2019年诺贝尔物理学奖颁给了天体物理学的两个不同领域，奖项公布后，不少人以为这是强行“合表”。其实，在诺贝尔物理学奖一百多年的历史上，合表并不少见，难道都是强行合在一起的？
刘欣伟 撰稿
2019年诺贝尔物理学奖的一半颁给了美国物理学家詹姆斯·皮布尔斯，表彰他“在物理宇宙学上的理论发现”。另一半则颁给了两位曾是师生的瑞士天体物理学家米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹，因“发现围绕太阳型恒星运行的系外行星”而获奖。物理宇宙学和系外行星的发现看似是两个不同的领域，让人有种诺贝尔奖强行让三个人“同桌”的感觉。诺奖委员会还强行四舍五入，获奖理由是“他们对理解宇宙演化和地球在宇宙中的位置所做出的贡献”。事实上，在诺贝尔奖（物理奖）100年的历史中，确实出现过很多奖项，获奖者来自不同的领域，但结果却暗含关联。
两人因一人发现获三项大奖
1903 年的诺贝尔物理学奖不能算是拼凑起来的，但获奖理由也很有趣。1903 年诺贝尔物理学奖的一半奖金授予了法国物理学家亨利·贝克勒尔，以表彰他发现天然放射性。另一半奖金则授予了居里夫妇皮埃尔和玛丽·居里，以表彰他们“在贝克勒尔教授发现的辐射现象的联合研究中做出了杰出贡献”。
亨利·贝克勒尔（1852-1908）丨来源：诺贝尔奖
贝克勒尔拍摄了第一张铀盐放射性污染的照片。来源：维基
显然，他们两人都是因放射性研究而获奖，但如果按照通常的思路，即奖励开创性的研究，那么贝克勒尔一人就应该获奖。或者应该加上英国物理学家卢瑟福，他解释了放射性的本质，即同位素自发地从不稳定的原子核中辐射出来，衰变成另一种同位素，并首次提出了半衰期的概念。这一杰出成就使他获得了1908年的诺贝尔化学奖。
1896年，X射线被发现后不久，贝克勒尔正在研究哪些荧光物质可以产生X射线。一次偶然的机会，他得到了一张被放射性铀盐污染的胶片，这让他意识到有一种辐射与X射线不同，但穿透力强，而且是自发的。他的这一偶然发现，是人类历史上第一次发现原子核可以发射辐射，从而开创了一个新领域——核物理学。
居里夫妇对放射性研究的贡献，首先是改进了实验方法。他们在得知贝克勒尔的工作后，便开始了研究。最初，他们只是重复贝克勒尔的实验，但使用的实验设备是皮埃尔和弟弟雅克（居里）制造的石英晶体压电天平，大大提高了实验的精度。居里夫人在试验了大量的矿物和化学物质后，认为元素自发辐射应该是一种普遍现象，并开始寻找新的放射性物质。
居里夫人和他的妻子（居里夫人，1859-1906；玛丽·居里夫人，娘家姓，1867-1934）丨来源：连线
居里夫妇更重要的贡献是对复杂的沥青铀矿进行了提取、分离和提纯，并在沉积物中发现了一种新元素，将其命名为钋（以纪念居里的祖国波兰），随后又发现了镭，并对其进行了进一步提纯，最终从8吨矿渣中提取出了0.1克纯镭。这一贡献让她获得了1911年的诺贝尔化学奖（1906年皮埃尔因车祸去世）。之后，居里夫人带领她的学生（包括她的女儿和女婿）继续进行这项研究。居里夫人最终因长期受到辐射而患上重病，在遭受长期折磨后去世。
从目前诺奖“排队”的现状来看，一个人在同一领域同时获得物理学奖和化学奖的可能性不大。但如果居里夫人能获得两项诺贝尔奖，或许她能获得和平奖。第一次世界大战期间，居里夫人发明了移动式X光机，自学并教授放射医学知识和技能，并建立了法国第一家军用放射中心。作为放射医学的先驱，她为战争和波兰的独立解放做出了杰出贡献。虽然后人编造了许多故事来抬高或贬低居里夫人，但她艰苦卓绝的精神仍然是后人的榜样。
第一次世界大战期间，法国军队使用的居里夫人的辐射车被称为“小居里”。
这份奖项并不能体现两人之间的关系
