125年来,物理学都取得了哪些突破性进展?

来源: 中科院物理所

发布日期: 2018-02-10

本文回顾了125年来物理学领域的重要突破,涵盖了从1913年测定电子电量到2016年引力波的发现等多个里程碑式的进展,展示了物理学的发展历程和重大贡献。

2018年是《物理评论》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,我们就一起来回顾物理学发展历程中那些非凡的闪光时刻。

1913年,Millikan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%。

1923年,Compton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。

1927年,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Davisson和Germer完成的。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。

1931年,Onsager在两篇论文中提出了描述像热传递这种不可逆过程的普适理论。在这套理论中,Onsager推导了一组应用广泛的“倒易关系”。

1932年,Urey、Brickwedde和Murphy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,氧化氘被应用到核反应堆中。

1933年,通过观察宇宙射线中未知粒子在云室中的轨迹,Anderson发现了电子的反粒子——正电子。

1935年,Einstein、Podolsky和Rosen构造出一个思想实验,旨在证明量子力学和定域实在性间的冲突。

1938年,Rabi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。

1939年,Bohr和Wheeler用液滴模型计算核裂变参数,计算结果与实验非常吻合。

1947年,Lamb和Retherford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”。

1953年,Reines和Cowan宣称他们用放在核反应堆旁边的大水箱探测到了中微子。

1954年,Yang和Mills构造出可以描述基本粒子行为的场论的数学形式。

1956年,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。

1957年,Bardeen、Cooper和Schrieffer提出了解释超导现象的理论。

1960年,Nambu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。

1962年,Gell-Mann利用八重态的方法把轻介子和自旋为1/2的重子进行分类。

1963年,Glauber发展了描述光线中光子之间关联性的理论。

1964年,Hohenberger、Kohn和Sham建立了密度泛函理论。

1967年,Weinberg提出了一个关于电弱相互作用的理论。

1969年,Friedman、Kendall、Taylor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。

1971年,Wilson的两篇论文建立了重整化群理论的基础。

1972年,Osheroff、Lee和Richardson观测到接近绝对零度的氦-3变成了超流体。

1973年,Gross和Wilczek,以及Politzer分别提出了解释夸克的两个看似相互矛盾的观测结果的理论。

1974年,Ting和Richter领导的研究小组分别独自利用粲-反粲束缚态发现了粲夸克。

1975年,原子核的壳层模型预测了最稳定的原子核中的中子和质子具有特定的“幻数”。

1977年,Thouless、Kosterlitz和Haldane利用拓扑理论描述了大量固体中奇异的相和相变。

1978年,Halperin和Nelson提出二维固体融化中包含一种介于固体和液体之间的中间相。

1980年,Von Klitzing、Dorda和Pepper发现低温下二维电子气的霍尔电导随着外加磁场的增强按照e²/h整数倍变化。

1981年,Guth假设在大爆炸发生后的不到一秒的时间内,宇宙经历了以指数方式快速膨胀的过程。

1982年,Aspect和他的合作者通过贝尔测试证实了量子理论的预言。

1982年,Binning、Rohrer和他们的合作者制造了扫描隧道显微镜。

1984年,Schechtman和他的同事在合金中的重大发现促使物理学家重新思考晶体的概念。

1985年,Chu和他的同事利用相向传播激光束的辐射压,将原子限制在极度低温的状态下。

1986年,Frisch、Hasslacher和Pomeau提出了一种模拟纳维叶—斯托克斯公式的方法。

1987年,Chu和他的同事合成了一种被称为钇钡铜氧的化合物。

1988年,Fert和Grunberg分别发现他们可以通过转动两层磁体中的一层来显著改变两层磁体之间的电阻。

1992年,Haroche和他的合作者利用光子和腔内的高度激发的原子相互作用,实现了宏观量子叠加态。

1998年,日本的超级神冈研究人员发现了μ子中微子可以自发地转化成τ子中微子的确凿证据。

2000年,Pendry设想了一种完美的“超透镜”。

2001年,Newman、Strogatz和Watts发展了一种数学体系来分析随机图。

2006年,俄罗斯杜布纳核研究联合研究所的科学家找到了一种具有118个质子的超重化学元素的线索。

2007年,Fu和Kane预言了三维拓扑绝缘体。

2015年,中科院物理所研究团队在TaAs中最终发现了类似于外尔费米子的凝聚态物质。

2016年,激光干涉引力波天文台首次探测到了两个黑洞合并产生的引力波信号。

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