开辟量子物理学实验领域的新时代——2012年诺贝尔物理学奖揭晓第一期
2011~2020年诺贝尔物理学奖回顾
2011~2020年诺贝尔物理学奖回顾2012年，诺贝尔物理学奖被授予了法国物理学家塞尔日·哈鲁昂（Serge Haroche）和美国物理学家大卫·温兰德（David Wineland），以表彰他们在单个光子和离子量子控制方面的开创性实验，为量子信息和量子计算的发展做出了重要贡献。
2013年，诺贝尔物理学奖被授予了比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒特（François Englert）和英国物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs），以表彰他们对希格斯玻色子理论的提出和预言，揭示了基本粒子的质量来源机制，为揭示基本粒子之间相互作用的统一理论奠定了基础。
2014年，诺贝尔物理学奖被授予了日本物理学家赤松弘和横川俊男，以表彰他们对发展蓝光激光二极管技术的贡献，使得蓝光光源可以应用于高密度光存储和高亮度白光 LED 等领域，极大地推动了光电子学和光学设备的发展。
2015年，诺贝尔物理学奖被授予了日本物理学家梶田隆章、加拿大物理学家艾瑟尔·马克札姆（Arthur B. McDonald），以表彰他们在中微子振荡实验方面的重大发现，证实了中微子具有质量，为揭示中微子的性质和宇宙起源提供了重要线索。
2016年，诺贝尔物理学奖被授予了英国裔美国物理学家大卫·索尔文（David J. Thouless）、美国物理学家J. Michael Kosterlitz和英国物理学家弗兰克·威尔切克（F. Duncan M. Haldane），以表彰他们对拓扑相变和拓扑物态的理论研究，为新型拓扑材料和量子计算提供了重要理论基础。
2017年，诺贝尔物理学奖被授予了美国物理学家雷斯·巴罗什金（Rainer Weiss）、巴里·巴里什尼克（Barry C. Barish）和加拿大物理学家考伯恩·莱肖（Kip S. Thorne），以表彰他们在引力波探测领域的重大突破，发现了由黑洞合并和中子星碰撞产生的引力波信号，开启了引力波天文学的全新篇章。
2012年诺贝尔物理学奖
2012年诺贝尔物理学奖：操纵单个量子粒子2012年诺贝尔物理学奖授予塞尔日•阿罗什和大卫•J•维因兰德，以表彰他们分别独立发明并拓展了在保持单个粒子量子力学特性的前提下，测量和操纵它们的方法。
他们的发明开辟了量子物理学的新时代；他们成功地观测到非常脆弱的量子态，在不破坏单个粒子的前提下直接观察它们的特性；他们的工作为制造新型超高速基于量子物理的计算机迈出了第一步。
也可以用来制造极精准时钟，用于未来的时间标准，比现有的铯原子钟精确百倍。
单个物质粒子包括光子，经典力学不适用，粒子表现出量子性。
然而长久以来，单个粒子不能从脱离周围环境直接观测到，科学家只能通过思想实验验证它奇异的表现。
两位获奖者均致力于量子光学领域物质粒子及光子基本相互作用力的研究工作。
这个领域从20世纪80年代中期开始有飞跃性的发展。
他们的工作有很多相同之处。
大卫•维因兰德将带电原子或离子置于势阱中，控制并测量它们的光子。
塞尔日•阿罗什则相反，控制并测量势阱中的离子，通过势阱向离子注入光子。
在势阱中控制单个离子在科罗拉多州博尔德市，大卫•维因兰德维因兰德的实验室内，带电原子或离子被置于电场内的势阱中。
该实验在真空和低温条件下进行，使粒子远离热和辐射干扰。
维因兰德实验的一个秘诀是使用激光脉冲。
他用激光压制离子在势阱中的热运动，使离子停留在最低能量状态，从而观测势阱中离子的量子现象。
一个细致调节好的激光束可以使离子进入叠加态，该形态使一个离子同时存在于两种不同状态。
例如，一个离子可以同时处于两种能量值。
它开始处于较低能量的状态，激光的作用仅仅是向高能量状态轻轻推它，能够使它停留在两种状态的叠加中，进入任何一种状态有相等的可能性。
这样可以研究离子的量子叠加状态。
在势阱中控制单个光子塞尔日•阿罗什和他的研究小组采取不同的方法揭示神秘的量子世界。
在巴黎的实验室里，微波光子在相距3厘米的镜片之间反弹。
镜片用超导材料制作，被冷却到刚刚超过绝对零度。
单个量子体系的测量与操控
单个量子体系的测量与操控王力军【摘要】2012年诺贝尔物理学奖已颁发给Serge Haroche和David J.Wineland,表彰他们“开拓了测量与操控单个量子体系的实验方法”.本文从近代量子物理发展史的角度介绍他们二人工作的意义.【期刊名称】《物理与工程》【年(卷),期】2013(023)001【总页数】4页(P1-4)【关键词】量子物理;量子光学【作者】王力军【作者单位】清华大学物理系;精密仪器与机械学系;中国计量科学研究院-清华大学精密测量联合实验室,北京 100084【正文语种】中文1 从研究光到认知量子世界人类追求对光的本质的理解，由来已久.1814年前后，夫琅禾费发现太阳谱线（Fraunhofer lines）.这是人类科学史上的一个里程碑.这个发现直接导致了在19世纪60年代Ångström 等人发明了光谱学的方法，继而很多物质的光谱被测量.例如，大家熟知的巴尔末谱线则成为后来玻尔原子模型所解释的重要现象之一.当然，在现代，光谱学一直是天文学最重要的实验、观测方法.