1927 年物理学奖颁给了两个截然不同的成就。奖金的一半颁给了美国物理学家康普顿（），因为他“发现了以他的名字命名的效应”——康普顿效应。另一半颁给了英国核物理学先驱威尔逊（CRT），因为他“利用蒸汽凝结使带电粒子的轨迹可见”。
康普顿散射实验是物理学史上经典实验之一。当X射线或伽马射线散射电子时，散射出的射线不仅有原来的波长，还有波长更长的射线，两者的波长差与散射角度有关，这种现象被称为康普顿效应。其实，这种现象并不是康普顿首先观察到的，早在1904年，英国物理学家A.S.伊夫就在伽马射线中发现了康普顿效应的迹象，但那时伽马射线才刚刚被发现，对其性质还完全不了解。
1919年，康普顿来到卡文迪什实验室研究伽马射线，他用高超的实验技术测量了伽马射线的波长，发现散射后波长变长。后来，他也发现X射线也有同样的现象。虽然实验做得很好，但一直很难从理论上解释这种现象。为此，康普顿也提出了一些基于经典物理的模型，但这些解释并不完善。
康普顿散射模型公式 | 来源：
1922年，康普顿利用光量子模型，仅依靠物理学中最基本的两个守恒定律——动量守恒定律和能量守恒定律，推导出一个相当简单的方程。散射后波长的增加，其实是入射光子的一部分能量被转移给了电子。这一解释直接呈现了辐射的量子本质，首次直接证实了爱因斯坦从光电效应中提出的光量子假说。伽马射线等电磁辐射也可以描述为光子，光子不仅具有能量，还具有动量。
在物理学发展史上，光电效应占据了非常重要的地位，而康普顿效应则更进了一步，为理解光的波粒二象性和物质波假说提供了令人信服的证据，也为量子力学的发展提供了进一步的实验基础。（今天仍有很多疑问，相关内容见《康普顿散射的新进展》）
康普顿（H.，1892-1962）丨来源：
值得一提的是，康普顿的学生、华裔物理学家吴有训在散射实验中做出了许多贡献，证实了康普顿效应的普适性。另一位华裔物理学家赵忠尧在康普顿散射实验中首次发现了正电子，可惜他们没有获得诺贝尔奖。（详见本期《LIGO-Virgo发现所谓“不可能”黑洞 黑洞质量禁区真的存在吗？》）
今年诺贝尔奖的另一半获奖成果其实和康普顿效应有直接关系，威尔逊的贡献是发明了云室，这是一种可以探测粒子轨迹的装置，也是最早的带电粒子探测器，所以又叫威尔逊云室。
威尔逊（CTR，1869-1959）丨来源：
这种装置的发明，可以追溯到威尔逊在山中做观测员的时候，他对太阳照射在山峰上的云朵上的奇特光学现象感到好奇，想在实验室里模拟这个实验。1895年，威尔逊在前人工作的基础上，设计出一种能将蒸汽凝结成云的装置，这就是早期的云室。同时，他也意识到了前人留下的一个难题：为什么在空气中没有尘埃的情况下，不能产生云，是因为膨胀倍数不够大。经过精确测量除去尘埃后，他发现气体中存在一定的凝结核，尺寸不超过一个分子，云就是由这个凝结核变成可见的水滴而形成的，于是他推测凝结核是否是一个带电原子。
当时在卡文迪许实验工作的威尔逊有机会使用早期的X射线管，他用X射线照射云室中的气体，发现空气在X射线下被电离，这正是他的导师汤姆逊（JJ）气体电导理论得出的结论（该研究获得了1906年的诺贝尔物理学奖）。
随后的几年里，威尔逊不断改进实验。1911年，他发明了威尔逊云室，利用蒸汽的绝热膨胀，当温度下降时，会达到过饱和状态。此时，如果有带电粒子进入过饱和区，就会电离路径上的气体分子。这些离子可以作为凝结核，把水蒸气凝结成可见的水滴，从而显示出粒子的路径，结果可以拍照。他发现了α和β粒子穿过云室的轨迹，证实了X射线具有粒子性质。此后，云室成为研究核物理和粒子物理的有力实验工具。
1932 年，美国物理学家卡尔·安德森利用云室拍摄到正电子的运动轨迹，发现了第一个反粒子，并因此获得了 1936 年的诺贝尔物理学奖。另外，那一年的诺贝尔物理学奖似乎是“平分秋色”，另一半则颁给了奥地利裔美国物理学家赫斯，以表彰他发现了宇宙射线。但正电子是在宇宙射线中发现的，两者关系密切。
