理特性也是一个问题：它们的长度是一米，一千米还是一厘米？或者说，它们的尺度无限小？许多实验似乎都说明，光量子的长度至少在一米左右，但根据过去的观测，很难推导出确定的结论。光量子的空间尺度仍旧是个谜。
至少有一种途径可以用来测量光量子的长度，只要该设想可以付诸实践的话。从本质上来说，可以这样做：假设你有一个遮光板，能够以任意速度阻挡或放行光线。这样的器件应该能将一束光切成一段一段，就像用刀切香肠一样。显然，如果切出的一段光线比光量子短，那么经过遮光板的短暂闪光就只含有一个光量子的一部分。实际上，该装置会将光量子掐头或去尾。部分光量子的能量不足以将电子从金属表面轰击出来，需要整个光量子才行。所以，我们可以通过观察在短到什么程度的时候，就不能产生光电效应，从而给出光量子的长度上限。
即使对机械知识不熟悉的人也能想到，任何一种机械遮光板都不可能以这种速度工作。然而令人高兴的是，自然赐予物质的不仅仅有纯机械的性质。利用某些液体的特殊光电性质，科学家构想了一种类似遮光板的设备，能在百亿分之一秒内打开或关闭。通过这种设备，科学家制造出极为短暂的闪光，轰击在灵敏的光电池上，结果发现电池对设备制造的最短闪光也能作出反应，长度只有几英尺（1英尺约合0.3米）。
怎么评价这个简单的观测实验的重要性都不过分，因为它明确显示了光量子要比数英尺短，或许光量子的空间尺度只有极微小的一点点。
原子核内部的世界
撰文 玛丽亚·G·迈耶（Maria G. Mayer）
1963年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1951年3月《科学美国人》
将原子作为一个整体，并以我们的行星系统为参考——近代物理学家提出了一个描述原子的模型：原子由一个位于中心的、相当于太阳的原子核，以及在特定轨道上围绕原子核运行的卫星电子构成，就像行星一样。虽然还有很多问题有待解决，但该模型已能解释许多我们观测到的电子行为。然而，人们对原子核本身却知之甚少，甚至对于原子核中的粒子是如何结合在一起的这个问题，都还没有一个令人满意的答案。
最近，一些物理学家（包括作者本人），提出了一个非常简单的原子核模型，将原子核描绘成壳层结构——就像整个原子的结构那样，核里的质子和中子以特定的轨道（或称为壳层）聚集，正如原子里面，电子束缚在原子核周围一样。对于原子核的构成及其核内粒子的行为，我们所知的很多现象都能用这个简单的模型来解释。
质子和中子的一些特定组合，在性质上具有非常明显的模式，而我们有可能弄清这些模式。正是因为这些模式，我们才提出了原子核的壳层模型。一个惊人的巧合是，原子核内的粒子也像电子一样，偏好某些特定的“神秘幻数”。
每一种原子核（除了氢原子，它就是一个单独的质子）都能用两个数字来描述：质子数和中子数。这两者之和就是该原子核的原子量。质子数决定原子的性质，所以拥有两个质子的原子核必定是氦，拥有三个质子的是锂，以此类推。然而，一定数量的质子可以与不同数量的中子结合，形成同一种元素的多种同位素。这里，有一个非常有意思的事实，即质子和中子喜欢以偶数的方式结合；换句话说，和电子一样，质子和中子都显示出强烈的配对趋势。已知所有元素的全部约1000种同位素里，只有不超过6种稳定原子核是由奇数个质子和奇数个中子构成的。
除此之外，以特定偶数聚集的质子或中子尤其稳定。“神秘幻数”之一是2。由两个质子和两个中子构成的氦原子核是已知最稳定的原子核之一。另一个“神秘幻数”是8，代表着氧原子核，它的一个常见同位素具有8个质子和8个中子，十分稳定。还有一个“神秘幻数”是20，对应着钙。
“神秘幻数”包括：2、8、20、28、50、82以及126。具有这些数目的质子或中子的原子核都具有非同寻常的稳定性。这强烈暗示着，“神秘幻数”代表着原子核里的壳层都是满的，就像原子外层的电子壳层结构一样。
反质子现身
撰文 埃米利奥·塞格雷（Emilio Segrè）
克莱德·E·威甘德（Clyde E. Wiegand）
赛格雷是1959年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1956年6月《科学美国人》
