每年夏天，諾貝爾獎獲得者都會聚集在德國林道，與來自全球各個角落的有為科學家分享他們的智慧，並向他們學習。今年的第62屆會議的重點是物理學。為了紀念這一盛事，我們兩人從諾貝爾獎得主多年來在該雜誌上發表的一些最引人入勝的文章中挑選了節選，主題涵蓋從宇宙學到粒子物理學再到技術。
當我們收集這些選集時（從反面頁開始），我們再次被幾十年前困擾物理學家的問題繼續推動當今研究的方式所震驚。是的，自從阿爾伯特·愛因斯坦、P.A.M. 狄拉克和恩里科·費米時代以來，這個領域已經發生了變化。物理學家已經取得了巨大的飛躍（例如構建和完善粒子物理學的標準模型）並遇到了奇怪的轉折（例如暗能量）。然而，現在正在解決的許多問題，從根本上講，與過去一個世紀以來推動研究的問題相同——其中包括：為什麼物質比反物質豐富得多？希格斯玻色子（被廣泛認為解釋了亞原子粒子的質量）真的存在嗎？“幽靈般的超距作用”揭示了世界的運作方式的什麼？
物質無處不在。它構成了這本雜誌、你的手，甚至頁面和你的臉之間的空氣。另一方面，反物質極其稀有。（這對我們這些物質生物來說是件好事，因為粒子和反粒子在接觸時會湮滅。）但是物質和反物質應該在宇宙之初就以平衡狀態存在；不知何故，物質勝出，從而形成了星系、太陽系和人類。物理學家長期以來一直想知道是什麼傾斜了天平。
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1956 年，埃米利奧·塞格雷和克萊德·E·威根在《大眾科學》雜誌上詳細介紹了他們團隊發現反質子的過程，反質子是每個原子核心中常見質子的反物質對應物。塞格雷和威根的小組在前一年在加州大學伯克利分校現已廢棄的貝伐特朗粒子加速器中發現了這種短壽命的反粒子，塞格雷和他的伯克利同事歐文·張伯倫因這一發現而分享了 1959 年諾貝爾物理學獎。他們對反質子的探測是在 1932 年卡爾·D·安德森發現反電子或正電子之後，而正電子本身是在 1930 年狄拉克對電子進行理論描述之後發現的，狄拉克的描述暗示了這種反粒子的存在。
自那時以來，物理學家們已經沿著狄拉克、安德森、張伯倫和塞格雷的足跡邁出了下一步：拼湊出基本的反物質原子，以觀察它們是否在某些關鍵方面與普通原子不同。在日內瓦附近的歐洲核子研究中心 (CERN)，研究人員將反質子與正電子結合，產生反氫原子。去年，一個小組成功地保護了反原子免於湮滅數分鐘——有足夠的時間對這種物質進行測試。如果引力或輻射與反物質的相互作用不同，那可能會為物質在今天如此豐富提供線索。
馬丁紐斯·J·G·維爾特曼在 1986 年的《大眾科學》中探討了物理學的另一個領域，他寫到了標準模型的一個小問題，標準模型是描述我們宇宙基本粒子的出色框架。維爾特曼指出，標準模型中的一個關鍵粒子尚未被觀察到，而且實際上，該粒子似乎正在努力避免被探測到。沒有它，其他粒子的質量將難以解釋。
當然，這個粒子就是希格斯玻色子。在維爾特曼寫到希格斯玻色子可能在計劃中的德克薩斯州超導超級對撞機 (SSC) 中被發現 25 年多後，物理學家仍在等待他們第一次看到這個至關重要的玻色子。SSC 從未完成，因此追逐轉移到了歐洲核子研究中心 (CERN) 的大型強子對撞機 (LHC)，該對撞機自 2009 年以來一直在執行。歐洲核子研究中心逐步提高了 LHC 碰撞的能量，並預計到今年年底將有足夠的資料最終宣佈標準模型的希格斯玻色子是否存在。
甚至在標準模型拼湊起來之前，物理學家們就已經在剖析它所描述的粒子的行為。1935 年，愛因斯坦與兩位同事合著了一篇論文，指出當時的量子力學必然存在一種令人不安的現象，稱為非定域性。物理學家指出，在一個位置測量粒子的觀察者可以瞬間影響另一個位置粒子的狀態，無論距離多麼遙遠。這種效應似乎是荒謬的。愛因斯坦和他的同事認為，非定域性是一個問題，可能會使人們對量子力學的可行性產生懷疑。
實驗物理學家花費了數十年的時間來驗證粒子確實可以透過一種稱為量子糾纏的現象共享非定域連線。物理學家現在經常產生成對的糾纏光子，例如，它們之間共享一種偏振態。單個原子也已糾纏，宏觀物體（例如合成金剛石晶片）也是如此。糾纏不僅僅是一種量子戲法——有一天，它可能會使通訊和計算能力遠遠超過當今的電子產品所能達到的水平。
這些實驗的關鍵是雷射，量子手電筒，其行為良好的光子本身可以被糾纏，也可以用於在其他粒子之間建立糾纏。在 1961 年第 71 頁節選的一篇文章中，阿瑟·L·肖洛讚揚了雷射（最初稱為光學脈澤）的巨大前景，當時雷射才誕生一年。肖洛因在雷射發明中的作用而於 1981 年獲得諾貝爾獎。他的學術後代，那些利用雷射探索量子糾纏的光學物理學家，經常被認為是近期諾貝爾獎的領跑者。
