这一次,搞懂99%的物理学(下)

2017-04-07  阿里山图...

摘要 --由于微信文章最多只能写两万字,所以上篇我们讲到20世纪以前的研究成果,也就是把经典物理的科学家总结完了,这一篇我们继续总结下半篇,就是20世纪开始基本都是跟量子力学有关的领域了,想看上篇的朋友请看这里:

-- 量子力学&量子场论 --海森堡(Werner Heisenberg,1901 - 1976)

    

我认为海森堡是这帮搞量子力学的奠基人里面最为暴力的一位。除了他1927年的“测不准原理”以及他对量子学的整个一套体系的构筑,简直是量子力学的一次再度被发明。他1932年得的诺贝尔奖,为了表彰他“创造”了量子力学,所以他对量子力学的贡献是极为伟大的。

几乎所有学量子力学的本科生都从薛定谔的波函数的角度开始学起的,其实这个学习方法非常的不科学,说实话薛定谔的波函数方法只是量子力学的一种特殊情况的表述而已,如果整天纠结波函数的话,就学不到量子力学的本质,学来学去就变成在学解微分方程了。

海森堡的量子力学表述完全是现代的“Operator”和“Bra”和“Ket”的Vector Space表述,当然所谓的bracket的表述,狄拉克的功劳是功不可没的。这就让量子力学有了更加清晰的物理图像,而且测不准原理也可以从这套表述里面很清晰得得出。
海森堡的数学能力也是暴力倒不行,当年他做学术论文的时候导师让他去做“湍流”,这个“湍流”问题是个到现在都没解决的问题,当年据说海森堡虽然也没有最终算出来,但是因为怼这个问题怼了很久,居然貌似发明了很多数学方法。

人生污点是他曾经是纳粹德国研究原子弹的负责人,但是最后审判的时候他说纳粹之所以没有造出原子弹是他故意算错的就是为了帮盟军。不过也确实,他犯得错误作为他这样神牛级的人来说确实太不应该了,所以到底是怎么回事呢?他自己可能都说不清楚。

普朗克(Max Planck,1858 - 1947)

 

普朗克是在还没有量子力学概念的时候,第一个使用了“量子”概念的人。当时所谓悬在物理学大厦顶上的两朵乌云之一的“黑体辐射”问题是非常困扰整个物理学界的。

在量子力学和相对论还没有被发明的时候,当时的物理学家天真的以为到了麦克斯韦的电磁方程组和玻尔兹曼的统计力学以后,物理学就要被研究透了。但是当时有一个用当时的理论无论如何都解释不了的现象,就是所谓的黑体辐射问题。就是你去加热一个物体,我们生活经验,一个块铁被烧了会变红,也就是这个随着温度的变化,这个物体辐射的颜色谱也会有变化,实验出来的曲线是一个两头小,中间大的曲线,但是当时的理论怎么都算不对结果。
普朗克开创性地提出,如果把辐射出来的光的能量不想成是连续的,而是只能取一个最小的能量量子的整数倍的值的话,可以得到无比精确的和实验相符合的数值。这是第一次在物理学中被引入量子的概念。
所以普朗克可以被认为是整个量子力学的第一个奠基人。

薛定谔(Erwin Schrodinger,1887 - 1961)

   

薛定谔最出名的应该就它那只“薛定谔的猫”,这个其实是薛定谔用来说明波函数概念的一个思维实验。

薛定谔的主要贡献就是用所谓的概率波函数来描述微观系统的量子状态。这个相信大家高中都学过所谓的电子云。也就是在微观尺度下量子粒子遵循量子力学的规律,再也不像经典粒子那样,你可以用一套理论精确地描述它的运动。相比之下,在量子条件下,粒子的运动是用所谓的概率波来描述。

也就是说,你不能说一个粒子在几分几秒以什么样的速度什么样的方向出现在什么地方,你只能描述一个粒子在几分几秒以某种速度以及某个方向在某地附近出现的概率是多少。
当然其实海森堡的矩阵描述才是对量子力学更加全面的描述方法,但是薛定谔的概率波描述始终才是先驱。然后他给出了著名的用来描述量子系统运动的所谓的“薛定谔方程”,如下:

   

解出这个方程,就能够从概率上描述以及预言量子系统的运动了。以及据说这个方程是薛定谔和老婆吵架跑到一个岛上跟小三幽会的时候想出来的。

波尔(Niels Bohr,1885 - 1962)

    

波尔是哥本哈根学派的扛把子,他其实研究了很多关于原子物理的东西,比方说电子到底是怎么在原子核周围运动的,他其实离量子力学很近很近了。他的模型是电子绕原子核的运动和地球绕太阳运动一样也是个圆周运动。但是这个运动的轨道不是任意半径的,而是电子的角动量必须是量子化的,这样就能够解出跟实验相符的电子的能级。