剑桥大学卡文迪什实验室的威尔逊云室 | 来源：
威尔逊的工具和康普顿效应到底有什么关系，导致两人双双获奖？其实，各种带电粒子在散射时都会表现出康普顿效应。1924年，康普顿和威尔逊分别利用云室发现了反冲电子的“鱼迹”（威尔逊称之为鱼迹，因为反冲电子的轨迹形似鱼），证明了反冲电子被X射线散射后的轨迹可以用量子理论来解释。康普顿首次发表康普顿效应论文时，引发了争议，而云室中拍摄的电子轨迹照片很大程度上消除了当时物理学家对康普顿效应的怀疑。两人共同获得诺贝尔奖，实至名归。
量子力学理论与实验设计
1954年的诺贝尔物理学奖同样由两人分享。一位是德国数学家、物理学家马克斯·玻恩，因在量子力学方面的基础性研究，特别是波函数的统计诠释而获奖；另一位获奖者是德国物理学家博思，因“提出巧合定律，以及随后的发现”而获奖。乍一看，似乎是两个毫无关系的人一起获奖，但其实，他们还是有共同之处的。
先说玻恩。玻恩是一位非凡的人物，是所有物理学家中数一数二的人物。他是量子力学的奠基人之一，在固体物理和光学方面成就斐然。而且，他是一位优秀的教师，可以说是大师的大师教师（即他和他的学生都是大师的教师，这样的教师包括索末菲、费米等。相关内容见《天才与良心——那位犀利的物理学家泡利》）。玻恩是哥廷根物理学派的领袖，影响了一大批20世纪的物理学家，其中也包括许多中国物理学家。玻恩被美国科学史学家IB·科恩评价为“物理学家中的物理学家”，是典型的得奖者若得不到诺贝尔奖就会失望的例子。
马克斯·玻恩（1882-1970）| 来源：
玻恩从1923年起致力于量子理论的研究，堪称旧量子理论的破坏者。以玻尔原子模型为首的一批理论，创造了量子力学的早期辉煌，这些理论现在被称为旧量子理论。然而，在20世纪20年代，旧量子理论已无法解释新发现的现象，如氦原子光谱和反常塞曼效应。
1925年，年轻的海森堡创新性地提出了量子力学的矩阵力学表述。当时，海森堡可以说是玻恩的助手。玻恩发现这种表述形式与数学上的矩阵代数一致。他们二人与玻恩的学生约当（）一起发表了一篇论文，用严谨的数学形式全面系统地阐述了海森堡前期的理论，正式宣告了矩阵力学的诞生。这项工作使海森堡获得了1932年的诺贝尔奖。
后来，玻恩对量子力学的另一种形式——波力学做出了重要补充。他完善了波函数的物理意义诺贝尔物理学家合影，提出了波函数的概率解释，成为波力学被广泛接受的重要原因。提出波力学的奥地利物理学家薛定谔和英国物理学家狄拉克共同获得了1933年的诺贝尔奖，玻恩再次无缘。
他之所以没能和海森堡等人一同获奖，最直接的解释是，他在上世纪 30 年代只获得过三次提名。当时的物理学家低估了玻恩的贡献，认为他比不上海森堡和薛定谔的贡献。玻恩本人也比较谦虚，他知道还有一批人不相信他的概率解释，其中就包括爱因斯坦。其实，这体现了科学界的一种复杂性。在玻恩极力赞扬海森堡的同时，海森堡却没有给予同样的赞扬，而是长期保持沉默。好在，玻恩最终获得了诺贝尔奖，而他的得意门生若尔当则永远与诺贝尔奖无缘。
1954年，奖金的另一半被分给了一项实验技术。博特发明的符合法被用在探测电离辐射的粒子探测器上。新方法大大提高了计数效率。
博特（1891-1957） 图片来源：诺贝尔奖
1908年，德国物理学家盖革和英裔新西兰物理学家马斯登在卢瑟福指导下进行了盖革—马斯登实验（金箔实验），发明了能记录带电粒子数目的计数管。当带电粒子通过计数管时，里面的气体就会电离而导电，产生脉冲信号。1924年，博特改进了实验设计，把两个计数管连接在一起，接入逻辑电路（符合电路）。如果两个计数管中同时送入脉冲，则输出信号表明该事件是由同一个粒子引起的，或者粒子运动足够快，可以忽略两个计数管之间的行进时间。这种方法就是符合计数法。