下一代諾貝爾獎物理學家（其中一些人可能會在今年的林道聚會上找到）將把該領域引向何方？如果歷史可以作為指導，那麼未來的輝煌的一些暗示可能會在過去的獲獎者和雜誌文章中找到。
天體物理學
宇宙射線的秘密資訊
作者：阿瑟·H·康普頓
發表於 1933 年 7 月
1927 年諾貝爾獎
宇宙射線的研究被描述為“現代物理學中獨一無二的，因為它現象的微小、觀測的精細、觀察者的冒險遠足、分析的微妙以及推論的宏偉。” 我們相信，這些射線正在給我們帶來一些重要的資訊。也許它們正在告訴我們我們的世界是如何演變的，或者原子核最內部結構的訊息。我們現在正在努力解碼這條資訊。
大約五年前，兩位德國物理學家博特和科爾霍斯特用計數管做了一個實驗，這讓他們確信宇宙射線是帶電粒子。但是，如果這個結論是正確的，那就意味著地球不同地區的射線強度應該存在差異。因為地球就像一塊巨大的磁鐵，這塊巨大的磁鐵應該會偏轉射向地球的帶電粒子。這種效應在磁極附近應該最小，在赤道附近應該最大，從而導致從赤道到兩極的強度逐漸增加。旨在檢測這種效應的一系列六個不同實驗得出了不確定的資料。
因此，在卡內基研究所的資助下，我們在芝加哥大學的一個小組在過去 18 個月中組織了九次不同的探險，前往地球的不同地區，測量從海平面到安第斯山脈和喜馬拉雅山脈近四英里高的山頂的宇宙射線。兩位能幹的登山家卡普和科文在阿拉斯加雄偉的麥金利山一側的冰川上喪生，但他們獲得了迄今為止如此靠近極地的緯度的最高海拔資料。
將這些探險的結果彙總在一起後，發現極地附近的宇宙射線強度比赤道附近高約 15%。此外，它隨緯度變化，正如預測的那樣，這是由於地球磁場對入射帶電粒子的影響。在高海拔地區，地球磁場的影響被發現比海平面大幾倍。
這些結果表明，至少宇宙射線的大部分是由帶電粒子組成的。然而，一些宇宙射線並沒有受到地球磁場的明顯影響。其他型別的測量，例如皮卡德和雷根在他們的高空飛行氣球飛行中的測量以及博特和科爾霍斯特的計數器實驗，使我們得出結論，這些射線中以光子形式存在的非常少，就像光一樣，但可能存在相當數量的輻射形式為原子或原子核，原子量較低。
應該說一下單個宇宙射線所代表的巨大能量。讓我們以電子伏特作為我們的能量單位。燃燒一個氫原子會釋放出大約兩個這樣的單位。當鐳射出一個阿爾法粒子時，會出現兩百萬個單位。但需要一百億個這樣的單位才能構成宇宙射線。這種巨大的能量從何而來？這個問題的答案或許就在於我們宇宙是如何形成的謎題的答案。
X 射線星
作者：裡卡爾多·賈科尼
發表於 1967 年 12 月
2002 年諾貝爾獎
儘管星際空間充滿了整個電磁頻譜的輻射，從極短的伽馬射線和 X 射線到極長的無線電波，但相對較少的宇宙輻射到達地球表面。我們的大氣層遮蔽了大部分波長。特別是，大氣層完全不透明於波長小於 2,000 埃單位的波長。因此，只能透過將儀器送入我們大氣層的外部區域（在氣球或火箭中）來探測來自太空的 X 射線輻射。
隨著火箭飛行和傳送儀器有效載荷的機會變得更加頻繁，麻省理工學院的布魯諾·B·羅西建議對天空進行 X 射線調查，我們美國科學與工程公司的一個小組承擔了這項研究。
載有儀器的 Aerobee 火箭於 1962 年 6 月 18 日午夜在白沙導彈靶場發射。我們的實驗由赫伯特·古爾斯基、F·R·保利尼和我準備，並得到了羅西的合作。在火箭到達其峰值高度 225 公里（地球表面以上 140 英里）之前的某個時間，艙門開啟以暴露探測器。隨著火箭繞其軸線旋轉，探測器掃描了天空 120 度的範圍，包括月球的位置。
來自探測器的遙測訊號沒有顯示來自月球的任何 X 射線輻射跡象。然而，從南方天空的天蠍座方向，探測器揭示了一個強烈的 X 射線源的存在。計數器記錄的強度比人們預期的（根據太陽的 X 射線發射率）從任何遙遠的宇宙源到達的強度高一百萬倍！
對記錄進行了三個月的仔細研究，證實輻射確實是 X 射線（波長為 2 到 8 埃），它來自太陽系外，並且源頭大致位於我們星系的中心方向。什麼樣的物體會發出如此強大的 X 射線通量呢？
我們在一年中的不同時間（1962 年 10 月和 1963 年 6 月）進行了兩次額外的火箭調查，透過三角測量縮小了強 X 射線源的位置，我們發現它實際上並不在銀河系中心。與此同時，赫伯特·弗裡德曼和他在海軍研究實驗室的合作者成功地將源頭的位置定位在天空兩度弧度內，這表明 X 射線發射器是一顆恆星，而不是一大群恆星。