但这依然是一个半经典的理论,有点治标不治本,也不能从根本上解释为什么圆周运动的电子不辐射电磁波。波尔也跟爱因斯坦有过所谓的世纪辩论,大概就是在争论量子力学的本质,上帝扔不扔骰子,最后算是波尔占了上风。
波尔跟他的兄弟还是乙级联赛的足球运动员,波尔是守门员,据说成绩还很不错。当时说吵学术架的时候,会有波尔的球迷出现帮助波尔助阵。没有把波尔算作神级的物理学家,主要原因还是似乎波尔没有做出一个总结性的大理论,都是很具有开创性,很具有启发性的中型理论。

泡利(Wolfgang Pauli,1900 - 1958)

     

泡利跟波尔的情况比较类似,但是泡利的发现要比波尔的牛逼一些,毕竟泡利的泡利不相容原理,以及关于自旋的理论,是关系着自然界的物质结构的本质的。

泡利是个奥地利理论物理学家,最重要的贡献是“泡利不相容原理”,这个原理讲的是,所有自旋为半整数的粒子,都没有办法以同样的量子状态存在于同一个物理系统中。简单来说就是一个物理系统当中有不同的坑,这些坑只能放一个自旋为半整数的粒子,第二个就放不进来了。
后来这个理论被费米和狄拉克深入研究,做出了费米-狄拉克统计,于是这种自旋为半整数的粒子被称为“费米子”,没有被叫做“泡利子”,还真是可惜。

狄拉克(Paul Dirac,1902 - 1984)

我认为在数学功底和计算能力上,20世纪最强的就是狄拉克和海森堡,爱因斯坦反而是神级物理学家当中数学垫底的。

狄拉克是个英格兰人。担任过剑桥大学的卢卡斯尔数学教授,这个职位牛顿和霍金也做过。是非常高端的一个职位。狄拉克是量子力学的早期最重要的奠基人之一。其他物理学家做研究主要靠物理直觉。但是狄拉克是个数学巨牛逼的物理学家,感觉他做物理的方式是“哥就是数学好”,可以用各种高端的数学把问题解决。
有一个著名的函数叫做狄拉克Delta函数,这个函数在0的地方是无穷大,其他地方都是0,积分就变成了1,就是Dirac发明出来,应该是用来研究点电荷的。

德布罗意(Louis de Broglie,1892 - 1987)

     

德布罗意的主要贡献是提出了所谓的物质波,也就是所谓的“波粒二象性”,并且因此得了一个诺贝尔奖,这个简直是世界上最水但是最有水平的诺贝尔奖没有之一。这个德布罗意波的公式是这样的:

   

话说这个德布罗意当年是个法国的官二代,一开始是学文科的,后来跟风,觉得学物理才是最酷炫的,就跑去读了一个物理博士,但是这个花花公子,也不好好学习,那么多年下来,也没学出什么靠谱的事情。但是毕业有压力就写了一篇只有一页半的博士论文,里面写的啥也是不知所云。结果当时的导师很为难,因为这破玩意实在是没法毕业,但是这可是领导的儿子,还是要给面子,于是导师把球踢给了爱因斯坦,把论文寄给了爱因斯坦看。爱因斯坦说了一句,这个很“interesting”,其实吧,interesting可能就是呵呵的意思。结果学校说,爱因斯坦都觉得你interesting了,就给毕业吧。最后发现这个算是个歪打正着,还真的给懵中了,所谓的波粒二象性就是来源于这个德布罗意的“物质波”。

费曼(Richard Feynman,1918 - 1988)

    

费曼被誉为爱因斯坦之后最富有魅力的物理学家。费曼是个美国人,应该也是真正意义上美国本土第一个顶级物理学家。费曼年轻的时候就是当年美国的原子弹研究的“曼哈顿计划”的参与者。
费曼有很多他小时候开脑洞的故事,一个故事是他在上物理的时候通过问一大堆看似弱智的问题最后居然研究出来了直到今天还一直被人广泛应用的“路径积分”,这个路径积分真的是物理学家做计算时候的福音。这个路径积分,提供量子学的一种全新的表述和阐述方法。
费曼也是诺贝尔奖获得者,他的主要成就在量子电动力学。费曼是一个物理直觉非常强的物理学家,不喜欢用繁复的数学公式。比方说费曼发明的费曼图方法,用来算量子系统的电子相互作用可谓真的是简单又直观,没有费曼图的时候大家只能暴力地去很艰难地解很崩溃的积分。虽然费曼的诺奖是跟当年哈佛的教授Schwinger分享的,但是据说这两人平时非常不爽对方。Schwinger数学技术非常高超,但是对费曼不知道是看不顺眼呢还是嫉妒呢,导致他从来不在课上讲费曼的费曼图,导致当年哈佛的学生没有人一个人学过费曼图,尽管当今的物理学教学当中费曼图已经是至关重要的东西了。
费曼除了是个优秀的物理学家,也是一名出色的教师,他当年在加州理工学院任教时期的讲义,就是闻名世界的《费曼物理讲义》,至今还是物理学生们的学习至宝。