25年以前，基于相对论和量子力学中最基本的原理，英国剑桥大学的狄拉克（P.A.M.Dirac）提出了一个方程，以量化的方式描述了电子的许多性质。只须代入电荷、质量以及自旋值，就能准确地推导出电子的磁矩以及它在氢原子里的行为。然而，狄拉克发现，这个方程不仅需要带负电的电子，还需要带正电的电子（正电子）存在。换句话说，它不仅描述了已知的带负电的电子，而且还引入了一种完全对称的粒子，它与普通电子完全一样，只是电荷为正而非负。
在狄拉克作出预言数年之后，在宇宙射线通过云室产生的粒子之中，美国加州理工学院的卡尔·D·安德森（Carl D. Anderson）发现了正电子。这一发现促使物理学家投入到一段全新而艰难的旅程，开始寻找另一种假想粒子。最终，他们的努力在几个月之前得到了回报。
经过微小的修改，狄拉克的基本方程应该还适用于质子。在这种情况下，方程同样预言了质子的反粒子——反质子的存在。它与质子一模一样，只是带电为负而非正。
这时，一个问题浮现出来，需要多高的能量才能在实验室里用加速器制造出反质子？因为反质子只能与质子成对地制造出来，所以我们至少需要相当于两个质子质量的能量（即约20亿电子伏）。但真正准备实验的话，我们需要比20亿电子伏高得多的能量。要想将能量转化为粒子，我们必须使能量聚集到一点；通过让高能粒子撞向靶子是实现这一目标的最好途径，例如让两个质子对撞。撞击之后，我们应该有4个粒子：两个先前的质子，外加一对新制造的“质子—反质子对”。碰撞出的这4个粒子中，每一个都具有约10亿电子伏的动能。所以，产生一个反质子需要20亿电子伏（生成“质子—反质子对”）加上40亿电子伏（4个产物粒子的动能）的能量。美国加利福尼亚大学的高能质子同步稳相加速器就是根据这些数值设计建造的。
当高能质子同步稳相加速器用60亿电子伏的质子轰击铜靶之后，接下来的任务就是探测并识别生成的任何反质子。一种搜寻方案是由本文作者、欧文·张伯伦（Owen Chamberlain）和托马斯·伊普西兰蒂思（Thomas Ypsilantis）提出的，他们利用了3个便于确定的特性。首先，粒子的稳定性意味着它的寿命应该足够长，能够穿过长长的仪器；其次，粒子经过外加磁场时，它们的偏转方向可以反映粒子的带电性，因此通过这一点，就可以判断出反质子的负电性。最后，在磁场强度和粒子速度已知的情况下，反质子的质量可通过它的运行轨道的弯曲度计算出来。
到去年10月宣布反质子的发现时，上面三位科学家已经记录了60件事例，平均产生率大约相当于每运行高能质子同步稳相加速器一小时，就能发现4个反质子。这些反质子都已通过了我们在实验前预先设定的所有测试。一位刚刚完成了一项重要且困难的介子实验、拥有很高声望的同行对这项发现的评价让我们十分开心。他在检查了我们的实验之后说：“我希望自己的μ介子实验也能够像这个实验一样令人信服。”至此，那些一直打赌反质子存在的人开始得到回报了，我们知道的最大赌注是500美元（我们自己倒没有参与）。
希格斯玻色子存在吗
撰文 马蒂纳斯·J·G·韦特曼（Martinus J. G. Veltman）
1999年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1986年11月《科学美国人》
希格斯玻色子是以英国爱丁堡大学的彼得·W·希格斯（Peter W. Higgs）的名字命名，这种粒子是标准模型中最重要的缺失部分。标准模型是描述物质的基本构成，以及各成分间基本相互作用的主流理论。根据标准模型，所有物质都是由夸克和轻子构成，它们之间有4种相互作用：引力、电磁力、弱力和强力。举例来说，强力将夸克束缚在一起形成质子和中子，构成原子核；电磁力将原子核和电子（轻子的一种）“绑”在一起，形成原子，再将原子组合成分子；弱力在某些原子核衰变中起作用。弱力和强力仅在不超过原子核半径的范围内起作用；引力和电磁力的作用范围无穷大，所以它们最为人们所熟知。
尽管对标准模型知根知底，我们仍有理由认为它还不完备，这时就轮到希格斯玻色子出场了。具体来说，标准模型需要希格斯玻色子赋予自己在数学上的完整性，使它的适用能量范围虽然超越了现有粒子加速器的能力，但很快可由未来的加速器实现。除此之外，希格斯玻色子被认为是所有基本粒子的质量之源——从某种意义上说，粒子通过“吞食”希格斯玻色子来获得质量。
