2014年諾貝爾物理學獎的預測

至少在科學界,對於即將到來的 2014 年諾貝爾獎的宣佈以及不可避免的關於今年誰可能成為獲獎者的猜測,人們的興奮之情正在積聚。

加入我們科學愛好者的社群!

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點


至少在科學界,對於即將到來的 2014 年諾貝爾獎的宣佈以及不可避免的關於今年誰可能成為獲獎者的猜測,人們的興奮之情正在積聚。Jen-Luc Piquant 通常會避開這種猜測(評選委員會的工作方式神秘莫測且不可預測),但《史密森尼》雜誌邀請我發揮我內在的預言能力,並參加 Google+ 環聊討論,討論今年誰可能獲得物理學獎,與宇宙學博士後 Amanda Yoho(也是 Starts With a Bang 的聯合博主)、Charles Day(今日物理)和 Andrew Grant(科學新聞)。您可以在閒暇時觀看一小時的討論,但以下是我根據(部分)我們的談話得出的關於此問題的一些想法。

首先,讓我們把一件事搞清楚:今年的獲獎者可能不會是 BICEP2 合作專案的成員,他們今年早些時候宣佈,他們在宇宙微波背景輻射中檢測到一個訊號,表明存在引力波——從而證實了 Alan Guth 和 Andrei Linde 30 年前開創的暴脹理論——震驚了我們所有人,直到人們對該訊號是否真的只是宇宙塵埃產生了懷疑。唉,根據幾周前宣佈的普朗克衛星合作專案的初步結果,情況看起來可能確實如此。最終的裁決要等到兩組資料合併後才能做出,但 (1) 目前 BICEP2 的情況不容樂觀,(2) 即使這些結果最終得到證實(坦率地說,這不太可能),也來不及參加今年的獎項評選。我認為我們都同意,如果普朗克團隊在未來幾年因其對整個天空的偏振圖而獲得諾貝爾獎,我們不會感到驚訝;畢竟,之前的 WMAP 和 COBE 等專案都獲得了這一榮譽。但普朗克尚未釋出其完整的資料集;希望這種情況將在今年年底發生,但同樣,這來不及參加今年的諾貝爾獎評選。

WMAP 和 COBE 畢竟都獲得了這一榮譽。但普朗克尚未釋出其完整的資料集;希望這種情況將在今年年底發生,但同樣,這來不及參加今年的諾貝爾獎評選。


關於支援科學新聞

如果您喜歡這篇文章,請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道: 訂閱。透過購買訂閱,您正在幫助確保當今世界中關於塑造我們世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。


我們 Google+ 討論的催化劑是湯森路透的年度預測,主要基於引用資料。正如 Charles Day 指出的那樣,這可能不是預測諾貝爾獎的最佳方法,但湯森路透在過去十年中正確地預測了四位獲獎者,因此這種方法有其優點。

拓撲絕緣體。對於 2014 年諾貝爾物理學獎,湯森路透傾向於 Charles L. Kane、Laurens W. Molenkamp 和 Shoucheng Zhang,他們在量子自旋霍爾效應和拓撲絕緣體方面的理論和實驗研究。這是我一直想寫部落格的主題之一,但不知何故從未實現,因為儘管這個名字聽起來很乏味,但拓撲絕緣體是一類漂亮的新型材料其導電電流沿表面而不是透過材料的整體。(一個粗略的類比可能是法拉第籠。)

例如,這種材料在量子計算應用中具有很大的潛力,因為它們更能抵抗干擾,而干擾對量子計算所需的精細量子態有害。當然,仍然存在一些雜質問題,並且理想情況下,您希望將拓撲絕緣體與超導體結合起來,這不是一件容易的事。但這是目前材料物理學中最熱門的領域之一。

因此,它當然是諾貝爾獎的有力競爭者,特別是考慮到去年的獎項是授予粒子物理學(發現希格斯玻色子)。假設諾貝爾評選委員會試圖在各個物理學科中傳播愛,那麼現在可能再次到了表彰材料領域某些東西的時候了。我唯一要提醒的是:現在可能還為時過早。當石墨烯研究人員獲得 2010 年諾貝爾物理學獎時,引起了一些抱怨。其中一部分是對誰被不公正地錯過了獎項的通常爭論,但在某些方面也有一種感覺,那就是有點過早了。也就是說,沒有任何規則規定在頒發諾貝爾獎之前必須經過一定的時間。因此,拓撲絕緣體今年可能會獲得榮譽。

湯森路透名單中的亞軍是鐵電儲存裝置(可能用於構建一種像 RAM 一樣快但在斷電後仍然存在的儲存器)和多鐵性材料,以及奈米線光子學和第一個奈米線奈米雷射器的建立。這兩者都是研究完善的領域,基本突破的實際應用正在順利進行中。我個人會支援拓撲絕緣體作為材料或凝聚態物質的競爭者,但這兩個主題同樣值得獲得該榮譽。

我的選擇,只是為了讓事情更具多樣化,是一些更深奧和理論性的東西:Wojciech (發音為 Voy-check) Zurek,因為他對量子力學基礎做出了諸多貢獻,最顯著的是退相干不可克隆定理,該定理禁止建立未知量子態的相同副本,這對量子計算、量子隱形傳輸和一般的量子資訊具有重要意義。退相干與薛定諤的貓思想實驗有點相關,特別是觀察問題——一旦我們“看”進盒子,波函式就會坍縮成一個單一的現實(貓要麼死了,要麼活著)的概念。