到這時，源頭是一個離散物體的證據變得非常有力，以至於我們將其命名為 Sco（天蠍座）X-1。人們可能期望一個以 X 射線形式傾瀉如此多能量的物體至少應該是一顆相當明亮的恆星，因此可以清晰地看到。然而，源頭區域卻荒蕪，沒有引人注目的恆星。
接下來的問題是在指示位置的可見恆星中識別出 X 射線星。Sco X-1 的位置僅在約一度範圍內已知，在其天空區域內，每平方度大約有 100 顆 13 等星。對新資料進行了詳細分析，以更精確地確定位置。該分析將位置縮小到兩個同樣可能找到恆星的位置。
根據這些位置，東京天文臺以及威爾遜山和帕洛瑪天文臺對 Sco X-1 進行了望遠鏡搜尋。東京天文臺的天文學家立即找到了 X 射線星，一週之內，帕洛瑪天文臺的觀察員證實了該識別。
現在 Sco X-1 可以用光學望遠鏡進行檢查，它開始產生一些引人注目的新資訊。最令人興奮的事實是，這顆恆星以 X 射線形式發射的能量是可見光的 1,000 倍，這種情況是天文學家從他們對已知各種恆星的研究中從未預料到的。有跡象表明，Sco X-1 的 X 射線發射量等於太陽在所有波長下的總能量輸出。
超新星如何爆發
作者：漢斯·A·貝特和傑拉爾德·布朗
發表於 1985 年 5 月
1967 年諾貝爾獎（貝特）
超新星始於坍縮或內爆；那麼，恆星質量的大部分是如何被噴射出來的呢？恆星物質的向內運動必須在某個時候停止並反轉；內爆必須轉化為爆炸。
透過計算機模擬和理論分析的結合，超新星機制的連貫檢視開始出現。看來轉變中的關鍵事件是向外傳播的衝擊波的形成。
當核心中心達到核密度時，它會猛然停止。這會產生穿過核心介質向後傳播的聲波，很像錘子敲擊鐵砧時手柄中的振動。這些波在穿過同源核心時會減速，這是因為區域性聲速下降，並且它們逆流而上，而逆流速度越來越快。在聲速點，它們完全停止。與此同時，更多的物質落到中心核物質的硬球上，產生更多的波。在千分之一秒內，這些波聚集在聲速點，在那裡積聚壓力。壓力凸起減慢了穿過聲速點的物質的下降速度，從而在速度上產生了不連續性。這種速度的不連續變化構成了衝擊波。
在恆星核心硬球的表面，下落的物質突然但並非瞬間停止。動量使坍縮超過平衡點，將中心核壓縮到甚至高於原子核密度的密度。我們稱這個點為“最大擠壓”的瞬間。在最大擠壓之後，核物質球像被壓縮的橡膠球一樣彈回。反彈引發了更多的聲波，這些聲波加入了不斷增長的衝擊波。
衝擊波與聲波有兩個不同之處。首先，聲波不會對其介質造成永久性變化；當波浪過去時，材料恢復到以前的狀態。衝擊波的透過可能會引起密度、壓力和熵的巨大變化。其次，聲波——顧名思義——以聲速移動。衝擊波移動得更快，速度由波的能量決定。因此，一旦聲速點處的壓力不連續性累積成衝擊波，它就不會再被下落的物質固定在原位。波可以繼續向外傳播，進入恆星的上覆層。根據計算機模擬，它的速度非常快，在每秒 30,000 到 50,000 公里之間。
在恆星的外層被吹走後，核心的命運仍有待決定。較輕恆星的爆炸可能留下穩定的中子星。在威爾遜的計算中，任何質量超過約 20 個太陽質量的恆星都會留下超過兩個太陽質量的緻密殘骸。看來殘骸將變成黑洞，這是一個物質被壓碎到無限密度的空間區域。
宇宙中的生命
作者：史蒂文·溫伯格
發表於 1994 年 10 月
1979 年諾貝爾獎
如果我們所知的生命存在，那麼如果幾個物理量中的任何一個值略有不同，那將是不可能的。這些量中最著名的是碳 12 核激發態之一的能量。在恆星中構建重元素的核反應鏈中有一個必不可少的步驟。在這一步中，兩個氦核結合在一起形成不穩定的鈹 8 核，鈹 8 核有時在裂變之前會吸收另一個氦核，從而在這種激發態下形成碳 12。然後，碳 12 核發射一個光子並衰變為最低能量的穩定狀態。在隨後的核反應中，碳被構建成氧和氮以及生命所需的其他重元素。但是鈹 8 捕獲氦是一個共振過程，其反應速率是所涉及核能量的尖峰函式。如果碳 12 激發態的能量再高一點，其形成速率就會低得多，因此幾乎所有的鈹 8 核都會在形成碳之前裂變成氦核。那麼宇宙將幾乎完全由氫和氦組成，而沒有生命的成分。
關於自然常數必須進行微調以使生命成為必要的程度，意見不一。有獨立的理由期望碳 12 的激發態接近共振能量。但是一個常數似乎確實需要令人難以置信的微調：它是真空能量或宇宙學常數，在膨脹宇宙學中提到過。
