《大眾科學》在其167年的歷史中，刊登了無數傑出科學家作者的貢獻。其中，近150位諾貝爾獎獲得者曾為該雜誌撰稿，總共貢獻了200多篇文章。在七月刊中，我們重點介紹了過去物理學諾貝爾獎得主撰寫的12篇文章摘錄，以配合在德國林道舉行的第62屆諾貝爾獎獲得者年度會議，今年的會議重點是物理學。
為了更全面地展現雜誌檔案中包含的發現故事，我們選擇了另外三篇由物理學諾貝爾獎得主撰寫的文章。以下摘錄的所有三篇文章都以某種方式與他們各自獲得諾貝爾獎的研究相關。
例如，威廉·H·布拉格在1930年的敘述中描述了X射線如何為晶體結構提供一個視窗。他曾因在該領域的進步而與他的兒子分享了1915年諾貝爾物理學獎。同樣，勞雷特·唐納德·A·格拉澤因其1955年文章《氣泡室》中詳述的發明而於1960年獲獎。而最近的2011年物理學諾貝爾獎則授予了三位在發現宇宙膨脹正在加速（這要歸功於“暗能量”）方面發揮主導作用的研究人員。其中一位研究人員亞當·G·里斯與他人合著了一篇2004年發表在《大眾科學》上的文章（摘錄如下），內容是關於確定宇宙何時開始加速的努力。
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X射線手指探尋物質的原子結構
作者：威廉·H·布拉格（1915年諾貝爾物理學獎）
發表於1930年12月
人類擁有預測克服困難結果的能力和嘗試克服困難的願望，因此設計了各種巧妙的方法來幫助他完成任務。首先考慮到那些取決於他視覺不足的困難，他發明了顯微鏡，這使他能夠看到比肉眼所能感知的精細數千倍的細節。
但是顯微鏡無法逾越一個界限。藉助它，我們可以感知到非常小的東西，但不是“非常非常”小的東西。活細胞的結構細節，金屬、棉花、絲綢、橡膠、油漆、骨骼、神經以及其他成千上萬種物質的基本特徵，即使對於顯微鏡來說也是隱藏的，並且將永遠保持隱藏，因為失敗不在於光學家的技能，而在於光線本身的能力不足。
輻射的本質在許多方面都是一個謎，但我們對它瞭解得足夠多，可以理解，我們可以從它的許多重要方面來談論它，就像是某種介質（我們稱之為以太）中的波。如果輻射落在任何物體上，它會被偏轉並以各種方式修改。當我們的眼睛朝向物體時，它們會接收經過修改的射線，並且我們透過長期的實踐已經學會從這些修改中瞭解製造它們的物體的性質。這就是“看見”。
這個過程的中心點是散射和修改的行為。現在波具有一定的波長，關於我們可能看到的此類波的常見經驗，例如在海面上看到的波，告訴我們，一個比波長小得多的物體對它沒有明顯的影響。同樣，可能存在一些物體太小，以至於它們無法影響光線，並且此類物體在普通意義上永遠是不可見的。我們眼睛可以感知到的光波的長度在五萬分之一英寸左右的短範圍內。
X射線為我們打破了障礙，並將我們帶入了這個我們想要進入的廣闊領域。它們之所以能做到這一點，是因為它們作為光波的特性，比可見波小約10000倍，但性質完全相同。
如果一種物質的所有組成原子都以相同的模式排列，以至於直線行從一側延伸到另一側，則該物質是單晶體；晶體特性僅僅意味著完美的排列。但是大多數物質，尤其是我們每天處理的物質，例如金屬，必須被描述為小而獨立的晶體團。
無論我們如何嘗試使[多晶材料的棒]變形，總有一些晶體抵抗以特定方式變形。並且各種晶體根據我們尚未完全理解的某些原理相互支援。因此，棒的性質取決於其晶體特性。只有X射線才能告訴我們晶體的內部排列。
X射線的波長足夠短，可以被原子偏轉或散射，而較長的光波則不能。然而，單個原子能做的非常少。這就是晶體排列的規律性發揮作用的地方。即使在肉眼可見的晶體中，圖案單元也被重複了無數次。無論這些單元中的一個以散射的方式做什麼，所有其他單元都以規則的順序做。組合量是可感知的，因此可以檢測到晶體特性。
當然，這是一種檢查結構的間接方式。我們沒有感知到單個原子；我們只發現了它們的排列。但是，如此獲得的知識可以與我們已經擁有的其他知識相結合，並且我們實際上已經發現自己能夠破譯自然界的模式，其程度是我們幾年前做夢也想不到的。