回顾早期量子物理理论的建立，在众多实验发现的积累中，如下的几项可能是最根本的.从19世纪60年代Kirchhoff开始的对于黑体辐射的研究导致了经典理论无法精确解释测量到的光谱分布—进而导致了普朗克提出量子论.1887年赫兹观察到光电效应.1888 年P.Lenard开始研究阴极射线，继而于1902年实验确定了光电效应中光电子的最大能量与光强无关，而与照射光的颜色有关.1905年爱因斯坦给出了这一发现的量子解释.1897 年J.J.Thompson 发现电子.而Lenard与Thompson的实验中都观测到电子散射，这提示了电子是远远小于当时人们模糊接受的“原子”的尺寸.另外一个提示就是：这些组成物质的基本单元“原子”里面大部分地方是空的.之后，1913年密立根的油滴实验明确给出了电子所携带电荷是分立的，更加强了“量子”的概念.1910年前后，基于1896年贝克勒尔发现的铀放射性，卢瑟福的一系列α－粒子实验指向了原子核的存在和原子的基本模型.这就是大家耳熟能详的玻尔原子模型.1912～1914 年的Franck－Hertz实验可能是当时对玻尔模型的最重要的证实.至此，光的粒子性和量子理论、原子的基本模型就都建立了.量子力学之数学表达的建立虽然还需些许时间，但是，框架已经都搭起来了.这是近代物理学最光辉的历史，也是一段惊心动魄的过程：因为量子论的建立自始至终是个猜谜的过程.而且，在这个过程中也曾经有过错误的模型出现并在新的实验结果和发现面前被放弃.所以，物理学家们才会不断地设计各种实验验证量子理论的正确性.此后，原子核模型的建立也是一个类似的过程.一方面是实验数据和事实的大量积累，另一方面是模型的建立和检验.而贯穿其中的是新实验手段、方法和仪器的发明.第二次世界大战中，战争的需要带来了应用物理学的高速发展.两个重要的方面就是核物理（原子弹）和微波技术（雷达）.各国在此方面都培养了大批的年轻科学家.战后，很多人又重新回到大学等研究机构，开创了新的领域.这又是一段物理学蓬勃发展的阶段.在核物理方面，一方面是对各类原子核的深入研究，另一方面基于加速器的发明，高能粒子物理飞速发展.同时，基本粒子的物理理论也纷纷产生、完备.在微波波谱方面，各国也有着长足的发展.微波激射器（Maser）的发明源于对高谱纯度微波源的需求.而基于同样原理的激光的出现，则给传统的光谱学带来了第二个春天.射电天文学观测方法的发明，宇宙背景辐射的发现，卫星通信等等，都是那个阶段微波科技发展的杰出范例.同时，核物理与微波谱学的结合：核磁共振则是一个重要的基础研究热点.其应用——核磁共振成像，在今天已经是人类诊断疾病的最重要手段之一.特别值得一提的是微波原子钟.自1930年I.Rabi提出利用磁共振作为时间标准后，第一台实用的铯原子钟于1955年由L.Essen 在英国首先实现.原子钟的出现，改变了人类计时的方法，改变了人类对时间（秒）和长度的定义.进而，使得全球卫星定位（如GPS，北斗，等等）成为可能.2 QED—量子理论的精密检验光、微波等电磁场与原子、原子核等物质粒子的相互作用，始终是物理学研究的重点.光谱等波谱学，不仅仅是探测物质粒子的手段，也逐渐成为精密检验物理理论的重要方法.1947年Lamb 对于氢原子能级移动的精密测量不仅检验了对于原子结构的更深刻的理论，更重要的是指出了用波谱学检验物理理论的道路.同期，1949年N.F.Ramsey发明了他著名的“分离振荡场”方法，大大提高了原子微波谱学测量的精度，为铯束原子钟奠定了基础.另外的一个研究方向是利用电磁场“操控”物质粒子的量子状态.这方面的一个杰出代表是20世纪50年代初期，A.Kastler在“光泵浦”方面的工作：通过施加外加光、微波辐射场可以改变原子的内在量子态.当然，后来我们知道，当这些原子共同通过受激辐射再次产生光的时候，就可以形成激光.所以，在20世纪50年代，物理学家们就意识到了光与原子相互作用是物理学中一个最重要的方法.但是，这个方法使用起来碰到了两个麻烦.第一个困难：没有高强度的相干光源.当然，这一点在Maser和激光发明后得到了较快的解决.虽然研究者不断发明或期盼更好的激光光源，但相比于以前使用的灯一类光源和更早的阳光分光光源要好得太多了.然而，第二个困难要大得多：多普勒频移和展宽.为了更精确地测量原子等物质粒子的谱线，就必须剔除由于其运动而引起的多普勒频移. R.Dicke在1953年指出，一级多普勒效应可以通过将物质粒子的运动范围限制在远小于辐射场波长的范围内消除.这个被称为“Dicke narrowing”的效应早期往往通过加强与缓冲气体原子的碰撞来实现.这个效应与1958 年发现的Mössbauer 效应很类似：就是将粒子的运动限定在很小的区域并且将其反冲动量转移给一个宏观体系.但是，碰撞的方法无法用来控制一个单个的粒子.这就要提起一位德国原子与原子核物理学家H.Kopfermann（Franck 的学生）.他在二战之中参与了当时纳粹德国的核计划，试图用电磁方法分离铀.他的两位弟子W.Paul和H.Dehmelt于1989年分享了当年一半的诺贝尔物理学奖（另一半表彰N.Ramsey）.Paul发明的离子阱方法使用交变电磁场人为地制造出囚禁带电粒子的空间势阱，应用于粒子囚禁.此外，这个方法现在广泛地应用于质谱仪，是当今最重要的分析手段之一.Dehmelt精密地测量了囚禁中电子的g－因子（电子反常磁矩），至今是QED 最精密的实验验证.