愛因斯坦曾經問尼爾斯·玻爾,玻爾是否真的相信當我們恰好沒有看著月球時,月球並不真正存在。退相干回答了愛因斯坦的問題。這就像一個內建的安全機制,確保由數十億亞原子粒子組成的大物體很少以真正相干的方式運動。由於干擾,很難使多個原子一起振動,完全同步。在現實世界中,物體不斷地與環境相互作用,並且退相干瞬間發生。因此,薛定諤的宏觀但量子貓是不可能存在的野獸。與外界的輕微相互作用會導致疊加態的波函式逐漸失步或退相干。外部干擾構成一種測量行為。月球不是孤立存在的。它與周圍的一切(包括太陽)相互作用。來自太陽光線的照射到月球表面的光子雨構成了“測量”:光子與構成月球的粒子相互作用,使它們各自的波函式坍縮並導致退相干。這消除了任何疊加態,無需有意識的人類互動。這真是太巧妙了。絕對值得獲得諾貝爾獎。

中微子振盪。Charles Day 今年選擇的物理學諾貝爾獎是對中微子振盪的探測。與中微子相關的工作以前也曾獲得過榮譽(參見 2002 年的諾貝爾物理學獎),其中破解了缺失的太陽中微子之謎;它們並沒有缺失,而是在改變“味道”(它們有三種類型)。但 Day 認為,進一步直接觀察到中微子可以改變味道(即振盪)本身就值得獲得一個獎項。

早在 1998 年,物理學家仍然懷疑中微子可能具有微小的質量,這可能會大大改變科學家對宇宙整體質量的估計,因為它們如此豐富。這反過來又影響了對宇宙膨脹速度的估計。如果中微子確實具有質量,它們可能會在空間中傳播的過程中發生振盪並隨著時間的推移改變味道。例如,μ子中微子是否有可能透過振盪變為 τ 中微子?

當日本超級神岡探測器的科學家宣佈他們發現大氣中微子中存在振盪的證據,從而得出它們有質量的結論時,這個問題在 1998 年得到了響亮的肯定回答。2010 年,格蘭薩索國家實驗室的 OPERA 實驗的科學家報告說,他們在一個由附近 CERN 產生的數十億 μ子中微子的流中發現了四個 τ 中微子特徵訊號例項——這是第一次直接觀察到中微子從一種型別轉變為另一種型別。2013 年,T2K 實驗(使用與超級神岡探測器相同的設施)發現了 μ 中微子和電子中微子之間振盪的證據。

量子隱形傳輸。Andrew Grant 選擇 IBM 的 Charles Bennett(以及其他一些人)在量子隱形傳輸和量子資訊方面的開創性工作。根據 IBM 網站

“1993年,包括IBM研究員查爾斯·H·貝內特在內的六位國際科學家小組,證實了大多數科幻小說作家的直覺,表明完美的瞬間傳輸在原則上是可行的,但前提是原始物體必須被摧毀。[參閱:禁止克隆。] 在隨後的幾年裡,其他科學家在各種系統中透過實驗演示了瞬間傳輸,包括單光子、相干光場、核自旋和捕獲離子。瞬間傳輸有望成為一種非常有用的資訊處理原語,促進遠端量子通訊(最終可能導致“量子網際網路”),並使構建可工作的量子計算機變得更加容易。但是,科幻迷們會失望地得知,由於各種工程原因,沒有人期望在可預見的將來能夠瞬間傳輸人或其他宏觀物體,即使這樣做不會違反任何基本定律。”

四夸克粒子的發現。安德魯也傾向於將四夸克粒子的發現視為今年物理學獎的可能競爭者,儘管他也承認這個發現可能有點太新,無法獲得2014年的獎項。誠然,日本科學家早在2003年和2007年就發現了這種不尋常粒子的跡象——被稱為Z(4430)——儘管尚不清楚它到底是四夸克粒子還是更像兩個軌道介子的微型分子。但後來大型強子對撞機在其資料中發現了該粒子,證實該粒子明確是一個四夸克粒子。人們認為這是不可能的;夸克只能成對或成三重出現。對嗎?顯然不是。因此,四夸克粒子正在促使人們重新徹底審視(並激烈辯論)我們夸克相互作用模型的細微之處。

維拉·魯賓和暗物質。您會注意到,以上所有工作都是由男性物理學家完成的——這並不奇怪,因為物理學仍然是一個男性主導的領域。但是,阿曼達·約霍和我都很希望一位女效能獲得此殊榮,天體物理學家維拉·魯賓是我們的首選。正如我在2010年為《探索新聞》撰寫的那樣,“多年來,諾貝爾委員會授予的女性科學家太少了:只有兩位獲得物理學獎,分別是1903年的瑪麗·居里和1963年的瑪麗亞·格佩特-梅耶。魯賓完全配得上這份榮譽,坦率地說,她年紀不小了。”

具體來說,她有條不紊的觀測(與已故的肯尼斯·肯特·福特合作)

指出大多數星系中最外層的恆星以與最內層恆星相同的速度移動——這似乎違背了萬有引力定律——提供了弗裡茨·茲威基在20世紀30年代提出的暗物質的首個(間接)觀測證據

坦率地說,魯賓仍然沒有獲獎有點令人驚訝:諾貝爾評選委員會還在等什麼?直接探測暗物質粒子?這可能還需要一段時間,因為每次物理學家認為他們接近這種探測時,來自眾多實驗之一的一些新的矛盾結果都會給研究工作帶來麻煩。阿曼達提出了一個強有力的論點(在討論期間和之後在Twitter上),認為這不應該阻止她獲獎。魯賓觀察到了一個關鍵的異常現象,很像我們宇宙的膨脹正在加速的觀測結果,這可能是由於暗能量造成的,而暗能量在2011年獲得了物理學諾貝爾獎

這就是我們討論和各種預測的要點。但老實說,這只是猜測。這很有趣,但我們都在等待諾貝爾評選委員會在公告公開時做出決定。請隨時在評論中發表您自己的猜測。

 

© .