费曼还是个音乐爱好者,非洲鼓打得非常棒,据说他可以在两只手上打出17对18的错拍比率。

埃伦费斯特(Paul Ehrenfest,1880 - 1933)

   

主要的研究领域在统计力学和量子力学,把很多统计力学的概念引入了量子力学,他的研究算是非常高产的,但是重要性和开创性都还没有达到开山立派的程度。聪明才智极高,可能运气不是那么地好,跟统计力学的大牛玻尔兹曼是好基友。他也是德国哥廷根学派的重要代表人物之一。

波恩(Max Born,1882 - 1970)

    

这位波恩的情况跟上面的埃伦费斯特还比较类似,虽然很有名气,也做出过很多科学成果,但是并没有什么划时代的理论或者贡献,主要是在统计力学和量子力学的领域做出了不少成果,一个很重要的贡献是跟下面说到的奥本海默的一个所谓的“波恩-奥本海默近似”,就是说在固体中研究的电子和原子核是可以分开研究不考虑他们之间的局域相互作用的。不用考虑电子对原子核的影响,只要把原子核当做提供势能的势能井就好。同时他也是个优秀的老师,有很多不错的学生。

萨默菲尔德(Arnold Sommerfeld,1868 - 1951)

   

这位哥的主要物理成就是在原子结构方面的一些比较细节的成就比方引入了第二和第四量子数等等。但是他是一个超级牛逼的老师,海森堡和泡利这两位神牛级人物都是他的学生,他的学生当中得诺贝尔奖的人数不胜数。

施温格(Julian Schwinger,1918 - 1994)

    

与费曼不相上下的同时代的物理学家,上面说了跟费曼其实互看不爽。Schwinger的数学天赋要比费曼高出不少,计算能力也是一等一的超强。也是《生活大爆炸》当中谢耳朵的原型之一,因为对量子电动力学的研究跟费曼一同获得诺贝尔物理学奖。开什米尔(Hendrik Casimir,1909 - 2000) 真空中放置两块金属板,当两块金属板很靠近的时候,纳米数量级,会感受到力,完全是起源于量子效应的力。戴森(Freeman Dyson,1923 - )  量子电动力学大咖。

依辛(Ernst Ising,1900 - 1998)经典量子力学模型,方格晶体矩阵,相邻电子之间的自旋有相互作用。里德堡 (Johannes Rydberg,1854 -1919)里德堡常数,电子在原子核边上的不同能级之间跃迁会释放出不同能量的光子,具体计算是:

 

斯莱特 (John C. Slater,1900 - 1976)
用来计算多费米子系统的斯莱特行列式:

朝永振一郎(1906 - 1979)与费曼以及Schwinger共同获得的诺奖的量子电动力学大咖。汤川秀树 (1907 - 1981)“汤川势”的提出者,诺奖获得者,是京都大学的教授,据说当年还是个自学成才。惠勒(John Archibald Wheeler,1911 - 2008)著名的“单电子宇宙”理论提出者,黑洞、广义相对论大咖。维恩(Wilhelm Wien,1864 - 1928)用来描述黑体辐射强度的维恩位移定律:

齐曼(Pieter Zeeman,1865 - 1943)齐曼效应,在原子外加磁场之后,原子的能谱会分裂成不同的部分。

-- 相对论&宇宙学 --

爱因斯坦(Albert Einstein,1879 - 1955)