儘管我們無法計算這個量，但我們可以計算出它的一些貢獻（例如引力場中量子漲落的能量，其波長不短於約 10
−33 釐米）。這些貢獻比我們對當前宇宙膨脹速率的觀測所允許的最大值大約大 120 個數量級。如果對真空能量的各種貢獻沒有幾乎抵消，那麼，根據總真空能量的值，宇宙要麼會在生命出現之前經歷完整的膨脹和收縮週期，要麼會膨脹得如此之快以至於無法形成星系或恆星。
因此，任何形式的生命的存在似乎都需要不同貢獻之間的真空能量抵消，精確到大約 120 位小數。這種抵消有可能在未來的某些理論中得到解釋。到目前為止，在弦理論以及量子場論中，真空能量都涉及任意常數，必須仔細調整這些常數，以使總真空能量足夠小，以使生命成為可能。
所有這些問題都可以在不假設生命或意識在自然或初始條件的基本定律中起任何特殊作用的情況下解決。我們現在所說的自然常數實際上可能會在宇宙的不同部分之間變化。（這裡的“宇宙的不同部分”可以用各種意義來理解。例如，該短語可以指由膨脹事件引起的不同的區域性膨脹，其中遍佈宇宙的場取了不同的值，或者指量子宇宙學某些版本中出現的不同的量子力學“世界軌跡”。）如果是這種情況，那麼發現生命在宇宙的某些部分是可能的，但在大多數部分可能不是，這也就不足為奇了。
自然，任何進化到可以測量自然常數的程度的生物總是會發現這些常數具有允許生命存在的值。這些常數在宇宙的其他部分具有其他值，但那裡沒有人來測量它們。儘管如此，這種假設並不能表明生命在基本定律中起任何特殊作用，就像太陽擁有一顆可以存在生命的行星這一事實並不表明生命在太陽系起源中起作用一樣。
粒子和原子
什麼是光？
作者：歐內斯特·O·勞倫斯和 J. W. 比姆斯
發表於 1928 年 4 月
1939 年諾貝爾獎（勞倫斯）
光是最熟悉的物理現實之一。我們所有人都熟悉它的許多特性，而我們這些物理學家則知道它表現出的更多奇妙特性。我們對光產生的物理效應的總知識非常可觀，但我們對它是什麼還沒有令人滿意的概念。
兩個多世紀前，牛頓認為光本質上是微粒；他認為光是由射穿空間的小飛鏢組成的。其他人則將光視為一種波動現象；以類似於水波傳播的方式，光波在遍佈所有空間的一種稱為以太的介質中傳播。關於光的本質的這兩種概念的擁護者之間展開了激烈的爭論，並且隨著揭示其更多特性的新實驗的進行，波動理論似乎解釋了微粒假說中許多完全不可理解的東西。
隨著時間的推移，人們發現了許多與光和物質相互作用有關的其他現象，這些現象在波動理論中是不可能理解的，並且迫使科學家們重新回到幾個世紀前牛頓腦海中的光的概念。最近的觀察事實表明，光束包含的能量是某個確定的最小量的精確倍數——一個光量子——正如物質似乎是由最小的物質或電力粒子（電子）的確定倍陣列成的一樣。因此，我們既有光的原子性，也有物質和電力的原子性。
在現代量子光理論中，似乎存在一種非常特殊的境況，因為該理論中涉及的東西完全是模糊的。
因此，量子的物理性質問題就出現了。它們的長度是一碼還是一英里還是一英寸，還是無限小尺寸？許多實驗事實可以解釋為表明量子至少有一碼長，但實際上無法從過去的觀察中推斷出任何確定的東西。量子在空間中的尺寸仍然是完全的謎。
至少有一種測量量子長度的方法，前提是該方案可以在實踐中進行，其本質如下：假設有一個光快門，可以根據需要快速阻擋或讓光束透過。這種裝置能夠將光束切割成段，很像切肉機切博洛尼亞香腸一樣。很明顯，如果由此產生的光束切片比光束中的光量子短，那麼來自快門的短光閃爍將僅包含量子的一部分。實際上，該裝置將切掉量子的頭部或尾部。要從金屬表面彈出一個電子，需要一個完整的量子，因為一個量子的一部分不包含足夠的能量來完成這項任務。因此，人們可以透過簡單地觀察能夠產生光電效應的最短光閃爍來明確地確定光量子長度的上限。
人們不必非常熟悉機械裝置就能意識到，沒有機械快門可以在如此高的速度下工作。然而，幸運的是，大自然賦予了物質除純機械性質之外的其他性質。透過利用某些液體的某種電光特性，人們設計了一種裝置，該裝置實際上可以充當快門，在大約一百億分之一秒內開啟和關閉。
以這種方式產生的短促光閃爍被允許落在靈敏的光電管上，並且發現該光電管對獲得的最短閃爍（只有幾英尺長）做出了響應。
這種簡單的實驗觀察的重要性怎麼強調都不過分，因為它明確證明了光量子的長度小於幾英尺，並且可能僅佔據空間中非常微小的區域。
原子核的結構
作者：瑪麗亞·G·梅耶
發表於 1951 年 3 月
1963 年諾貝爾獎