巧合法可用来选择沿特定方向运动的粒子，因此在测量宇宙射线的研究中得到了广泛的应用，特别是在1930年前后的相关重要发现中得到了广泛的应用。此外，前面提到的康普顿获得诺贝尔奖也是得益于博特的工作。博特和盖革利用巧合法验证了光子和反冲电子在康普顿散射过程中同时出现，能量和动量在每次碰撞中都守恒，而不仅仅是在统计意义上守恒。这对于量子力学的发展具有深远的意义，现在巧合法是量子光学领域常用的方法。
早期的盖革计数器 | 图片来源：CBS
为何他们二人会一起获得诺贝尔奖？这肯定和量子力学的未来有关，虽然在外行看来这似乎有些牵强。其实，1955 年的物理学奖也颁给了“兰姆位移”和“电子磁矩”两个不同的发现留学之路，但最终它们都可以用同一个理论来解释，即量子电动力学。
两个方向
1978 年的物理学奖就是典型的强行拼凑，奖项颁发给了两个截然不同的方向。奖金的一半颁给了苏联物理学家彼得·卡皮察，他因“低温物理学领域的基础发明和发现”而获奖。另一半颁给了两位美国工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊，他们因发现宇宙微波背景辐射而获奖。
低温物理，简单来说，就是研究物质在低温环境下特性的学科。一切物质都是由不断运动的原子和分子构成，其温度取决于“热运动”的强度。当温度达到绝对零度时，热运动就停止了。在极低温条件下，科学家发现了物质的许多不寻常的特性，比如超导性。1913年，荷兰物理学家海克·昂内斯因制出液氦，发现物质超导性而获得诺贝尔物理学奖，这也是该领域第一个诺贝尔奖。
透明容器中的液氦 | 图片来源：
1934年，卡皮查设计出一种生产液氦的新装置，这种装置不需要用液氢冷却就能产生大量的液氦，开创了低温物理学的新纪元。卡皮查随后进行了一系列液氦实验，发现了液氦的超流动性——在绝对零度以上约2开尔文时，液体的粘度极低甚至消失。他的实验证明，氦Ⅱ处于宏观量子态，量子效应起主导作用。后来，另一位苏联物理学家朗道从理论上解释了超流体现象的成因，他因“开创了凝聚态特别是液氦的理论”而获得1962年的诺贝尔物理学奖。
卡皮察（ПётрЛеонидович Капица, 1894-1984）丨来源：
朗道的贡献让他赢得了不止一次诺贝尔奖，而他更有可能在 1962 年获奖，因为他在那年早些时候遭遇了车祸。诺贝尔奖不会颁发给已故的人——如果我们不颁给他，可能就太晚了！当时还有另外两位俄罗斯物理学家与朗道一起研究超导体和超流体，但他们直到 2003 年才获得诺贝尔奖。
卡皮查是一位物理学大师，除了低温物理，他还因对强磁场和高温等离子体的研究而闻名，他也是苏联物理学的领军人物，苏联科学院主席团成员，莫斯科物理技术学院（MFTI）的创始人之一。兰道曾因政治原因被监禁一年，正是卡皮查找到斯大林进行抗议和谈判，最终兰道被无罪释放。
（左）和 | 图片来源：.ru
1978 年诺贝尔物理学奖的另一半与 2019 年诺贝尔奖有关。1963 年，贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊将通讯卫星的接收装置改装成射电望远镜，用于接收来自宇宙的无线电波，这是现代天文学最重要的研究手段之一。他们在测量天线性能时发现了一个难以解释的现象，无论天线通向何处，都会产生等效温度为 3.5K 的噪声。多余的温度从何而来？他们尝试排除各种干扰，发现是一对鸽子栖息在天线上，留下了大量鸽粪。他们一度以为这就是罪魁祸首，但清理之后噪声依旧。经过一年的折腾，他们意识到这应该是一个新的发现。