如果说古往今来哪个物理家最伟大,应该分成两派人,一派是认为是牛顿,一派人认为是爱因斯坦。我认为两个人的伟大程度差不多,其实对人类的启示都不小,牛顿对人类的贡献是首次用定量的方法来研究物理,而且这个定量的方法是所有理论物理的基础。
爱因斯坦的伟大自然是在他的相对论,相对论给我们相对的时空观,可谓是一件非常开脑洞的事情。当然爱因斯坦的研究成果有非常多,有光电效应、布朗运动,而且在量子力学上面爱因斯坦也做过不少工作,有所谓的EPR悖论。其实爱因斯坦到死都不相信量子力学的随机性,也就是他最著名的言论:“上帝是不掷骰子”的。
狭义相对论给出了相对的时空观,爱因斯坦自己概括说相对论就是:“你在火炉上待了两分钟,感觉上像两个小时,但是跟美女待在一起两个小时就像只过了两分钟”。这个话其实是话糙理不糙。大致就是告诉你,时间其实是个相对概念。根据狭义相对论,高速运动的物体相对静止的观察者的质量会变大,长度会变短,而且运动的物体的时间流逝的会比地上静止的时间流逝得慢。
广义相对论给出了时空是可以在质量的作用下弯曲的,天体之所以会绕着互相作椭圆运动,本质上不是受到了引力,而是星体的质量把周围的时空弯曲了,星体在弯曲的时空当中沿着轨道运行,但是整体的效果像是受到了一个力。
爱因斯坦晚年想要统一引力和电磁力,但是一直没有能够实现,这当然很难,因为根据现在的科学研究,世界上的力有四种,分别是强力、弱力、电磁力和引力。在爱因斯坦的年代,弱力没有被得到很好的重视,强力根本还没被发现,所以爱因斯坦想要统一引力和电磁力是很难的,尤其两个强度差如此之多。而且就算是当今,四个力当中三个力都被统一了,但是引力还是没有被统一进去。

霍金(Stephen Hawking,1942 - )

   

霍金绝对是当今活着的物理学家当中最出名的。但是不得不说这份名声里包含了很多故事、传奇、科普的成分。

霍金的研究领域是宇宙学,包括大爆炸理论、黑洞、虫洞等等。他做的主要工作也是试图去融合量子力学和相对论。但是他的理论目前都没有被很好地证明,这也是为什么他一直没有获得诺贝尔奖。但是如果霍金的理论一旦被证实,那么他的成就几乎可以说比肩或者超越了爱因斯坦了,因为他给出了宇宙的来龙去脉,怎么来的,怎么终结等等。甚至超距的虫洞旅行也可能是有机会达到的。
霍金主要的科学成就一个是霍金辐射,是研究黑洞的行为的,他指出黑洞虽然定义成不发出任何电磁波的物体,感觉是“黑”的,但是其实在视界边缘因为量子效应,还是会有一定的黑体辐射。

另外的科学成就是跟彭罗斯的合作,给出了所谓的“彭罗斯-霍金奇点理论”,简单来说就是预言如何才能在空间中形成所谓的“时空奇点”。所谓奇点也不难理解,1/x,当x趋向于0的时候,这个函数趋向于无穷大,没有办法定义,那么数学就崩溃了就不能用了,时空当中的奇点也就是:在奇点当中,物理定律将不适用了。

哈勃(Edwin Hubble,1889 - 1953)

    

大家都听说过的“哈勃望远镜”吧,这个里面的哈勃说的就是这个哈勃。哈勃是美国天文学家。最大的贡献就是通过观测他发现宇宙是加速膨胀的,就好像一个气球上的点,你如果不断把气球吹大,则这个气球上的点之间的距离是加速互相远离的。

拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace,1749 - 1827)

      

拉普拉斯严格来说也是一位数学家,法国人。要说他对物理的贡献的话,主要的可以总结为大学里学的一门课叫“数学物理方法”,就是他发明了各种强大的数学物理方法来解决物理问题。一个我们一定会在大学里学到的东西就是所谓的“拉普拉斯变换”:

其实拉普拉斯还有一个成果是他预言了黑洞的存在,其实也不叫预言,应该说是提出了“黑洞”的概念,也就是说当一个星体的密度达到一定程度连光也没有办法逃脱星体的引力的时候这个星体其实从外界看来根本就是黑的,因为完全没有光线能够射出,这就是史上第一次对黑洞定义的猜想。

闵可夫斯基(Hermann Minkovski,1864 - 1909)

闵可夫斯基是个德国犹太数学家,他还是当年爱因斯坦在苏黎世理工上学时候的老师,据说爱因斯坦整天翘课,他特别看不上爱因斯坦。但是讽刺的是,闵可夫斯基在物理上最主要的贡献恰恰就是对爱因斯坦狭义相对论的研究,他提出的闵可夫斯基空间可以用画图的形式把狭义相对论里的事件的概念整个用画图的形式表达清楚。

迈克尔逊(Albert Abraham Michelson,1852 - 1931)

迈克尔逊-莫雷实验,也就是所谓的迈克尔逊干涉仪,通过光的干涉的方法,证明了以太并不存在,不论在任何参考系当中,光速都是恒定不变的。贝特(Hans Bethe,1906 - 2005)对星体的聚变演变过程有突出贡献,诺奖获得者。钱德拉色卡(Subrahmanyan Chandrasekhar,1910 - 1995)