對於整個原子，現代物理學家已經開發出一種基於我們行星系統的有用模型：它由一箇中心原子核（對應於太陽）和衛星電子（像行星一樣）組成，衛星電子在某些軌道上圍繞它旋轉。儘管該模型仍然遺留許多問題尚未解答，但它有助於解釋電子的許多觀察到的行為。然而，原子核本身卻知之甚少。甚至原子核粒子是如何結合在一起的問題都沒有得到令人滿意的答案。
最近，包括作者在內的幾位物理學家獨立地提出了一個非常簡單的原子核模型。它將原子核描繪成具有像整個原子一樣的殼層結構，核質子和中子像衛星電子束縛在原子中一樣，分組在某些軌道或殼層中。該模型能夠解釋大量關於原子核組成及其粒子行為的已知事實，這令人驚訝。
有可能辨別出質子和中子的特定組合的性質中一些相當顯著的模式，正是這些模式暗示了我們的原子核殼層模型。這些顯著的巧合之一是核粒子（如電子）偏愛某些“幻數”這一事實。
每個原子核（氫除外，氫僅由一個質子組成）都以兩個數字為特徵：質子數和中子數。兩者的總和是原子核的原子量。質子數決定了原子的性質；因此，具有兩個質子的原子核始終是氦，具有三個質子的原子核是鋰，依此類推。然而，給定的質子數可以與不同數量的中子結合，形成同一元素的幾種同位素。現在，一個非常有趣的事實是，質子和中子都偏愛偶數組合；換句話說，質子和中子（如電子）都表現出強烈的配對傾向。在已知元素的大約 1,000 種同位素的整個列表中，由奇數個質子和奇數箇中子組成的穩定原子核不超過六個。
此外，質子或中子的某些偶數聚集體特別穩定。這些幻數之一是 2。氦核，具有 2 個質子和 2 箇中子，是已知的最穩定的原子核之一。下一個幻數是 8，代表氧，其常見同位素具有 8 個質子和 8 箇中子，並且非常穩定。下一個幻數是 20，即鈣的幻數。
幻數列表為：2、8、20、28、50、82 和 126。具有這些質子數或中子數的原子核具有異常的穩定性。很容易假設這些幻數代表原子核中的閉合殼層，就像原子外部部分的電子殼層一樣。
殼層模型可以解釋核行為的其他特徵，包括稱為同質異能素的現象，即原子核中存在長壽命的激發態。該模型最重要的應用也許是在 β 衰變的研究中，即原子核發射電子。能夠發射電子的原子核的壽命取決於它釋放電子必須經歷的自旋變化。目前的 β 衰變理論的狀態不是很令人滿意，並且不容易檢驗這些理論，因為只有少數情況下放射性原子核的狀態是已知的。殼層模型可以在這種情況下提供幫助，因為它能夠預測尚未測量的自旋。當然，這裡描述的簡單模型不足以對原子核的結構給出完整而精確的描述。儘管如此，該模型在描述原子核的許多特徵方面的成功表明，它對真理的近似程度還不錯。
反質子
作者：埃米利奧·塞格雷和克萊德·E·威根
發表於 1956 年 6 月
1959 年諾貝爾獎（塞格雷）
四分之一個世紀前，劍橋大學的 P.A.M. 狄拉克開發了一個基於最普遍的相對論和量子力學原理的方程，該方程定量地描述了電子的各種性質。他只需要輸入電子的電荷和質量——然後它的自旋、相關的磁矩以及它在氫原子中的行為就以數學上的必然性隨之而來。然而，它的發現者發現，該方程要求正電子和負電子都存在：也就是說，它不僅描述了已知的負電子，還描述了一個完全對稱的粒子，該粒子在各個方面都與電子相同，只是它的電荷是正的而不是負的。
在狄拉克做出預言幾年後，加州理工學院的卡爾·D·安德森在雲室中宇宙射線產生的粒子中發現了正電子（反電子）。這一發現開啟了物理學家們尋找另一種假想粒子——反質子的新的、更加艱鉅的探索，而這項探索最終在幾個月前才得到了回報。
狄拉克的通用方程稍作修改後，應適用於質子和電子。同樣，在這種情況下，它也預言了反粒子的存在——反質子與質子相同，但帶有負電荷而不是正電荷。
隨之而來的問題是，在實驗室中使用加速器製造反質子需要多少能量。由於反質子只能與質子成對產生，因此我們至少需要相當於兩個質子質量的能量（即約 20 億電子伏特）。然而，在我們提議的實驗室實驗中，我們需要遠不止 20 億電子伏特。要將能量轉化為粒子，我們必須將能量集中在一個點上；最好的方法是用高能粒子撞擊靶標——例如，用質子撞擊質子。碰撞後，我們將有四個粒子：兩個原始質子加上新產生的質子-反質子對。這四個粒子都將以約 10 億電子伏特的動能從碰撞中射出。因此，產生一個反質子需要 20 億電子伏特（產生質子-反質子對）加上 40 億電子伏特（四個射出粒子的動能）。正是考慮到這些數字，加州大學的貝伐特隆加速器才被設計出來。