氣泡室
作者：唐納德·A·格拉澤（1960年諾貝爾物理學獎）
發表於1955年2月
物理學家在探索原子核的亞微觀世界時，就像是在黑暗洞穴中摸索的人，他們手電筒只能瞬間亮起，並且每次只照亮洞穴的一個小角落。偶爾，閃光燈會捕捉到一些活動或事件——要麼是一個熟悉的粒子以熟悉的方式表現，要麼是一些奇怪的新粒子，其行為完全令人費解。核物理學家正試圖從這些稀少的瞥見中識別粒子以及在原子核黑暗、劇烈的世界中發揮作用的力。如果他們有一個更好的手電筒，那將會有所幫助。
讓我們花點時間看看他們試圖觀察的事件以及迄今為止可用的觀察裝置。物理學家正在透過用粒子轟擊原子核來探測原子核，最好是用能量足以將原子核分解成其組成部分的粒子。
他有兩種觀察和測量這些事件的方法。第一種是威爾遜雲室。在蒸氣過飽和的腔室中，飛行的帶電粒子會留下可見的液滴軌跡，液滴凝結在粒子透過撞擊蒸氣和氣體原子在其路徑上產生的離子上……有時粒子會分解（“衰變”）成較小的粒子，這些粒子會產生髮散的軌跡。但是，這些有趣的事件在充氣腔室中很少發生，因為氣體中的碰撞不頻繁。
第二種記錄核事件的裝置是照相乳膠。衝入緻密乳膠的粒子具有很高的與原子核碰撞的機率；因此，乳膠很有可能顯示有趣的事件，包括散射、裂變和新粒子的形成。然而，乳膠也有其缺點。它的高密度使得碰撞非常頻繁，粒子路徑非常彎曲，以至於無法測量磁場的影響。並且從製造出來的那一刻起，乳膠就開始收集來自宇宙射線和地球放射性的隨機粒子軌跡。
是否可以找到某種折衷方案，消除雲室和乳膠的缺陷，並結合各自的優點？在1952年5月，我開始嘗試一種解決問題的新方法，我很快決定探索液體介質的可能性。
液體中哪種可逆過程可以顯示飛行粒子的路徑並在其通過後快速擦除軌跡？它必須是一個放大原子粒子自身微小效應的過程，就像過飽和蒸氣中液滴的凝結放大了粒子在雲室中產生的電離一樣。我想到，過熱的液體，就像過飽和的蒸氣一樣，可能會提供所需的，可以透過微小刺激觸發以產生大效應的不穩定平衡。物理化學家早就知道，在乾淨、光滑的壁容器中，非常純淨的液體可以在不沸騰的情況下被加熱到高於其通常沸點的溫度。我想知道，在合適的條件下，飛行粒子是否會觸發微小氣泡的形成，從而啟動沸騰過程。如果是這樣，它可能會在過熱的液體中形成可見的軌跡。
我使用了一個裝滿乙醚的球泡（內徑為半英寸）；它透過毛細管連線到一個帶有手柄曲柄的活塞式氣缸，手柄曲柄可以快速降低壓力。以每秒3000幀的速度拍攝了球泡內壓力降低時發生情況的高速電影。果然，當粒子穿過過熱的乙醚時，照片顯示了一條微小氣泡的軌跡。氣泡式腔室很快被證明是一種非常靈敏的記錄器。即使是輕微電離的快速μ介子，也在過熱的液體中形成了可見的軌跡。
在證明氣泡室的想法可行之後，我們著手建造一個足夠大，可以實際用於實驗室的腔室。我們首先建造了一個兩英寸的鋁合金和玻璃腔室，帶有一個隔膜，由壓縮空氣驅動，可以在千分之五秒內完全膨脹腔室。液體保持敏感狀態七千分之一秒。然後，我們將相同的設計特徵納入一個更大的填充戊烷的版本中，其中液體體積為六英寸長、兩英寸寬和三英寸高。這個腔室現在正在布魯克海文國家實驗室的同步加速器中使用。我們已經拍攝了400張來自這個加速器的質子軌跡的優秀照片。這些軌跡照片與最好的雲室記錄一樣容易閱讀，並且準確度大約高出10倍。
從減速到加速
作者：亞當·G·里斯（2011年諾貝爾物理學獎）和邁克爾·S·特納
發表於2004年2月
從艾薩克·牛頓時代到1990年代後期，引力的定義特徵是其吸引力。引力使我們腳踏實地。它減緩了棒球的上升速度，並將月球保持在繞地球的軌道上。引力阻止了我們的太陽系分崩離析，並將巨大的星系團結合在一起。儘管愛因斯坦的廣義相對論允許引力既可以推也可以拉，但大多數物理學家認為這純粹是一種理論上的可能性，與今天的宇宙無關。直到最近，天文學家還完全期望看到引力減緩宇宙的膨脹。