钱德拉色卡极限,就是一个白矮星能有的最大质量,超过这个质量就变成黑洞了。然后这个成果是他十九岁的时候做出来的。康普顿(Arthur Compton,1892 - 1962)康普顿散射,用电子和光子相互作用,光子会减少自己的能量。赫斯(Victor Franics Hess,1883 - 1964)宇宙射线的发现者。克莱因(Oskar Klein,1894 - 1977)著名的Gordan-Klein等式,是最初的把量子力学和相对论进行统一的尝试,相对论性的薛定谔方程:

莱斯(Adam Riess,1969 -)施密特(Brian Schmidt,1967 - )
上面两位是2006年的诺奖获得者,用实验证明了宇宙的加速膨胀。
施瓦茨柴尔德(Karl Schwarzchild,1873 - 1916)
给出了室外柴尔德半径,最早的不旋转黑洞的视界半径。斯穆特(George Smoot,1945)在宇宙微波背景辐射方面做了很多研究,给宇宙大爆炸理论提供了证据,诺贝尔奖获得者。

-- 粒子&原子&核物理 &统一场论--

费米(Enrico Fermi,1901 - 1954)

其实这个分领域很难分,核物理和量子物理量子场论严格来说是密不可分的,但是为了不能让这个领域显得太臃肿,所以,还是把核物理原子物理从量子力学量子场论里剥离出来,毕竟量子力学更加偏纯理论。

我认为费米几乎可以被认为是核物理之父,他建造了世界上第一个能用的核反应堆。费米是个意大利人,之后一直在美国发展,也入了美国籍。芝加哥的费米实验室是非常著名的高能物理实验室,有对撞机。感觉世界上最牛的对撞机当然是瑞士的CERN,美国基本就指着费米实验室的对撞机混了。
之前我们讲到了自然界的力分为强力、弱力、电磁力和引力。其中弱力的概念就是费米在研究核裂变的过程当然提出的。统治核裂变的力就是弱力。费米的研究成果非常多,不仅在核物理方面,著名的费米-狄拉克统计定义了拥有泡利不相容原理的“费米子”。而目前来说,世界上的所有粒子都可以划分为两大类,除了不相容的费米子,就是相容的“玻色子”。

二战后费米也在奥本海默的工作小组当中为核能的工业化应用做出了很多贡献。

居里夫妇(Marie Curie,1867 - 1934)

 

居里夫人是唯一一位获得了两个不同领域的诺贝尔奖的人。关于居里夫妇的故事我们听得非常多,他们主要的研究贡献是对放射性元素的研究,众所周知的是他们孜孜不倦地努力最后获得了放射性元素“镭”。他们的女儿也很厉害,也是诺贝尔奖的获得者,居里一家应该是最强大的诺贝尔奖家庭,总共获得过五个诺贝尔奖。

居里(Pierre Curie,1859 - 1906)

盖尔曼(Murry Gell-mann,1929 - )

上面说过的自然界的三种力,强力、弱力、电磁力和引力。后面三种我们都解释过了,电磁力是库伦发现的,引力是牛顿发现的,爱因斯坦重新解释的。弱力是费米发现的是负责核反应核裂变的力。强力的发现者就是这个盖尔曼,一个问题就是,质子明明是带正电的,同性相斥,为什么不同质子还可以很牢固地绑定在原子核里?答案就是质子之间是有强力的,这个强力还不是直接发生在质子之间,而是盖尔曼提出了所谓的“夸克”模型,质子中子其实是由更小的物质单元也就是夸克组成的,虽然夸克没有办法单独地存在,夸克之间的相互作用力就是所谓的“强相互作用力”。盖尔曼因为夸克模型获得了1969年的诺贝尔物理学奖。

魏恩伯格(Steven Weinberg,1933 - )

魏恩伯格的贡献主要就是所谓的标准模型。标准模型统一了强力、弱力和电磁力。也就是说标准模型把出了引力以外的另外三种自然界存在的力都研究清楚了。魏恩伯格因为这项标准模型的工作获得了1979年的诺贝尔奖。当然这个获奖不光是他一个人,还有一个人就是Sheldon Gashlow,没错就是谢尔顿,也是《生活大爆炸》里的谢尔顿的一个原型之一。这个工作主要还是先由Sheldon统一了弱力和电磁力,之后Weinberg再设法一起统一了强力,所以最后这俩人一起得的奖。

杨振宁(1922 - )

    

杨振宁的研究领域比较广泛,最主要的成果除了他与李政道获奖的“宇称不守衡”定律以外,还有就是著名的杨·密尔斯场理论。宇称不守衡讲的是粒子在弱相互作用的过程中,镜像粒子遵循的物理规律与原粒子其实是不相同的,这个成果得诺奖的速度非常之快,因为之前学界普遍是认为粒子的宇称是守恒的,杨和李及时地纠正了学界的错误,所以贡献算是很大的。
杨密尔斯场是个划时代的贡献,上面说的标准模型统一三种力用到的数学框架实质上就是杨密尔斯场,所谓的非交换性规范场。