當貝伐特隆開始用 60 億電子伏特的質子轟擊銅靶時，接下來的問題是如何探測和識別產生的任何反質子。歐文·張伯倫、托馬斯·伊普西蘭蒂斯和本文作者設計了一項搜尋計劃。該計劃基於可以方便地確定的三個特性。首先，粒子的穩定性意味著它應該足夠長壽，能夠穿過一個長長的裝置。其次，它的負電荷可以透過外加磁場對粒子的偏轉方向來識別，而它的電荷大小可以透過它沿路徑產生的電離量來衡量。第三，如果速度已知，則可以從粒子在給定磁場中的軌跡曲線計算出它的質量。
去年 10 月宣佈發現反質子時，已經記錄了 60 個反質子，平均每小時貝伐特隆執行記錄到約四個。它們通過了我們在實驗開始前預先設定的所有測試。一位備受尊敬的同事剛剛完成了一項關於介子的重要而困難的實驗，他對我們的測試評論道：“我希望我對 μ 介子的實驗能像這個一樣令人信服。”我們對此感到非常欣慰。此時，幾項關於反質子存在的長期賭注開始兌現。我們所知的最大賭注為 500 美元。（我們個人沒有參與。）
希格斯玻色子
作者：馬丁紐斯·J·G·韋爾特曼
發表於 1986 年 11 月
1999 年諾貝爾獎
希格斯玻色子以愛丁堡大學的彼得·W·希格斯的名字命名，它是當今被稱為基本粒子過程標準模型中的主要缺失成分：該理論描述了物質的基本組成部分以及它們相互作用的基本力。根據標準模型，所有物質都由夸克和輕子組成，它們透過四種力相互作用：引力、電磁力、弱力和強力。例如，強力將夸克結合在一起形成質子和中子，而殘餘強力將質子和中子結合在一起形成原子核。電磁力將原子核和電子（電子是一種輕子）結合成原子，而殘餘電磁力將原子結合成分子。弱力是某些型別的核衰變的原因。弱力和強力的影響範圍僅延伸到很短的距離，不超過原子核的半徑；引力和電磁力具有無限的範圍，因此是最常見的力。
儘管對標準模型已經瞭解了很多，但仍有理由認為它是不完整的。這就是希格斯玻色子的用武之地。具體而言，人們認為希格斯玻色子為標準模型提供了數學一致性，使其適用於超出當前一代粒子加速器能力但可能很快被未來加速器達到的能量範圍。此外，人們認為希格斯玻色子產生所有基本粒子的質量；在某種意義上，粒子“吃掉”希格斯玻色子來獲得重量。
希格斯玻色子的最大缺點是迄今為止尚未發現其存在的證據。相反，相當多的間接證據已經表明這種難以捉摸的粒子並不存在。事實上，現代理論物理學不斷地用如此多的裝置（如希格斯玻色子）填充真空，以至於令人驚訝的是，人們甚至可以在晴朗的夜晚看到星星！儘管未來的加速器很可能會找到希格斯玻色子的直接證據，並表明假設其存在的動機是正確的，但我認為事情不會那麼簡單。我必須指出，這並不意味著整個標準模型都是錯誤的。相反，標準模型可能只是對現實的一種近似——儘管是一種很好的近似。
透過散射實驗，可以在高能物理實驗室中研究基本粒子之間的力。例如，電子束可能會從質子上散射出來。透過分析入射粒子的散射模式，可以瞭解力的資訊。
當電子與質子相互作用時，電弱理論成功地預測了散射模式。它還成功地預測了電子與光子、W 玻色子[使弱場感覺到的粒子]以及稱為中微子的粒子的相互作用。然而，當該理論試圖預測 W 玻色子之間的相互作用時，就遇到了麻煩。特別是，該理論表明，在足夠高的能量下，將一個 W 玻色子從另一個 W 玻色子上散射下來的機率大於 1。這樣的結果顯然是無稽之談。這種說法類似於說，即使飛鏢運動員瞄準的方向與目標相反，他或她仍然會擊中靶心。
希格斯玻色子在這裡作為救星出現。希格斯玻色子以這樣一種方式與 W 玻色子耦合，使得散射機率落在允許的範圍內：介於 0 和 1 之間的某個固定值。換句話說，將希格斯玻色子納入電弱理論中“減去”了不良行為。
有了希格斯玻色子對於使電弱理論可重整化是必要的這一洞察力，很容易看出如何進行對這種難以捉摸的粒子的搜尋：[W 玻色子]必須在極高的能量下，在或高於 1 萬億電子伏特（TeV）的能量下相互散射。必要的能量可以在提議的 20-TeV 超導超級對撞機（SSC）中實現，該對撞機目前正在美國考慮中。如果散射粒子的模式遵循重整化電弱理論的預測，那麼必然存在一種補償力，而希格斯玻色子將是明顯的候選者。如果模式不遵循預測，那麼 [W 玻色子] 很可能透過強力相互作用，並且將開啟物理學的一個全新領域。
技術
光學脈澤
作者：阿瑟·L·肖洛
發表於 1961 年 6 月
1981 年諾貝爾獎
至少半個世紀以來，通訊工程師們一直夢想擁有一種能夠像產生無線電波一樣高效和精確地產生光波的裝置。普通白熾燈發出的電磁波與無線電波發生器發出的電磁波之間的純度對比簡直是天壤之別。來自電磁振盪器的無線電波被限制在電磁頻譜的相當窄的區域內，並且如此不受“噪聲”干擾，以至於它們可以用於傳輸訊號。相比之下，所有傳統光源本質上都是噪聲發生器，僅適用於最粗糙的訊號目的。直到去年，隨著光學脈澤的出現，才有可能精確控制光波的產生。