他们发明的离子囚禁方法使得研究单一的量子体系（单个或几个离子）成为可能.3 操控单个量子体系今年获得诺贝尔物理学奖的两位科学家Serge Haroche 和David J.Wineland 成功地测量、操控了单个量子体系.Wineland博士师从Ramsey，精密地测量了氘原子的超精细频移.之后在Dehmelt组做博士后研究期间，成功地利用Penning离子阱囚禁单个电子，为后来该组成功地测量电子反常磁矩奠定了基础.1975 年，T.Haensch 和A.L.Schawlow 与D.J.Wineland和H.Dehmelt分别提出激光冷却中性原子和囚禁离子的方案.1978年4月，德国海德堡大学P.Toschek组（他曾师从Paul，Dehmelt也参与了实验）和美国标准局（NBS，现为NIST）的Wineland组同时投稿报道实现了囚禁离子的激光冷却［1，2］（图1）.最初的激光冷却是在离子云上实现的.之后，两个组又分别于1980 年和1981 年观测到单个囚禁离子.Wineland这两个实验是利用镁离子完成的.之后，实验转移到汞离子上.因为其V－型能级结构，汞离子可以是很好的一台光频原子钟的选择.1986年，Dehmelt，Toschek，和Wineland 三个组同年实验演示了利用“quantum jump”的方法高效地探测离子是否从基态跃迁到亚稳态.1987 年，他们又成功地演示了对于人为囚禁的离子，其空间运动是量子化的.1989 年，Wineland成功地将其囚禁离子的空间运动量子态冷却到了基态.图1 摘自D.J.Wineland［2］：激光冷却过程中测量到的离子云温度与冷却激光开启、关闭前后的演变.经过30余年的不懈努力，2008年，Wineland组使用镁、铝离子协同冷却和量子逻辑探测的方法，在第17位有效数字上比较了铝离子与汞离子的跃迁频率［3］.之后，他们又测量了此光频原子钟因为33cm 高度变化而引起的引力红移，与广义相对论预言的结果相符.通过离子阱囚禁和激光冷却的方法，以Wineland为代表的一代科学家们在过去的30～40年内实现了对单一物质粒子的俘获和操控.将此粒子孤立于外界，而通过人为施加的外界电磁场，成功地操控粒子的量子态.而且，还能够使用该孤立粒子的量子态间的跃迁频率作为下一代、超高精度光频原子钟的鉴频器.相比于孤立一个物质粒子，人们也可以将一个单一的光子“俘获”或者“囚禁”于一个有限的空间内.一个非常出色的例子是将一个微波光子囚禁于一个波长尺寸的谐振腔内（圆柱体腔或者F－P腔）.使用超导体作为谐振腔的材料，腔的Q 值经常可以达到～109［4，5］，光子存储时间可达0.1s！如果仔细调谐腔的本征频率，则可以与一些碱金属（例如Rb）的里德堡原子共振.而谐振腔的作用之一就是使得腔内很少（甚至平均少于1个）的光子反复与进入腔内的单个里德堡原子相互作用.当相互作用的强度（Rabi频率）大于原子相关能级的线宽和腔的损耗线宽，那么，就达到了所谓的“强耦合”极限.在“强耦合”的情形下，一个极限就是单个原子与单个光子相互作用.这样的体系是量子物理早期所没有的.光电效应是光子一个个地与多个原子相互作用.而测量原子光谱则是假设原子都是相同的，一个个地与含有许多光子的光场相互作用.如今，这样一个人造的，反常干净的体系则允许我们对单个光子与单个原子的QED 相互作用进行实验.首先达到了强耦合极限的是1984年马普量子光学所H.Walther教授组里实现的“单原子Maser”5.很多QED 预言的现象可以在这样一个体系内得到验证.一个直接的结果就是：这时光场也必须量子化.而取决于光场中有几个光子，原子的反应也不一样——即Jaynes－Cummings模型.这在腔QED中极其典范地验证了.另外，通过探测原子的反应，也就可以探测（或者说反推）腔内光场里有几个光子.图2显示了2007年Haroche组演示单个光子非破坏性探测的实验4.图2 摘自Gleyzes［5］：上图，单个光子非破坏性探测的实验装置示意图.一束里德堡原子在B处被制备到量子叠加态后，依次经过两个Ramsey分离振荡场区域R1，R2，及处于其间的高品质谐振腔C.取决于C 内是否存在单个光子［下图］，相应的里德堡原子量子叠加态的相位将会不同.因此，测量此相位即构成了对腔内光子数的非破坏性测量.Haroche博士期间在法国Kastler实验室师从C.Cohen－Tannoudji（1997年诺贝尔物理学奖获得者）.之后他又于1972～1973 年在Stanford的Schawlow 教授（1981 年诺贝尔物理学奖获得者）组做博士后.他的杰出工作，在很大程度上，也是沿着A.Kastler（1966年诺贝尔物理学奖获得者）首先展示的道路：通过光与物质粒子的相互作用，实现对量子态的测量和操控.Haroche教授，Walther教授，还有同一个时期的Kimble教授等若干知名学者对于腔内量子电子学，特别是关于单个光子与单个原子的量子相互作用的研究，开拓了人类操控单个量子态的物理基础，积累了大量的实验技术与方法.4 展望光与物质粒子的相互作用是早期探索物理本质的重要方法.随着科学和技术的发展，人类开始发明并掌握了操控量子体系的能力.这个从上世纪中期开始出现的现象，随着技术的进步，会更加普遍.