矢沢科学事务所编著的《诺贝尔奖中的科学：物理学奖卷》从最近30年的诺贝尔物理学奖获奖者当中甄选出16位“科学巨星”，让我们一起来看看他们的探索之旅、他们的喜怒哀乐和酸甜苦辣，看看那些公众注意力之外的故事和情节……

本书收录的十六获奖者中，多数人如书里所写的一样，把自己的毕生都献给了这些研究事业，并取得了值得诺贝尔奖彪炳青史的伟大成果。读者们可以通过本书来了解这些科学家的研究领域和人生轨迹。

诺贝尔奖是这个时代最富有神秘色彩的科学奖项了。获得这一无上荣誉的科学家们，有的原本默默无闻，获奖之后便声名鹊起、妇孺皆知，有的本来就是各媒体争相报道的知名学者，所到之处人们无不仰慕追随。他们的成长、性格、人生经历不一而同，最终却都得到了诺贝尔奖的青睐。为什么是他们获得了诺贝尔奖、他们的研究成果意味着什么？《诺贝尔奖中的科学：物理学奖卷》从最近30年的诺贝尔物理学奖获奖者当中甄选出16位“科学巨星”，让我们一起来看看他们的探索之旅、他们的喜怒哀乐和酸甜苦辣，看看那些公众注意力之外的故事和情节……

《诺贝尔奖中的科学：物理学奖卷》适合广大青少年、科研工作者、关注科学最高奖项诺贝尔奖的人们，以及所有热爱科学的读者阅读。

本书由矢沢科学事务所编著。

第1章 2008年诺贝尔物理学奖

 南部阳一郎

 文雅先生的“对称性自发破缺”

第2章 2008年诺贝尔物理学奖

 小林诚

 益川敏英

 宇宙中物质存在原因：“CP对称性破缺”来自日本的答案

第3章 2007年诺贝尔物理学奖

 皮特·克鲁伯格

 阿尔伯特·费尔特

 “巨磁阻”的发现所带来的技术革新

 诺贝尔奖获奖者采访录①：皮特·克鲁伯格

第4章 2003年诺贝尔物理学奖

 安东尼·莱格特

 超低温和超流的量子力学世界

第5章 2002年诺贝尔物理学奖

 小柴昌俊

 向“中微子天文学”的诞生迈出一大步

第6章 2001年诺贝尔物理学奖81

 卡尔·韦曼

 埃里克·康奈尔

 沃尔夫冈·克特勒

 冷却再冷却、冷却到极限：宇宙最低温度的探求

 诺贝尔奖获奖者采访录②：卡尔·韦曼

 诺贝尔奖获奖者采访录③：沃尔夫冈·克特勒

第7章 2000年诺贝尔物理学奖

 杰克·基尔比

 集成电路(IC)的发明引领21世纪的技术

第8章 1987年诺贝尔物理学奖

 亚历山大·穆勒

 乔治·柏诺兹

 高温超导的展望

第9章 1984年诺贝尔物理学奖

 卡罗·卢比亚

 发现传递弱相互作用介子的“大科学男人”

第10章 1983年诺贝尔物理学奖

 威廉·福勒

 星尘·重金属元素是怎么产生的

第11章 1983年诺贝尔物理学奖

 苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡

 探索白矮星和黑洞奥秘的印度物理学家

诺贝尔物理学奖获奖者一览表(1901～2008年)

主要参考文献与资料

我们来举一个浅显的例子，圆形是一个最具有对称性的平面图。在纸上画一个圆，以这个圆的圆心为中心，旋转任意角度都和原来的圆一模一样，不会出现任何凹下去或者凸出来的地方。在这种情况下，圆对于旋转这爪操作来讲是不变的，也就是“保持了旋转对称性”。

但是，对于正方形来说，并不是旋转任何角度都能和原来的图像重合。只有在旋转90度的时候才能和原来的图形完全重合，同样的操作进行4次就能完全回到原来的状态，也就是说正方形是“四次对称”图形。像这样，如果只有在进行对某一个基本数值的整数倍操作的时候对称性才会成立时，我们称之为“离散对称”。离散，也就是间隔的、不连续的意思。以上也只是针对旋转这个操作的对称性的例子。

另外，一个图形被映照在镜子里的时候，如果镜子里面的图形和原图形完全一样，那么这种对称就叫做“镜像对称”。把一个单纯的图形沿着中心线对折，或者被映照在镜子里，都还是左右对称的图形。但是，比如老式挂钟有长短两根针，如果照在镜子里，3点就会被看成9点。但是，如果再用镜子反射一下，表针指示就会翻转过来又变成3点。也就是说，镜像对称也是一种离散对称。