希格斯(Peter Higgs,1929 - )

希格斯2013年才获得诺贝尔物理学奖,但是他的理论是早多少年就提出来了,主要没有足够的实验条件进行验证。2012年超级大型对撞机,瑞士的LHC刚刚建成就测试了希格斯的理论,然后就被验证了,然后他就马上得诺奖了。所以很多诺奖其实是要熬年头,比命长的,活不到那个时候就没有办法得奖了。

希格斯的主要贡献是所谓的希格斯玻色子理论,这个希格斯玻色子是所有微观粒子的质量的成因。就是说我们平时感受到东西的质量主要是因为有希格斯玻色子的存在,而希格斯粒子给出的质量其实不是携带所谓的质量,而是相互作用的时候让你感觉这是一个质量而已。物理学当中真真假假,其实存在或不存在都是相对的。

葛来修(Sheldon Lee Glashow,1932 - )

     

弱电电统一理论的主导人之一,跟Steven Weinberg共同获得1979的诺奖,标准模型的重要发明人之一,哈佛大学任教,曾经非常反对超弦理论,甚至阻止超弦的研究者进入哈佛大学,但是并没有成功。

李政道(1926 - )

   

主要的科学贡献就是杨振宁合作提出的“宇称不守恒”定律,获得了诺贝尔奖。除了诺奖以外,李政道的主要研究领域是粒子物理。他80年代回国组织的CUSPEA考试选拔了很多中国优秀的人才去美国留学,是中国改革开放以来第一批的高级出国留学人才,这些人才现在已经成为国家科研的中坚力量。包括现在物理学界炙手可热的凝聚态物理学家,MIT的文小刚,就是当年CUSPEA考试的第一名。

奥本海默(Robert Oppenheimer,1904 - 1967)

   

美国曼哈顿计划的负责人,“原子弹之父”。除了原子弹的研究以外,虽然奥本海默并没有得过诺贝尔奖,他在物理方面的成就主要是一个叫“波恩-奥本海默近似”的东西。大致就是说在晶体里 ,原子核和电子的运动可以分开来考虑,这个近似对于研究固体物理来说是至关重要的,把模型充分简化了,否则根本没法研究了,简直太复杂。

卢瑟福(Ernest Rutherford,1871 - 1937)

卢瑟福是出色的实验物理学家,一个重要的贡献是通过所谓的卢瑟福散射实验发现了原子是分为原子核和电子的。他还是alpha辐射和beta辐射的发现者。他的贡献很重要,不然的话科学家们对原子的基本结构都是毫无认识的。

范德华尔斯(Johannes Diderick van de Waals,1837 - 1923)

范德华尔斯最主要的贡献是发现了分子层面的相互作用力,所谓的范德华尔斯力,这个力不是分子键或者离子键的力,都不属于电磁力的一种,是一种混合作用力。机制和真空的Casmir效应类似。之前我们说到的理想气体,本质上就是不考虑气体分子之间作用力的气体,但是真实的气体就考虑范德华尔斯力的作用,范德华尔斯力写作:

吴健雄(1912 - 1997)

极为优秀的女科学家,她是第一个用实验证明了杨振宁和李政道的宇称不守恒定律的科学家,要不是她的实验,杨和李的成果不会那么快就获得了诺贝尔奖。阿佛加德罗(Amedeo Avogadro,1776 - 1856)阿佛加德罗常数,数清楚宏观物体大概包含多少微观粒子。巴尔末(Johann Jakob Balmer,1825 - 1898)电子能级跃迁的巴尔末系以他名字命名。布喇格父子(William H.Bragg & William L.Bragg,1862 - 1942 & 1890 - 1971)布拉格散射证明固体内部晶体结构,诺奖获得者。查德威克(James Chadwick,1891 - 1974)
中子发现者。朱棣文(1948 - )激光制冷大咖,诺奖获得者。库朗特(Ernest Courant,1920 - )大型粒子对撞机的奠基人。小戴维斯(Raymond Davis, Jr. 1914 - 2006)中微子的发现者之一,诺奖获得者。多恩(Friedrich Ernst Dorn,1848 - 1946)放射性物质的首位发现者。住德(Paul Drude,1863 - 1906)
电子在固体中传到的“住的模型”提出者。格拉瑟(Donald A.Glaser,1926 - 2013)云室的发明人。肯道尔(Henry Way Kendall,1926 - 1999)电子与质子中子的非弹性散射,对于夸克研究具有重要意义,诺奖获得者。劳埃(Max von Laue,1879 - 1960)晶体X光散射的大咖,诺奖获得者。南部阳一郎(1921 - 2015)自发对称性破缺的提出人之一,诺奖获得者。鲍威尔(Ceil Frank Powell,1903 - 1969)π介子的发现者,诺奖获得者。普塞尔(Edward Mills Purcell,1912 - 1997)核磁共振发现者,诺奖获得者的。拉曼(C.V.Raman,1888 - 1970)印度物理学家,拉曼散射。莱内兹(Friedrick Reines,1918 - 1998)中微子发现者,诺奖获得者。伦琴(Wilhelm C.Rontgen,1845 - 1923)X射线的发现者,第一届物理诺奖获得者。斯坦伯格(Jack Steinberger,1921 - )μ中微子的发现者,诺奖获得者。J.J.汤姆森(J.J.Thomson,1856 -1940)电子的发现者。威尔逊(Kenneth Geddes Wilson,1936 - 2013)重整化群的发明人。丁肇中(1936 - )
诺奖获得者,发现J/ψ子,这是一种亚原子粒子。