从Wineland，Toschek 等首次演示激光冷却囚禁离子后，激光冷却的方法已经普及到世界上众多的实验室.这方面的进展是惊人的.中性原子的冷却提供了制作BEC、光晶格等一系列人为实验条件的可能，而由此产生的极端实验条件也会继续发展.一方面，这个进展会提供更多的机会，在更多的极端条件下检验我们对于自然界的基本理论和理解.另一方面，激光技术的进步和超冷物质粒子的制备，使得在更高精密度上测量各类物理量成为可能，提供更高精度的检验.一个重要的发展方向是应用.最直观的发展就是对于时间基本单位：秒的定义.能够制备完全不受外界影响的物质粒子，那么，其内部的本征量子态间跃迁的本征频率就是最好的频率参考和秒定义的基础.其次，假如我们首先制备与外界完全隔离的量子体系，然后再人为地允许其与某个单一的外界物理量（例如静磁场）耦合，那么，通过探测该量子体系相应物理量的变化，就构成对外界物理量的绝对测量.这是近年来计量学的一个重要发展趋势：尽量将各种元基准定义于最基本的量子物理过程——量子计量学.这个发展方向也是源于多年来对量子物理研究而产生的一个信心：孤立的量子体系，当加以适当修正后（例如对原子钟需要加以引力红移修正），其可重复性是不受时间和地点影响的.当前的挑战是如何进一步提高测量精度.再次，从20世纪90年代中期兴起的量子信息研究，经历了10余年的发展，已经取得了长足的进展.虽然其最终的应用前景还有待时间来证实，但是，这是量子技术应用的又一次尝试.量子相干性和量子纠缠是否能够真正转换成信息科学上有效的应用，还需拭目以待.但是，至少在原子钟等技术上，量子相干性已得到了广泛的应用.参考文献【相关文献】［1］W.Neuhauser，M.Hohenstatt，P.Toschek，and H.Dehmelt，Optical－Sideband Cooling of Visible Atom Cloud Confined in Parabolic Well，Phys.Rev.Lett.41，233（1978）［2］D.J.Wineland，H.E.Drullinger，and F.L.Walls，Radiation－Pressure Cooling of Bound Resonant Absorbers，Phys.Rev.Lett.40，1639（1978）［3］T.Rosenband et al.，Frequency Ratio of Al＋and Hg＋Single－Ion Optical Clocks；Metrology at the 17th Decimal Place，Science 319，1808（2008）［4］S.Gleyzes1，et.al.，Quantum jumps of light recording the birth and death of a photon in a cavity，Nature，446，297（2007）［5］D.Meschede and H.Walther，G.Muller，One－Atom Maser，Phys.Rev.Lett.54，551（1985）。
物理学近年来的重大成就
物理学近年来的重大成就对量子世界的研究是20世纪以来物理学的主攻方向。
微观世界具有与宏观世界不同的特性，许多量子现象及其物理本质难以把握，往往争论不休，最著名的是爱因斯坦与哥本哈根学派关于量子特性的世纪争论。
21世纪以来，现代物理学的发展利用扫描隧道显微技术，可以观察和移动单个原子或分子；运用飞秒激光技术，可以研究分子内部动力学过程。
特别值得一提的是，法国物理学家阿罗什与美国物理学家维因兰德由于创建了一种巧妙的试验方法，从而能够直接观察单个微粒却不对其自身产生破坏，开辟了量子物理学实验领域的新时代，而获得2012年诺贝尔物理学奖。
到目前为止，物理学家已经从对量子世界的“解释”阶段，开始进入“调控”时代。
在对量子物理的研究方面，我国物理学家也作出了重大贡献。
由中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合攻关团队，经过数年不懈探索和艰苦攻关，于2013年3月宣布，成功实现了“量子反常霍尔效应”，这是国际上该领域的一项重大突破。
21世纪物理学研究的另一个重大方向则是对物质世界基本结构的探索。
按现代物理学的认识，宇宙中我们目前观察到的物质只占宇宙的4﹪，暗物质则占宇宙的23﹪3，还有73﹪是暗能量。
暗物质的存在虽然在理论上已被人们接受，但是暗物质到底是什么？有些什么性质？仍然是个“迷”。
由丁肇中主持、诸多中国科技人员参与的阿尔法磁谱仪项目，2013年公布：从宇宙射线流的观察中获得符合暗物质理论预测的实验数据。
前不久，又传来物理学的一个重大进展。
2013年3月14日，欧洲核子研究中心公布，希格斯玻色子存在的预测得到实验证实。
从而使62个亚原子粒子形成一个完美家族。
1964年由比利时物理学家恩格勒与英国物理学家希格斯分别提出的亚原子粒子质量来源的理论（希格斯机制）也因此获得2013年度诺贝尔物理学奖。
2012年诺贝尔物理学奖
2012年诺贝尔物理学奖2012年物理学奖，由两位物理学家分享，他们是美国的大卫•维因兰德(David Wineland)和法国的塞尔日•阿罗什(Serge Haroche)。