儘管光學脈澤仍然非常新，但它們已經提供了非常強烈的、方向非常集中的光束。這些光束比其他光源的光束單色性更高。
光學脈澤是一種全新的光源，它極大地考驗著人們對它可能應用的想象力。當然，資訊傳輸是最明顯的用途，也是最受技術關注的用途。自古以來，人類一直在使用光進行訊號傳輸，但由於可用光源的微弱和嘈雜而受到限制。普通光束可以比作一個純淨、平滑的載波，它已經被光源中各個原子隨機發射的短暫光脈衝調製了噪聲。另一方面，脈澤可以提供幾乎理想的平滑波，除了人們放在它上面的東西之外，什麼都不攜帶。
如果能夠找到合適的調製方法，相干光波應該能夠傳輸大量資訊。這是因為光的頻率如此之高，以至於即使是非常窄的可見光譜帶也包含每秒大量的週期；可以傳輸的資訊量與每秒的週期數成正比，因此與頻帶的寬度成正比。在電視傳輸中，載波攜帶產生四兆赫茲有效頻寬的訊號。假設可以找到產生這種訊號的方法，單個脈澤光束可能會合理地攜帶頻率或頻寬為 100,000 兆赫茲的訊號。這種頻率的訊號可以攜帶與現在存在的所有無線電通訊通道一樣多的資訊。必須承認，沒有任何光束能夠很好地穿透霧、雨或雪。因此，為了在地面通訊系統中發揮作用，光束必須封閉在管道中。
天基彈道導彈防禦系統
作者：漢斯·A·貝特、理查德·L·加爾溫、庫爾特·戈特弗裡德和亨利·W·肯德爾
發表於 1984 年 10 月
1967 年（貝特）和 1990 年（肯德爾）諾貝爾獎
總統[羅納德·里根]在去年的電視講話中呼籲國家科學界“為我們提供使這些核武器失效和過時的方法”，他表示希望技術革命將使美國能夠“在戰略彈道導彈到達我們自己的國土或我們盟友的國土之前攔截並摧毀它們”。
任何彈道導彈防禦系統都能消除核毀滅的威脅嗎？
我們對天基防禦系統對抗彈道導彈襲擊的前景分析將側重於助推段攔截問題。
防禦系統的助推段層將需要許多本身不是武器的元件。它們將透過感知助推器的尾焰來提供攻擊的早期預警；確定攻擊導彈的精確數量，如果可能，還要確定它們的身份；確定導彈的彈道並鎖定它們；分配、瞄準和發射防禦武器；評估攔截是否成功；如果時間允許，則發射更多輪次。
由於必須在防禦系統可以從地球表面任何可訪問的點看到助推器之前對其進行攻擊，因此防禦系統必須從太空中的一個點啟動助推段攔截，範圍以數千公里計。目前正在研究用於此目的的兩種型別的“定向能”武器：一種是基於雷射束的使用，雷射束以光速（每秒 30 萬公里）傳播，另一種是基於粒子束的使用，粒子束的速度幾乎與光速一樣快。還提出了非爆炸性射彈，它能自動跟蹤助推器的紅外訊號。
為彈道導彈防禦系統提出的其他攔截方案包括化學雷射武器、中性粒子束武器和非爆炸性尋的飛行器，所有這些都必須部署在低軌道上。
迄今為止獲得的最亮雷射束是由利用氟化氫的化學雷射器產生的紅外光束。美國國防部計劃在 1987 年之前演示一種 2 兆瓦的雷射器版本。假設 25 兆瓦的氟化氫雷射器和光學完美的 10 米反射鏡最終可用，那麼一種“殺傷半徑”為 3,000 公里的武器將唾手可得。如果在沒有對抗措施的情況下，每個元件都以其理論極限工作，那麼部署在低軌道上的總共 300 束這樣的雷射器可以摧毀 1,400 枚洲際彈道導彈助推器。
粒子束武器可以發射一股高能帶電粒子束，它可以深入導彈內部並破壞其制導系統中的半導體。然而，帶電粒子束會受到地球磁場的彎曲，因此無法準確瞄準遠距離目標。因此，任何合理的粒子束武器都必須產生中性束。此外，透過使用砷化鎵半導體（其抗輻射損傷能力比矽半導體強約 1,000 倍），有可能保護導彈的制導計算機免受此類武器的攻擊。
精確的時間測量
作者：韋恩·M·伊塔諾和諾曼·F·拉姆齊
發表於 1993 年 7 月
1989 年諾貝爾獎（拉姆齊）
依賴於原子和離子捕獲和冷卻的新技術，有充分的理由相信時鐘的精度可以比現有精度高 1,000 倍。
最有希望的方法之一依賴於捕獲的帶電離子的共振頻率。捕獲的離子可以懸浮在真空中，從而幾乎完全與干擾影響隔離。因此，它們不會遭受與其他粒子或腔室壁的碰撞。
使用了兩種不同型別的陷阱。在彭寧陷阱中，靜態、非均勻電場和靜態、均勻磁場的組合可以 удерживать 離子。在射頻陷阱（通常稱為保羅陷阱）中，振盪、非均勻電場完成這項工作。惠普公司、加利福尼亞州帕薩迪納市的噴氣推進實驗室和其他地方的工作人員已經制造了使用保羅陷阱的實驗標準裝置。捕獲的粒子是汞 199 離子。捕獲離子標準的最高 Q 值[相對能量吸收和損失的量度]超過 10