刚才的例子，都是关于平面图形的例子。小林一益川理论里面的对称性是一种把这种简单的对称性延伸向更加宽广领域里的“CP对称性”。C是电荷共轭的缩写，简单地说也就是正粒子反转成为反粒子。

在这里我们以分别带正负电荷的粒子对，比如说质子和电子为例。这两者之间有电磁相互作用，电子围绕质子旋转。假设这两者的电荷被互相交换，只要电荷量不变，这种关系就不会改变。像这样的电荷交换，也就是进行了把粒子转变成反粒子的操作(电荷共轭变换，即C变换)也不会发生变化的性质被称为“C对称性”。

另一方面，P是由宇称变换引起的对称性，也就是P对称性。这种对称性，就像刚才举例说明的一样，是物理现象映照在镜子里被反转了，但其性质仍然不变的对称性，也就是空间反演对称性。另外，宇称(parity)这个词被用在在很多领域里，都表示同等、等价、均一的意思。CP对称性就是这两种对称性同时成立的状态。

通常我们用肉眼能看到的宏观尺度的物理现象，即使被映照在镜子里，镜子里影像的变化过程也看不出来。人体照在镜子里，那么左右手可能看上去是反过来的，但是自然界里的物理现象基本上是没有偏差，左右是对称的。基本粒子衰变之后，放出光子的时候不会偏向特定的方向。两个光子作为一对放出来的时候，一个光子的自旋(自旋角动量)是右旋，那么另一个一定是左旋。

以前，人们普遍认为C对称、P对称的守恒是这个宇宙本来就有的性质，不会存在例外。至少在我们的肉眼能看到的宏观世界里面，引力和电磁力支配着所有的物理现象，C对称、P对称是毋庸置疑的公理，这也是物理学界的大前提。

但是，随着物理学的发展，整个宇宙里除了支配着宏观领域的引力和电磁力之外，只有在原子、基本粒子等微观领域里起作用的另外两种力，也就是弱力和强力的存在被发现之后，这种对称性的守恒定律就开始爱到挑战．

◆为什么宇宙中会存在“物质”？

1956年，最初发现这个问题的是两位美籍华人，普林斯顿研究所的杨振宁和哥伦比亚大学的李政道。他们注意到在和弱力相关的现象里面，有一种未知的基本粒子通过弱相互作用衰变、产生2～3个丌介子的现象。在这种情况下，如果P对称性保持不变，衰变之后产生2个丌介子和产生3个丌介子的粒子应该不是同一种粒子。但是，他们对加速器轰击实验所给出的数据进行反复研究之后发现，两种衰变都起源于同一种叫做K介子的粒子。这种矛盾说明了一个事实，那就是在弱力作用的领域里面，至少存在一部分P对称性破缺的地方。

他们的预言，在第二年里由被称为“中国的居里夫人”、“物理学第一夫人”的美籍华人女物理学家吴健雄证实了。吴健雄发现，通过弱相互作用放出中微子的钴60原子核的衰变过程中，所放出来的中微子全部是左旋的，没有发现一例右旋中微子。也就是说，在这一衰变过程中出现了宇称不守恒的现象。

这个发现看上去微不足道，但实际却是意义重大。之所以这么说，是因为它清楚地告诉我们，这个宇宙在最基本的结构上可能存在左右不对称和不均衡的事实。

但是，反过来仔细想想，我们生活的这个宇宙其实本身就应该有着非常复杂的结构。宇宙的所有物质都由原子构成，原子是由带正电荷的质子和不带电荷的中子，还有带负电荷的电子构成的。在20世纪初，这一点作为常识谁也没有怀疑过它。

但是1928年，英国的保尔·狄拉克在研究带电粒子的相对论运动方程时得出了一个奇妙的结论。他发现，粒子的电荷不管是正还是负，这个方程的形式都不会改变。这就说明，在这个宇宙里即使存在带着正电荷的正电子，或者带着负电荷的反质子，那也不是什么奇怪的事情。

由于狄拉克得出的这一结论大大背离了当时的物理学常识，最初大家认为那只是个空论。但是1932年，在从宇宙空间射到地球上的高能宇宙射线中人们发现了正电子，终于证实了狄拉克的预想是正确的。