获奖理由是他们创造的突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能。
大卫•维因兰德(David Wineland, 1944—),出生于美国威斯康辛州密尔沃基。
1961年，从加州沙加缅度的恩忻娜高中(Encina High School)毕业。
进入加州大学柏克利分校读本科，1965年得到学士学位。
之后，他以优异成绩转入哈佛大学攻读博士学位，导师是诺曼•拉姆齐(1989年诺贝尔物理学奖得主)。
1970年获得博士学位。
之后加入汉斯•德默尔特(1989年诺贝尔物理学奖得主)的研究团队，在华盛顿大学做博士后。
1975年，美国国家标准技术研究所聘请他为物理研究员。
在那里，他成为离子储存团队的领导人。
应用激光冷却离子技术，该团队制做出至2012年为止最准确的原子钟，比铯-133原子钟的频率标准还要精确两个数量级。
塞尔日•阿罗什(Serge Haroche, 1944—)，出生于摩洛哥的卡萨布兰卡，法国公民。
1967年毕业于巴黎高等师范学校。
1971年从巴黎第六大学(皮埃尔与玛丽•居里大学)获得博士学位，进入法国国家科学研究中心工作。
1975年后先后任皮埃尔与玛丽•居里大学物理学教授、巴黎高等师范学校教授、法兰西大学教授、量子物理学会主席。
对于大众来说，2012年物理学最重大的发现应该是欧洲核子中4(CERN)运行的大型重子对撞机(LHC)发现了粒子物理学家们寻找了几十年的“希格斯玻色子”，因此，英国科学家皮特•希格斯(Peter Higgs)获得本年度的诺贝尔物理学奖似乎是“众望所归”。
但希格斯教授未获今年诺贝尔奖的原因也很容易理解：每年诺贝尔奖的提名在当年的2月份就截止了，而彼时尚未确定发现希格斯玻色子；其次，每一届诺贝尔物理学奖的获奖人数不超过三人，如果授予有关希格斯玻色子的工作，那么获奖名单实在难以确定一一在实验方面，数以千计的实验人员在大型重子对撞机前工作数年，理应是发现希格斯玻色子的最大功臣；在理论方面，最早提出关于标准粒子模型理论的是比利时理论物理学家弗朗索瓦•恩格勒(Francois Englert)和罗伯特•布罗特(Robert Brout),在随后半年里又有六位科学家相继发表了相关的论文，而皮特•希格斯则是第一个预言在这个理论当中存在着一个尚未发现的基本粒子的人，这些科学家都对希格斯玻色子的发现做出了重要贡献。
历年诺贝尔物理学奖
历年诺贝尔物理学奖1、1901年：威尔姆·康拉德·伦琴（德国）发现X射线2、1902年：亨德瑞克·安图恩·洛伦兹（荷兰）、塞曼（荷兰）关于磁场对辐射现象影响的研究3、1903年：安东尼·亨利·贝克勒尔（法国）发现天然放射性；皮埃尔·居里（法国）、玛丽·居里（波兰裔法国人）发现并研究放射性元素钋和镭4、1904年：瑞利（英国）气体密度的研究和发现氩5、1905年：伦纳德（德国）关于阴极射线的研究6、1906年：约瑟夫·汤姆生（英国）对气体放电理论和实验研究作出重要贡献并发现电子7、1907年：迈克尔逊（美国）发明光学干涉仪并使用其进行光谱学和基本度量学研究8、1908年：李普曼（法国）发明彩色照相干涉法（即李普曼干涉定律）9、1909年：伽利尔摩·马克尼（意大利）、布劳恩（德国）发明和改进无线电报；理查森（英国）从事热离子现象的研究，特别是发现理查森定律10、1910年：范德华（荷兰）关于气态和液态方程的研究11、1911年：维恩（德国）发现热辐射定律12、1912年：达伦（瑞典）发明可用于同燃点航标、浮标气体蓄电池联合使用的自动调节装置13、1913年：卡末林－昂内斯（荷兰）关于低温下物体性质的研究和制成液态氦14、1914年：马克斯·凡·劳厄（德国）发现晶体中的X射线衍射现象15、1915年：威廉·亨利·布拉格、威廉·劳伦斯·布拉格（英国）用X射线对晶体结构的研究16、1916年：未颁奖17、1917年：查尔斯·格洛弗·巴克拉（英国）发现元素的次级X辐射特性18、1918年：马克斯·卡尔·欧内斯特·路德维希·普朗克（德国）对确立量子论作出巨大贡献19、1919年：斯塔克（德国）发现极隧射线的多普勒效应以及电场作用下光谱线的分裂现象20、1920年：纪尧姆（瑞士）发现镍钢合金的反常现象及其在精密物理学中的重要性21、1921年：阿尔伯特·爱因斯坦（德国）他对数学物理学的成就，特别是光电效应定律的发现22、1922年：尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔（丹麦）关于原子结构以及原子辐射的研究23、1923年：罗伯特·安德鲁·密立根（美国）关于基本电荷的研究以及验证光电效应24、1924年：西格巴恩（瑞典）发现X射线中的光谱线25、1925年：弗兰克·赫兹（德国）发现原子和电子的碰撞规律26、1926年：佩兰（法国）研究物质不连续结构和发现沉积平衡27、1927年：康普顿（美国）发现康普顿效应；威尔逊（英国）发明了云雾室，能显示出电子穿过空气的径迹28、1928年：理查森（英国）研究热离子现象，并提出理查森定律29、1929年：路易·维克多·德布罗意（法国）发现电子的波动性30、1930年：拉曼（印度）研究光散射并发现拉曼效应31、1931年：未颁奖32、1932年：维尔纳·海森伯（德国）在量子力学方面的贡献33、1933年：埃尔温·薛定谔（奥地利）创立波动力学理论；保罗·阿