然而，在1998年，研究人員發現了引力的排斥力一面。透過仔細觀察遙遠的超新星——恆星爆炸，在短暫的時間內像100億個太陽一樣明亮——天文學家發現它們比預期的要暗淡。對這種差異最合理的解釋是，來自數十億年前爆炸的超新星的光線傳播的距離比理論學家預測的要遠。反過來，這種解釋導致了一個結論，即宇宙的膨脹實際上正在加速，而不是減速。在過去的幾年中，天文學家透過研究越來越遙遠的超新星，鞏固了宇宙加速的案例。
但是，宇宙的膨脹是否在宇宙的整個生命週期中都在加速，還是隻是相對最近的發展——也就是說，發生在過去五十億年左右？答案具有深遠的意義。如果科學家發現宇宙的膨脹一直在加速，他們將不得不完全修改他們對宇宙演化的理解。但是，如果正如宇宙學家所預期的那樣，加速被證明是最近的現象，研究人員或許能夠確定其原因——並且或許可以通過了解膨脹何時以及如何開始加速來回答宇宙命運這個更大的問題。
在愛因斯坦的理論中，引力作為一種吸引力的概念仍然適用於所有已知的物質和能量形式，即使在宇宙尺度上也是如此。因此，廣義相對論預測，宇宙的膨脹應該以由宇宙內部物質和能量密度決定的速率減速。但是，廣義相對論也允許存在具有奇異性質的能量形式，這些能量形式會產生排斥引力。加速而非減速膨脹的發現顯然揭示了這樣一種能量形式的存在，被稱為暗能量。
膨脹是減速還是加速取決於兩個巨頭之間的戰鬥：物質的吸引性引力拉力和暗能量的排斥性引力推力。在這場較量中重要的是各自的密度。隨著宇宙膨脹，物質的密度會降低，因為空間的體積會增加。儘管對暗能量知之甚少，但預計隨著宇宙膨脹，其密度變化緩慢或根本不變。目前，暗能量的密度高於物質的密度，但在遙遠的過去，物質的密度應該更高，因此當時的膨脹應該是減速的。
重要的是尋找早期減速膨脹階段的直接證據。這樣的證據將有助於證實標準的宇宙學模型，併為科學家提供關於當前宇宙加速時期潛在原因的線索。由於望遠鏡在收集來自遙遠恆星和星系的光時會及時回溯，因此天文學家可以透過關注遙遠的天體來探索宇宙的膨脹歷史。該歷史被編碼在星系的距離和退行速度之間的關係中。如果膨脹正在減速，則遙遠星系的速度將相對大於哈勃定律預測的速度。如果膨脹正在加速，則遙遠星系的速度將低於預測值。或者，換句話說，如果宇宙正在加速，則具有給定退行速度的星系將比預期的更遠——因此更暗淡。
為了利用這個簡單的事實，需要找到具有已知本徵光度——物體每秒產生的輻射量——並且可以在整個宇宙中看到的天文物體。一類特殊的超新星，稱為Ia型超新星，非常適合這項任務。在過去的十年中，研究人員已經仔細校準了Ia型超新星的本徵光度，因此可以從其視亮度確定到其中一次爆炸的距離。
然而，找到如此古老而遙遠的超新星是困難的。當宇宙是現在一半大小時爆炸的Ia型超新星大約只有天空中最亮的恆星天狼星的百億分之一亮度。地面望遠鏡無法可靠地探測到這些物體，但哈勃太空望遠鏡可以。2001年，我們中的一位（里斯）宣佈，太空望遠鏡在重複觀測中意外地拍攝到了一顆極其遙遠的Ia型超新星（稱為SN 1997ff）。考慮到來自這顆恆星爆炸的光的紅移——大約發生在100億年前，當時宇宙是現在大小的三分之一——該物體看起來比[星際空間中填充的塵埃只是使超新星看起來暗淡，正如一些研究人員提出的那樣]要亮得多。這個結果是減速時代的第一個直接證據。我們兩人提出，對更多高紅移超新星的觀測可以提供確鑿的證據，並確定從減速到加速的轉變。
先進巡天照相機是2002年安裝在太空望遠鏡上的新型成像儀器，它使科學家能夠將哈勃望遠鏡變成一臺超新星獵取機器。里斯領導了一項努力，透過搭載大型天文臺起源深空巡天專案來發現所需的大量非常遙遠的Ia型超新星樣本。該團隊發現了六顆在宇宙小於現在一半大小（七十多億年前）時爆炸的超新星；連同SN 1997ff，這些是有史以來發現的最遙遠的Ia型超新星。觀測證實了早期減速期的存在，並將減速和加速之間的過渡“漂移點”定在大約五十億年前。