从此之后，宇宙论这个领域里又多了一个重大的课题。也就是说，在宇宙诞生的时候，无论产生的基本粒子是我们熟知的普通粒子(正粒子)，还是带有与之相反电荷的反粒子，都有可能。但是，这时候如果C对称性保持不变，那么所产生的粒子中，正粒子和反粒子应该各占一半。于是，刚刚产生的正反粒子就互相抵消湮灭，然后都变成能量，宇宙中就不会残留有任何物质。

然而，实际上宇宙有无数的由正物质组成的星球，银河，我们从来就没有看见过由反物质组成的星球和银河。这究竟是为什么呢？ 宇宙诞生的时候，或许有等量的正物质和反物质产生，但是之后因为某种机制的作用而产生了正物质领域和反物质领域，或许我们生存的空间恰好是宇宙中正物质集中的地方？ 再或许从这个宇宙诞生之时起，对称性已经破缺，产生的正物质比反物质更多，甚至从最初开始只存在正物质……

基本粒子物理学家们对对称性的破缺问题的探索，实际上也就是在探求物质世界存在的理由。P20-23

自1901年第一次颁奖以来，诺贝尔奖已经有将近110年的历史了。这期间，人类社会经历了第一次世界大战、第二次世界大战、经济危机和长达数十年的东西方冷战，几度处在大动乱、经济低迷和紧张对抗的时代，这些动荡对诺贝尔奖的历史都产生过看得见或看不见的影响。

尽管如此，如今重温这些已经逝去的时代，我们发现，诺贝尔奖作为对在科学领域做出重大贡献的科学家们的最高奖项，这个世界上家喻户晓的荣誉同20世纪初直至21世纪科学技术的主要发展历史和重大事件基本上保持了一致，尤其是物理学、生理学或医学和化学这三个领域的授奖，简直就像是在重现过去一个多世纪以来的科学史。

如大家所知道的，诺贝尔奖是根据19世纪瑞典化学家、工程师和发明家，同时也是一家世界著名武器制造公司(博福斯公司)的老板阿尔弗雷德·诺贝尔(Alfred Nobel)生前的遗愿设立的。诺贝尔发明了使用安全的炸药。这种炸药立即被用在土木工程和战争中，并在全世界得到推广，他也因此积累起巨大的财富。诺贝尔于1896年12月10日因心脏病发作在意大利圣雷莫逝世，享年63岁。逝世前一年，他在法国再次修改了以前已经多次修改过的遗嘱，并在上面签下自己的名字。那份遗嘱指明将他的遗产的大部分用来设立诺贝尔奖(他没有提到用自己的名字命名)，不分国籍，每年把此项奖状连同奖金授予“为人类做出杰出贡献的人”。

按照诺贝尔财团公布的资料，诺贝尔逝世时留下的作为诺贝尔奖基金的遗产为3100万克朗，相当于现在的数百亿日元。作为一名成功的实业家，诺贝尔还在遗嘱里具体要求，应该把这笔基金进行除股票、不动产投资之外的低风险投资，将投资利润用作奖金和相关事务的经费。

诺贝尔为什么要对自己的遗嘱进行如此重大的修改呢？这大概同他还活着的时候看到法国报纸的一条假消息有关。那条误传诺贝尔死亡的消息称：“制造死亡的商人死了。因发明能够以前所未有的速度杀死更多人的方法而致富的阿尔弗雷德·诺贝尔博士于昨日去世”。诺贝尔没想到因为炸药的发明而受到如此的谴责和诋毁，他备受打击。因此，有人认为诺贝尔是希望自己在死后能够得到较高的社会评价才在死前对遗嘱做出了重大修改，这种说法也是有道理的。

根据诺贝尔财团的有关记录，诺贝尔去世后，他的遗嘱收到了外界各种各样的怀疑、批判和议论。尽管如此，为了执行他的遗嘱，不久之后的1897年4月诺贝尔财团正式成立，并相继完成了建立管理基金和选拔获奖者的独立机构，以及选定举行授奖仪式的场所等工作。1901年的第一次授奖，被选拔出来的获奖者共有6位，其中物理学奖1人，是发现×射线的威廉·伦琴(Wilhelm Roentgen)。其他5位获奖者是化学奖、生理学或医学奖和文学奖各1人，和平奖2人。