德里·莫里斯·狄拉克（英国）提出狄拉克方程和空穴理论34、1934年：未颁奖35、1935年：詹姆斯·查德威克（英国）发现中子36、1936年：赫斯（奥地利）发现宇宙射线；安德森（美国）发现正电子37、1937年：戴维森（美国）、乔治·佩杰特·汤姆生（英国）发现晶体对电子的衍射现象38、1938年：恩利克·费米（意大利）发现由中子照射产生的新放射性元素并用慢中子实现核反应39、1939年：欧内斯特·奥兰多·劳伦斯（美国）发明回旋加速器，并获得人工放射性元素40、1940—1942年：未颁奖41、1943年：斯特恩（美国）开发分子束方法和测量质子磁矩42、1944年：拉比（美国）发明核磁共振法43、1945年：沃尔夫冈·E·泡利（奥地利）发现泡利不相容原理44、1946年：布里奇曼（美国）发明获得强高压的装置，并在高压物理学领域作出发现45、1947年：阿普尔顿（英国）高层大气物理性质的研究，发现阿普顿层（电离层）46、1948年：布莱克特（英国）改进威尔逊云雾室方法和由此在核物理和宇宙射线领域的发现47、1949年：汤川秀树（日本）提出核子的介子理论并预言∏介子的存在48、1950年：塞索·法兰克·鲍威尔（英国）发展研究核过程的照相方法，并发现π介子49、1951年：科克罗夫特（英国）、沃尔顿（爱尔兰）用人工加速粒子轰击原子产生原子核嬗变50、1952年：布洛赫、珀塞尔（美国）从事物质核磁共振现象的研究并创立原子核磁力测量法51、1953年：泽尔尼克（荷兰）发明相衬显微镜52、1954年：马克斯·玻恩（英国）在量子力学和波函数的统计解释及研究方面作出贡献；博特（德国）发明了符合计数法，用以研究原子核反应和γ射线53、1955年：拉姆（美国）发明了微波技术，进而研究氢原子的精细结构；库什（美国）用射频束技术精确地测定出电子磁矩，创新了核理论54、1956年：布拉顿、巴丁（犹太人）、肖克利（美国）发明晶体管及对晶体管效应的研究55、1957年：李政道、杨振宁（美籍华人）发现弱相互作用下宇称不守衡，从而导致有关基本粒子的重大发现56、1958年：切伦科夫、塔姆、弗兰克（苏联）发现并解释切伦科夫效应57、1959年：塞格雷、欧文·张伯伦(OwenChamberlain)（美国）发现反质子58、1960年：格拉塞（美国）发现气泡室，取代了威尔逊的云雾室59、1961年：霍夫斯塔特（美国）关于电子对原子核散射的先驱性研究,并由此发现原子核的结构；穆斯堡尔（德国）从事γ射线的共振吸收现象研究并发现了穆斯堡尔效应60、1962年：达维多维奇·朗道（苏联）关于凝聚态物质，特别是液氦的开创性理论61、1963年：维格纳（美国）发现基本粒子的对称性及支配质子与中子相互作用的原理；梅耶夫人（美国人.犹太人）、延森（德国）发现原子核的壳层结构62、1964年：汤斯（美国）在量子电子学领域的基础研究成果，为微波激射器、激光器的发明奠定理论基础；巴索夫、普罗霍罗夫（苏联）发明微波激射器63、1965年：朝永振一郎（日本）、施温格、费因曼（美国）在量子电动力学方面取得对粒子物理学产生深远影响的研究成果64、1966年：卡斯特勒（法国）发明并发展用于研究原子内光、磁共振的双共振方法65、1967年：贝蒂（美国）核反应理论方面的贡献，特别是关于恒星能源的发现66、1968年：阿尔瓦雷斯（美国）发展氢气泡室技术和数据分析，发现大量共振态67、1969年：盖尔曼（美国）对基本粒子的分类及其相互作用的发现68、1970年：阿尔文（瑞典）磁流体动力学的基础研究和发现，及其在等离子物理富有成果的应用；内尔（法国）关于反磁铁性和铁磁性的基础研究和发现69、1971年：加博尔（英国）发明并发展全息照相法70、1972年：巴丁、库柏、施里弗（美国）创立BCS超导微观理论71、1973年：江崎玲于奈（日本）发现半导体隧道效应；贾埃弗（美国）发现超导体隧道效应；约瑟夫森（英国）提出并发现通过隧道势垒的超电流的性质，即约瑟夫森效应72、1974年：马丁·赖尔（英国）发明应用合成孔径射电天文望远镜进行射电天体物理学的开创性研究；赫威斯（英国）发现脉冲星73、1975年：阿格·N·玻尔、莫特尔森（丹麦）、雷恩沃特（美国）发现原子核中集体运动和粒子运动之间的联系，并且根据这种联系提出核结构理论74、1976年：丁肇中、里希特（美国）各自独立发现新的J/ψ基本粒子75、1977年：安德森、范弗莱克（美国）、莫特（英国）对磁性和无序体系电子结构的基础性研究76、1978年：卡皮察（苏联）低温物理领域的基本发明和发现；彭齐亚斯、R·W·威尔逊（美国）发现宇宙微波背景辐射77、1979年：谢尔登·李·格拉肖、史蒂文·温伯格（美国）、阿布杜斯·萨拉姆（巴基斯坦）关于基本粒子间弱相互作用和电磁作用的统一理论的贡献，并预言弱中性流的存在78、1980年：克罗宁、菲奇（美国）发现电荷共轭宇称不守恒79、1981年：西格巴恩（瑞典）开发高分辨率测量仪器以及对光电子和轻元素的定量分析；布洛姆伯根（美国）非线性光学和激光光谱学的开创性工作；肖洛（美国）发明高分辨率的激光光谱仪80、1982年：K·G·威尔逊（美国）提出重整群理论，阐明相变临界现象81、1983年：萨拉马尼安·强德拉塞卡（美国）提出强德拉塞卡极限，对恒星结构和演化具有重要意义的物理过程进行的理论研究；福勒（美国）对宇宙中化学元素形成具有重要意