12。該值比當前銫束時鐘的值[Q 值越高，時鐘越穩定]高 10,000 倍。
在過去的幾年中，在捕獲和冷卻中性原子方面取得了驚人的進展，這比捕獲離子更難實現。特別有效的雷射冷卻來自沿三個相互垂直的路徑使用三對反向雷射冷卻光束。然後，移動的原子在它移動的任何方向上都會減速。這種效應產生了“光學糖蜜”的名稱。中性原子陷阱可以儲存比離子陷阱更高的原子密度，因為離子是帶電的，因此會因相互排斥而保持分離。在其他條件相同的情況下，原子數量越多，信噪比越高。
將中性原子用作頻率標準的主要障礙是，陷阱中原子的共振受到雷射場的強烈影響。一種稱為原子噴泉的裝置克服了這一困難。陷阱捕獲並冷卻原子樣本，然後將其向上提升，使其移動到沒有雷射的區域。然後，原子在重力作用下落回。在上升和下降的過程中，原子都會穿過一個振盪場。透過這種方式，就像在分離的振盪場束裝置中一樣，會誘發共振躍遷。
目前的大量研究都集中在陷阱中雷射冷卻的離子上，這些離子在光學領域共振，那裡的頻率高達數千吉赫茲。由於其高 Q 值，此類標準為精確時鐘提供了有希望的基礎。NIST 的研究人員在單個雷射冷卻的捕獲離子的紫外共振中觀察到 Q 值為 10
13。該值是光學或微波原子共振中見過的最高 Q 值。
標準的預期改進將提高當前用途的有效性，併為新功能開闢道路。只有時間才能證明這些用途是什麼。
碳的奇境
作者：安德烈·K·蓋姆和菲利普·金
發表於 2008 年 4 月
2010 年諾貝爾獎（蓋姆）
每次有人用鉛筆劃線時，產生的痕跡都包含物理學和奈米技術中最熱門的新材料：石墨烯。石墨，鉛筆中的“鉛”，是一種由扁平堆疊的原子層形成的純碳。石墨烯是賦予其中一層薄片的名稱。它完全由碳原子組成，這些碳原子結合在一起形成一個重複六邊形網路，位於一個原子厚的單平面內。它不僅是所有可能材料中最薄的，而且還非常堅固和硬挺。此外，在其純淨形式中，它在室溫下比任何其他物質更快地導電。世界各地實驗室的工程師目前正在仔細研究這種材料，以確定是否可以將其製造成智慧顯示器、超高速電晶體和量子點計算機。
與此同時，石墨烯在原子尺度上的特殊性質使物理學家能夠深入研究必須用相對論量子物理學描述的現象。迄今為止，研究此類現象一直是天體物理學家和高能粒子物理學家的專屬領域，他們使用價值數百萬美元的望遠鏡或價值數十億美元的粒子加速器工作。石墨烯使實驗人員能夠使用實驗室臺式裝置測試相對論量子力學的預測。
石墨烯的兩個特點使其成為一種特殊的材料。首先，儘管石墨烯的製造方法仍然相對粗糙，但它表現出非常高的質量——這歸因於其碳含量的純度及其碳原子排列成晶格的有序性相結合。到目前為止，研究人員尚未在石墨烯中發現任何原子缺陷——例如，晶格中某個原子位置的空位或位置錯誤的原子。這種完美的晶體有序似乎源於強大而又高度靈活的原子間鍵，這些原子間鍵創造了一種比鑽石更硬的物質，但允許平面在施加機械力時彎曲。其晶格的質量也是石墨烯具有極高導電性的原因。它的電子可以傳播，而不會因晶格缺陷和外來原子而散射偏離方向。
石墨烯的第二個突出特點是，它的傳導電子移動速度更快，並且看起來比在普通金屬和半導體中游蕩的電子質量小得多。事實上，石墨烯中的電子——或許“電荷載流子”是一個更合適的術語——是生活在怪異世界中的奇怪生物，在這個世界中，類似於相對論量子力學規則的規則發揮著重要作用。據任何人所知，固體內部的這種相互作用是石墨烯獨有的。由於這種來自鉛筆的新型材料，相對論量子力學不再侷限於宇宙學或高能物理學；它現在已經進入了實驗室。
一個工程方向值得特別提及：基於石墨烯的電子產品。我們強調，石墨烯中的電荷載流子以高速移動，並且在與晶格中的原子碰撞時損失的能量相對較少。這種特性應該可以製造彈道電晶體，這是一種超高頻器件，其響應速度將比現有電晶體快得多。
更誘人的是，石墨烯可能有助於微電子行業延長摩爾定律的壽命。即使在奈米尺度上，石墨烯也具有卓越的穩定性和導電性，這使得製造尺寸大大小於 10 奈米甚至小至單個苯環的單個電晶體成為可能。從長遠來看，人們可以設想從單張石墨烯薄片上雕刻出整個積體電路。
無論未來如何發展，這種只有一個原子厚的奇境幾乎肯定會在未來幾十年內保持在聚光燈下。工程師將繼續努力將其創新副產品推向市場，物理學家將繼續測試其奇異的量子特性。但真正令人驚訝的是，人們意識到所有這些豐富性和複雜性在幾個世紀以來都隱藏在幾乎每一道普通的鉛筆痕跡中。