希格斯玻色子的一大缺陷是，科学家到目前为止(作者撰写本文时的1986年)还未发现它存在的证据。相反，有很多间接证据已经暗示，这种神秘粒子其实并不存在。的确，近代理论物理学在不断向真空中添加希格斯玻色子之类的多种新玩意儿，让人们觉得在晴朗的夜空中还能看到星星是多么不可思议！
虽然，未来的加速器或许能找到希格斯玻色子存在的证据，并且证明假设存在的原因是正确的，但我仍坚信事情并不是那么简单。我必须指出，这并不意味着整个标准模型都是错误的。相反，标准模型很可能只是对真实世界的一个近似反映——尽管已经很接近真实世界。
通过在高能物理实验室进行的散射实验，人们可以研究基本粒子间的相互作用。例如，一束电子能被质子散射。通过分析入射粒子的散射模式，就能获得关于相互作用力的信息。
电弱理论成功预言了电子与质子相互作用的散射模式，也同样成功预言了电子同光子、W玻色子（传递弱场的粒子）和中微子的相互作用。然而，该理论在试图预言W玻色子彼此之间的相互作用时遇到了困难。特别是从该理论出发可以得出，在足够高的能量下，一个W玻色子被另一个W玻色子散射的几率大于1。这样的结果显然有悖常理，相当于说即使一个人向靶子的相反方向扔飞镖，仍能正中靶心一样。
就在这时，“救星”希格斯玻色子出现了。希格斯玻色子同W玻色子以某种方式耦合，能让散射几率回落到允许的范围：0到1之间的一个固定值。换句话说，将希格斯玻色子引入电弱理论后，“消除”了不合理的结论。
了解了希格斯玻色子是让电弱理论重新变得正常的关键之后，就很容易理解应该如何搜寻这种难以捉摸的粒子了：W玻色子必须要以极高的能量（等于或大于一万亿电子伏）相互散射。
这一能量可以在规划中的“超导超级对撞机”上达到，它可以实现20TeV能量的对撞。美国正在考虑建造它。如果粒子的散射模式与重整后的电弱理论相符，那么必定存在一个抵消力，而希格斯玻色子就是一个最明显的候选者。如果模式与预言不符，那么W玻色子之间就很可能是强力相互作用，这将开辟一个全新的研究领域。
光学激光器引领信息革命
撰文 亚瑟·L·肖洛（Arthur L. Schawlow）
1981年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1961年6月《科学美国人》
至少半个世纪以来，通信工程师都梦想拥有一种设备，能像产生无线电波那样高效、精确地产生光波。一个普通白炽灯泡辐射出的电磁波的纯度，同无线电波发生器产生的电磁波相比，简直有天壤之别。电磁振荡器产生的无线电波的波长，限制在很窄的电磁波波段，“噪音”很低，可以用作信号载波。相反，所有传统光源基本上就是“噪音”源，除非以最粗略、原始的方式用作信号，这类光源几乎不适合做任何事。然而就在去年，随着光学激光器的出现，精确控制光波的产生成为可能。
虽然光学激光器只是刚刚出现，但它们已经产生了极高强度且高度定向的光束。与来自其他光源的光束相比，这种光束的单色性要好得多。
光学激光器是全新的光源，需要一些想象力才能预测它的潜在应用。当然，信息传递是最显而易见的应用，这个方向的应用获得的关注也最多。虽然自古以来，人类都在使用光线来传递信号，但由于自然光源的强度很弱，“噪音”很大，使它的应用受到了限制。我们可以把普通光束看做一种纯净的、均匀的载波，只是光源里的那些一个个原子会随机发出光脉冲，变成“噪音”。但光学激光器能够提供几乎理想的均匀波，除了人工加入的信号外，没有任何噪音。
如果能找到合适的调制方法，相干光波（频率、振动方向和相位差都相同的两列波）应该能够携带海量信息。因为光的频率很高，即使在可见光范围内一个很窄的波段里，一秒钟也会包含数量巨大的振荡周期。光波能传递的信息量与每秒的周期数成正比，因此也同波段宽度成比例。在传播电视信号时，载波带有的信号具有400万个周期的有效频宽。一个光学微波激射束完全能够携带一个频率（或者说频宽）为1 000亿个周期的信号。当然，前提是能找到生成这种信号的途径。具有这一频率的信号能够携带的信息量，相当于现在所有无线电通信频道的总和。必须承认，没有光束能够很好地穿透雾、雨或雪，因此想要在实际的通信系统中应用，光束必须被封闭在管道里。
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