义的核反应所进行的理论和实验的研究82、1984年：卡洛·鲁比亚（意大利）证实传递弱相互作用的中间矢量玻色子[[W+]],W-和Zc的存在；范德梅尔（荷兰）发明粒子束的随机冷却法，使质子-反质子束对撞产生W和Z粒子的实验成为可能83、1985年：冯·克里津（德国）发现量子霍耳效应并开发了测定物理常数的技术84、1986年：鲁斯卡（德国）设计第一台透射电子显微镜；比尼格（德国）、罗雷尔（瑞士）设计第一台扫描隧道电子显微镜85、1987年：柏德诺兹（德国）、缪勒（瑞士）发现氧化物高温超导材料86、1988年：莱德曼、施瓦茨、斯坦伯格（美国）产生第一个实验室创造的中微子束，并发现中微子，从而证明了轻子的对偶结构87、1989年：拉姆齐（美国）发明分离振荡场方法及其在原子钟中的应用；德默尔特（美国）、保尔（德国）发展原子精确光谱学和开发离子陷阱技术88、1990年：弗里德曼、肯德尔（美国）、理查·爱德华·泰勒（加拿大）通过实验首次证明夸克的存在89、1991年：皮埃尔·吉勒德－热纳（法国）把研究简单系统中有序现象的方法推广到比较复杂的物质形式，特别是推广到液晶和聚合物的研究中90、1992年：夏帕克（法国）发明并发展用于高能物理学的多丝正比室91、1993年：赫尔斯、J·H·泰勒（美国）发现脉冲双星，由此间接证实了爱因斯坦所预言的引力波的存在92、1994年：布罗克豪斯（加拿大）、沙尔（美国）在凝聚态物质研究中发展了中子衍射技术93、1995年：佩尔（美国）发现τ轻子；莱因斯（美国）发现中微子94、1996年：D·M·李、奥谢罗夫、R·C·理查森（美国）发现了可以在低温度状态下无摩擦流动的氦同位素95、1997年：朱棣文、W·D·菲利普斯（美国）、科昂·塔努吉（法国）发明用激光冷却和捕获原子的方法96、1998年：劳克林、霍斯特·路德维希·施特默、崔琦（美国）发现并研究电子的分数量子霍尔效应97、1999年：H·霍夫特、韦尔特曼（荷兰）阐明弱电相互作用的量子结构98、2000年：阿尔费罗夫（俄国）、克罗默（德国）提出异层结构理论，并开发了异层结构的快速晶体管、激光二极管；杰克·基尔比（美国）发明集成电路99、2001年：克特勒（德国）、康奈尔、卡尔·E·维曼（美国）在“碱金属原子稀薄气体的玻色－爱因斯坦凝聚态”以及“凝聚态物质性质早期基本性质研究”方面取得成就100、2002年：雷蒙德·戴维斯、里卡尔多·贾科尼（美国）、小柴昌俊（日本）“表彰他们在天体物理学领域做出的先驱性贡献，其中包括在“探测宇宙中微子”和“发现宇宙Ｘ射线源”方面的成就。
量子测量
量子测量自量子力学诞生以来, 人们对微观世界运动规律的认识不断加深,但这种认识长期以来在很大程度上还带有统计性特别是对单量子态, 即量子体系中的单光子、单电子、单原子、单分子、凝聚态物质中的准粒子等单粒子量子态, 以及多粒子所形成的宏观量子态(如玻色一爱因斯坦凝聚态、超导或超流量子态), 进行量子测量和相互作用的研究还存在很多问题从上世纪90 年代开始, 法国科学家塞尔日.阿罗什(S er ge H aroc h e )与美国科学家大卫.维因兰德(D avi d W in ela n d ) , 在测量和操纵单一量子系统方面发明了开创性的实验方法。
他们独立发明并拓展出能够在保持个体粒子的量子力学属性的情况下对其进行测量和操控的方法, 这在以前都被认为是不能实现的。
他们为量子物理学开辟了实验新纪元的大门, 因而获得了20 12 年诺贝尔物理学奖他们在这方面的研究将在信息科学、量子计算机、光子钟研究方面孕育出重大的科学突破。
量子力学是通过波函数来描述微观世界的, 波函数包含了微观系统运动规律的全部信息。
要获得这些信息中任何一种, 都必须依据波函数借助经典仪器,进行测量, 如微观粒子的双缝实验。
但在未对粒子进行测量时, 粒子具有相干性, 这种量子相干性是微观世界的根本属性, 因而屏幕上呈现出粒子经过双缝后形成的干涉条纹，如果用仪器进行粒子的路径测量(which way),测出粒子是经由哪个缝到达屏幕, 干涉条纹就立即消失。
像这样使粒子失去相干性的现象,称为量子退相干, 由测量引起的量子退相干也称为波包坍缩。
在量子测量时,人们用经典测量仪器和被测量的量子系统产生相互作用, 并从测量仪器的状态读出被测量的量子系统的状态。
图1(a) 是进行路径测量前屏幕上显示出的双缝干涉条纹从图1 (b) 可以看到, 如果准确测出粒子的路径A C ,就意味着粒子在屏幕上的位置精确到x∆。
根据海森堡测不准原理, 粒子产生∆P （x∆- ）的动量扰动, 使粒子不能到达本该到达的屏幕上的位置, 从而使干涉条纹消失。
2012诺贝尔物理学奖
意义：
罗什和维因兰德的得奖连同1997年朱棣文 等人和2001年Ketterle等人得奖，标志着 原子分子和光物理（AMO）的最大特色— —量子操控。 它可以利用人类已经充分了解的原子和光子 来制造理想干净的量子系统。 是量子信息和量子模拟的最佳选择； 提供了精密测量各种物理量的最佳环境。
应用价值:量子信息。一串相同的离子可以同时囚 禁在四根柱子的中心，并连成一线，同时静电排斥 力让他们彼此有关联。这就是一个较为理想的实现 量子计算的系统。 1995年奥地利理论物理学家I. Cirac和P. Zoller 提出离子阱量子计算方案。 1995年年底，维因兰德在实验上实现了它。开创 了离子阱量子计算技术，通过增加囚禁的离子的数 量来增加量子比特的数量。被视为最有希望的量子 计算方案。