-- 凝聚态物理 --

朗道(L.D.Landau,1908 - 1968)

  

由于凝聚态物理领域还没有出现终极的理论,所以我们暂时不能给凝聚态领域评神级物理学家。但是在目前已经有的研究成果的框架下,朗道无疑应该是成就最高的一位。要不是发现了后来所谓的“拓扑序”以及“拓扑相”的话,那么朗道的“对称性破缺”理论,几乎就是凝聚态物理的终极理论了

布洛赫(Felix Bloch,1905 - 1983)

    

虽然布洛赫的研究成果似乎不是那么多,但是他的Bloch Wave,是固体物理的核心中的核心,正是因为Bloch Wave,给出的固体物理的能带理论,我们才能够通过研究固体的能带结构,去发现很多新颖的物理性质。甚至导体、绝缘体、半导体、超导体都可以用布洛赫的能带结构来进行区分。本质上就是布洛赫给出了周期性势能结构情况下,电子的波函数必定是周期性的,且电子的波函数的波数与频率有着特定的关系,就是所谓的色散关系(Dispersion Relation)。

安德森(P.W.Anderson,1923 - )

安德森应该是还活着的做理论凝聚态的物理学家当中最为德高望重的一位了。他一生的研究主要都是聚焦在凝聚态方面。同样的,要是没有所谓的拓扑序被发现,应该凝聚态的研究到他这儿就几乎研究完了。他的诺奖是1977年获得的,主要是研究了不规则磁系统的电子结构,这项研究可以让电脑计算技术非常大的提升。除了自己的科学研究,安德森也是非常愿意提携后辈的,我们搞凝聚态的提起他的大名无不肃然起敬。安德森是普林斯顿的教授,现在已经退休。他也经常写写启发性质的文章,曾经在《科学》杂志,1973年的一篇文章,只有三页,几乎也没有什么公式,但是被奉为凝聚态领域的经典之作。

魏格纳(Eugene Wigner,1902 - 1995)

       

魏格纳也是一位神牛级的人物。他是一位出色的数学家,我认为他的主要贡献也是把数学当中的群论很好地引入到了量子力学当中,从此之后对称性对于研究物理学来说变得至关重要。我是这么看待引入群论这件事情的:之前的前辈大师们做了很多关于量子力学的工作,这些工作大多是第一性的基础原理方面的工作,但是在现实生活当中存在很多所谓晶体也就是所谓的多体物理系统,这些多体物理系统不是第一性原理可以很好地完全解释的,这个时候就需要更加强大的数学工具的介入。魏格纳做的这件事情相当于为这种高端数学的介入开了一个头。魏格纳也是当年曼哈顿计划的一员,当时是他和爱因斯坦的会面,促成了爱因斯坦写信给罗斯福总统开启了曼哈顿计划。

巴迪恩(John Bardeen,1908 - 1991)

     

库伯(Leon Cooper,1930 - )

 

施莱弗(John Robert Schrieffer,1931 - )

著名的BCS理论的三位科学家,其中B的巴迪恩是两次诺贝尔物理学奖的获得者。他们三位创造的BCS理论是史上第一个成功解释超导现象的理论。这个超导理论的原理也很直观,就是在晶格的正电的吸引下,两个电子形成了所谓的库伯电子对,这个电子对是玻色子,然后在足够低温的情况下,玻色子电子对发生玻色爱因斯坦凝聚,形成超流体,带电的超流体就是超导体。

霍尔丹(Duncan Haldane,1951 - )