然而，这样诞生的诺贝尔奖当然不会只有辉煌和平静祥和。如前面所提到的，两次世界大战和经济危机曾经多次使全球笼罩在阴影之中，而早期的那些获奖者又明显地偏向于欧美人，诺贝尔奖评选自然会有未必反映诺贝尔真实意愿的一面。不过，在一个多世纪的历史中，诺贝尔奖不仅遴选出来许多不愧为世界科学精英代表的获奖者，而且它独立性越来越高的运行机制和获奖者选拔的过程也已经使它经得起更加严厉的挑剔。如今，诺贝尔奖已经是一项既显示了公平性又显示了权威性的真正代表国际荣誉的成熟奖项。

诺贝尔奖还推动其他国家效仿并设立了类似的奖项。挪威很早就以国王的名义设立了一项专门授予数学家的阿贝尔奖(Abel Medal)，还有加拿大设立的菲尔兹奖(Fields Medal)也是以数学家为对象的。因为诺贝尔奖中没有数学领域的奖项，因此这两个数学奖一直被誉为数学界的诺贝尔奖。日本在20世纪80年代设立的“日本国际奖”和“京都奖”则是以诺贝尔奖为原型设计的两个国际奖项，奖金数额也和诺贝尔奖的奖金差不多。

现在的诺贝尔奖设有物理学奖、化学奖、生理学或医学奖、经济学奖、文学奖以及和平奖共6个领域的奖项(经济学奖是20世纪60年代由瑞典中央银行出资设立的，与原来的5个诺贝尔奖项分开单独管理)。这套丛书介绍了属于科学领域的3个奖项——物理学奖、化学奖、生理学或医学奖，再加上经济学奖共4个诺贝尔奖的部分获奖者们。按照出版计划，本书是此套丛书的第一卷，重点介绍了最近30年来物理学奖的主要获得者们和他们的研究成果。

至于为什么只介绍最近30年来的获奖者，这里需要做一下说明。

说起20世纪以来的著名科学家(这里仅限于物理学家)，读者们一定会想到阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)、居里夫人(MarieCurie)、维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)和恩里科·费米(EnricoFermi)、日本的汤川秀树(Yukawa Hideki)、朝永振一郎(Tomonaga Shinichiro)这些人的名字。这些响当当的物理学家全都是诺贝尔奖获得者，他们早已经为现代社会所承认和熟悉，并有各种各样的出版物在介绍他们的研究成果和科学生涯。然而，时代在前进，不可否认的事实是，新的诺贝尔奖获得者的名字和他们的研究成果还没有得到社会的普遍认识和理解。大众媒体对近年来的诺贝尔奖获奖者和他们的研究内容介绍不多，也反映了这个事实。

一般说来，前面提到的这些名气非常大的科学家的成果大多属于基础研究和理论研究的内容，而近年的获奖者，他们的研究内容实用性都比较强，也就是说，有向现实社会回归的趋势。这个特点可能也影响到了普通媒体的报道取向。不管哪一种情况，早期和近期的诺贝尔奖的评奖都体现着科学技术一步一个脚印的进步，都扩充着人类关于自然界的知识，在对人类文明发展的贡献这一点上，都同样起着巨大的推动作用。

出于这种考虑，本书(全套丛书也是如此)将关注点投向了主要是20世纪80年代以后的那些诺贝尔奖获得者们(包括这一时期获奖的所有日本科学家)，尤其是其中影响最大的十几位科学家和他们的研究成果。为了写作这本书，编著者还对海外的若干位诺贝尔奖获得者进行了面对面的采访，希望尽可能真实地向读者介绍他们的情况。

本书最后将诺贝尔奖设立以来的全部获奖者汇总在一起，逐一扼要介绍了他们的生平和研究成果。在一定意义上，这个小结也可以说是一个多世纪以来相关学科领域的一部简要发展史。具体到本书，这个小结或许能够为读者提供一个从总体上了解近代物理学的简便工具。

拿到这本书的读者，如果在知道了这些作为现代科学领头人的诺贝尔奖获得者们的精神面貌，并在接触到他们的那些乍一看似乎很难搞懂的研究内容(当然有一部分内容真的很难搞懂)之后，能够多少增加一点对科学世界的兴趣的话，便是我们这些撰稿人、编辑和发行人员最高兴不过的事情了。

编著者：矢沢洁

这本书以平实的笔触勾勒出十几位诺贝尔物理学奖得主的科学人生，成功地还原了他们在追求真理的路上书剑飘零、永不放弃的英雄本色。

——“伪老派知识分子”、“职业理论物理学家” 邢志忠教授