20世纪80年代，阿罗什用里德堡原子束通过高反射率的微波腔， 实现了微波频率的光子与里德堡原子不间断的相互作用。 里德堡原子指的是最外层电子处于非常高能级的原子，半径也达 到基态原子的1000倍以上。在阿罗什实验中，用的是最外层电 子处于n=50的能级的铷原子，而光子的频率为51赫兹，对应的 是铷原子n=50到n=51能级的跃迁频率。
2012诺贝尔物理学奖
Serge Haroche
David Wineland
大卫· 维因兰德：（David Wineland）
美国国家标准与技术局（NIST）物理实验室 研究员。
主要工作：光学领域，特别是用激光来冷却 在保罗阱（Paul trap）的离子、用陷俘离子 （trapped ion）的日· 阿罗什（Serge Haroche）：法国公民。法 兰西学院和巴黎高等师范学院教授。 主要成就包括：腔电动力学。
在腔体中观察到单原子自发辐射有所增强（1983） 直接监控到介观的量子态叠加（即薛定谔猫态）的退相干现象， 并实现了光子存储（1996） 通过操纵高Q值腔体中的原子和光子，完成了量子信息过程的许 多步骤，如产生原子-原子、原子-光子的纠缠态（1997） 实现单个光子的量子非破坏测量，将光子和原子作为“量子比特” 的量子逻辑门操作（1999）。
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他们 “ 提 出 了突破 性 的实 验 方 法 ， 使 测 量 和 操 控单
个 量 子体 系成 为 可 能． ”瑞 典 皇 家 科学 院认 为 ： “ 单 个 粒 子很难 从周 围环 境 中隔 离观 测 ， 一旦 它 们 与外 界发 生交互 ， 通 常会 失去神 秘 的量子性 质 ， 使 得量 子
摩 洛 哥 卡萨 布 兰卡 ． １ ９ ７ １年 从 巴黎 第 六 大 学 获 得 博 士 学 位 ． 现
为法 兰 西学 院 和 巴黎 高 等 师 范 学 院 教授 ．
理学 实验领 域 的新 时代． 使 科 学 日益接 近 描 述 一个
真实 的量子 世界 ． （ 本 刊 资料 室）
大 卫 ・维 因 兰 德 （ Ｄａ ｖ ｉ ｄ Ｊ ．Ｗ ｉ ｎ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ） ， 美 国． １ ９ ４ ４年 出
塞尔日・ 阿罗什（ Ｓ ｅ ｒ ｇ ｅ Ｈａ ｒ ｏ ｅ ｈ ｅ ） ， 法国． １ ９ ４ ４年 出 生 于
碎 片 的测 量 和控制 ， 突破 了以 前人 们 认 为 单个 微 粒 无 法被 直接 观测到 的看法 ． 这套 方法 允许 他们 检验 、 控制并计 算粒 子．
阿罗什 和 维 因兰 德 的研 究 成果 ， 开 辟 了 量 子 物
对 于单个微 粒 （ 电子 、 光子 或其他 物质 粒子 ） 来 说， 经典 物理 学 已不适用 ． 但要 从环 境 中分离 出单个 微粒非 常 困难 ， 而且， 微 粒一 旦 融 入 外在 世 界 ， 其 神 秘 的量 子性 质便会 消失 ． 因此 ， 许多 通过 量子 物理学 推测 出来 的现象 看似荒诞 ， 也 不能 被直 接观测 到 ， 研
者通 过实 验 ， 能够直 接 观 察单 个 粒 子 却 不对 其 产 生 破坏 ， 开辟 了量 子物 理学 实验领 域 的新 时代 ． ”
光子的特性 ， 实现了操纵单个光子． 而维因兰德则制
造 出 了一 个离 子阱 ， 先用光 来俘 获离 子 ， 然后 用 激光
冷 却离子 ， 进 而对离 子进行 测量 和控 制． 利用 上 述实 验 方 法 ， 他们 成 功 地 实现 了对量 子
２ ０ １ ２ 年第 １ １ 期
物 理通报
科 学前 沿
前 沿
开 辟 量 子 物 理 学 实 验 领 域 的 新 时 代
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２ ０ １ ２年 诺 贝 尔 物 理 学 奖揭 晓
２ ０ １ ２年诺 贝 尔 物 理学 奖 授 予法 国科 学 家塞 尔 日 ・阿罗什 和美 国科 学 家 大卫 ・ 维 因兰德 ， 以 表彰
物 理 学 中很 多 奇 特 现 象 无 法 被 观 测 到 ． 但 两 位 获 奖
这些 荒诞 的现象 （ 测不 准 关 系 、 量 子 几 率 特性 、 量 子 关联 性等 ） ． 所以， 一个 世纪 以来 ， 关 于量 子世 界 的性 质一 直争论 不休 ， 特别 是爱 因斯坦 与玻 尔 的争论 ． 阿罗 什 和维 因 兰德 与研 究 小 组一 起 ， 创建 了一 种 巧妙 的实验方 法 ： 阿罗 什 的工 作 是 打造 出一 个 微 波腔， 借 助单个 原子 在 微 波 腔 中会 辐 射 或 吸 收单 个
生 于 美 国 威 斯 康 星 洲 密 尔 沃基 ． １ ９ ７ ０年 从 哈 佛 大 学 获 得 博 士
学位． 现 供 职 于 美 国 国 家标 准 与技 术 研 究 院 和 科 罗 拉 多 大 学 波尔得分校．
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