2016年的诺奖获得者,他的主要贡献都在凝聚态理论方面,是拓扑序研究的先驱。他的最著名的贡献是在上世纪80年代的一篇论文给出了理论上可以存在的一种物质的状态,可以支持所谓的无外加磁场的量子霍尔效应,从此开启了研究了拓扑材料的大门。

马约拉纳(Ettore Majorana,1906 - 1959)

这是个神人,意大利的西西里人。1938年从巴勒莫坐船去那不勒斯,居然神秘失踪,从此不知道去干嘛了,没人知道他在哪里。按说他都不活跃了,怎么就是伟大物理学家呢?他的主要贡献是提出一种费米子,叫马约拉纳费米子,这种费米子自己就是自己的反粒子。这种粒子如果能被很好的控制,就是极好的可以用来实现量子计算机的方法。
阿布里索科夫(Alexei Abrikosov,1928 - 2017)
俄罗斯凝聚态物理大牛,给出了不同类型的超导,本来超导具有完全抗磁性,磁场完全无法渗透超导内部,他给出的此类超导可以有磁场的渗透,被称为第二类超导。2003年诺贝尔物理学奖获得者。刚刚写到他,他在前天去世了。波戈留波夫(Nikolay Bogolyubov,1909 - 1992)量子场论重要研究者。玻色(Satyendra N. Bose,1894 - 1974) 玻色爱因斯坦凝聚,玻色子系统温度低到一定程度就会集体跑到能量最低的等级里。布里渊(Leon Brillouin,1889 - 1969) 固体物理当中的重要概念“布里渊区”的提出者。德拜(Peter Debye,1884 - 1966) 德拜模型的发明人,用来计算固体晶格振动产生的声子对整体比热的影响。金斯伯格(Vitaly Ginzburg,1916 -2009)金斯伯格·朗道理论,用唯相法解释超流体。约瑟夫森(Brian David Josephson,1940 - ) 提出了著名的约瑟夫森连接,两块相位不同的材料之间有约瑟夫森作用的能量,诺奖获得者。科特勒(Wolfgang Ketterle,1957 - ) 世界上第一个实验室里做出玻色爱因斯坦凝聚的小组。劳福林(Robert B.Laughlin,1950 - ) 量子霍尔效应的理论解释,诺奖获得者。莫特(Nevill Mott,1905 - 1996) 莫特绝缘体的提出人。
穆勒(Karl.A Muller,1927 - ) 在高温超导领域有突出贡献,诺奖获得者。

崔琦(1939 - )实验上实现量子霍尔效应,诺奖获得者。维尔切克(Frank Wilczeck,1951 - ) 强关联电子系统研究的先锋,诺奖获得者。

-- 弦论 --

威腾(Edward Witten,1951 - )

威腾是超弦理论的最重要奠基人之一,他的研究总是伴随着非常精深的数学知识。他被《时代》杂志称为现在世界上最聪明的理论物理学家。其实他一开始是个学历史出身的,后来因为对物理感兴趣就去搞了物理,从文科转理科都能做到的话,我只能说他的智商真的不是一般的高了。他一直研究物理,但是研究物理的过程当中做出了很多对数学的贡献,1990年甚至拿了数学的最高奖就是“菲尔兹奖”,这件事情古往今来只有他一个物理学做到过。超弦理论是终极理论,是解释万事万物的理论,但是一直没有办法被实验验证,但是科学的精神是“可被事实推翻”,连证伪都不好证,所以很多物理学家从根本上是排斥弦论的。哪天如果弦论被证实的话,可能威腾会成为超越爱因斯坦变成古往今来最伟大物理学家的存在。-- 后记 --写了这么将近两百个历史上重要的物理学家的研究成果,这个过程虽然确实是挺累的,但是也很开心,终于可以把自己学过的知识梳理一遍。这种机会还是比较难得的,要不是为了粉丝们,估计平时自己是绝对不会闲着无聊写这些东西的。所以在这里多谢粉丝们的关注,你们的关注是我们前进的动力!

这里为什么说是99%搞懂物理学呢?因为爱因斯坦说的:天才是99%的汗水加上1%的灵感。但是大多数人不知道后面还有一句话是:而这1%的灵感要比99%的汗水重要。是的,正在进行的物理研究,永远都是这百分之一,过往的知识,虽然是99%但是远远没有1%来的重要,只要人类想要进步,就一直是在这1%里努力,也没有任何一个人说自己能把剩下1%都搞明白,可能是有人懂99.999999%,但是追求真理是永无止境的,就像你能无限接近光速,但是真正达到光速是做不到的。

如果你对剩下的1%有兴趣,那就加入研究物理学的大军吧,真正地去做物理学的研究才能窥到这剩下的1%!(当然要注意方式方法,经过严格的专业训练,千万别变成了民科哟~)

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