威尔逊（.W.，1936-）（左）和彭齐亚斯（Arno A.，1933-）获得诺贝尔奖后在天线旁合影。来源：
当时普林斯顿大学天体物理学家 H. 迪克等人也在做相关工作，正是他向贝尔实验室的两个实验室建议使用辐射计来寻找宇宙的微波背景，并提出了宇宙早期可能存在某种辐射的问题。当彭齐亚斯联系迪克时，迪克说：“我们抢先了一步”——他们两个首先发现了宇宙微波背景辐射。
在大爆炸模型中，早期宇宙中充满了高温、致密的等离子体和辐射，随着宇宙的膨胀，这些等离子体和辐射逐渐冷却。当冷却到一定温度时，质子和电子结合成中性氢原子，宇宙开始变得透明。随后光子开始在空间中自由移动，这个过程被称为光子退耦。随着空间的膨胀，能量越来越少，剩下的辐射已经到达微波波段。这就是宇宙微波背景辐射，又称遗迹辐射。
彭齐亚斯和威尔逊未能对这种辐射给出理论解释，因此他们的发现也备受争议。许多科学家认为，预言宇宙微波背景辐射、奠定大爆炸模型基础的拉尔夫、伽莫夫和赫尔曼应该获得诺贝尔奖。他们的理论诞生于20世纪40年代，虽然当时并未受到广泛关注，但后来人们意识到了它对宇宙学发展的重要性。
诺贝尔奖最好只有一个搭档。2006年，两位美国物理学家因发现微波背景辐射的黑体形式和各向异性而获得诺贝尔奖，这再次将诺贝尔奖颁给了宇宙学领域。他们利用卫星进行观测，他们的工作在探索宇宙起源和将宇宙学发展为一门精确科学方面发挥了重要作用。
宇宙背景探测器 (COBE) 的成果让约翰·C·马瑟 (1946-) 和乔治·斯穆特 (1945-) 分享了 2006 年诺贝尔物理学奖。来源：NASA
2001 年发射的威尔金森微波各向异性探测器 (WMAP) 观测到的宇宙微波背景辐射。来源：NASA
要说这门学科的理论发展，不能不提去年的诺贝尔奖得主詹姆斯·皮布尔斯。正是他对宇宙微波背景辐射做出了系统的理论解释，描述了宇宙的演化。他不仅进行了数学推导，还紧密结合物理过程的分析，发展了一系列相关理论。目前关于已知物质占5%，未知物质和能量占95%的推测也源于他的理论，并得到了观测实验的证实。
2004年，皮布尔斯获得首届邵逸夫天文学奖，奖项评价为：“他为几乎所有现代宇宙学研究奠定了基础，无论是在理论上还是在观测上，将一个高度推测的领域转变为一门精确的科学。”作为对宇宙学做出最大贡献和创立学派的物理学家，诺贝尔奖颁给他绝对没有任何争议，只是让人觉得两个奖项与发现系外行星同时颁发。至于他为何没有与前几位获奖者同时获奖，很容易猜到是因为当时有那么多大人物，颁不颁给他还是个问题。
詹姆斯·皮布尔斯（1935-）| 来源：诺贝尔奖
以后还有拼凑吗？
又到了 2009 年，这两个领域走到了一起。一半的奖金颁给了美籍华裔物理学家高锟，以表彰他在“光纤传输领域的开创性成就”，另一半则颁给了加拿大裔美国物理学家罗伯特·波义尔和 E·史密斯，以表彰他们发明了半导体成像设备 CCD 传感器。
这两项成果与我们今天的生活更接近，光纤上网和数码相机已普及大众，为今天的信息社会奠定了基础，它们分别获奖也合情合理，如果非要找出联系，那一定与光学有关。然而史密斯和波义尔在开发CCD时，只是想做成电子储存装置，并没有想到要用它来成像。因此，真正用CCD成像的贝尔实验室的I.和波义尔声称他们应该获得诺贝尔奖，他们进一步发展了CCD在数码相机上的应用。
诺奖不断妥协，显而易见。诺奖颁给最有独创性的人，既然不能给四个人，那不如凑一对。其实，2018 年的物理学奖也有拼凑的痕迹。虽然同属激光领域，但一个是光镊（相关内容见《谁能控制你的基因？》），一个是激光放大（相关内容见《跟妈妈讲诺奖：2018 年物理学奖的啁啾是什么？| 小毛巾沙龙》），一个是弱光，一个是强光，是完全不同的两个方向。
关于2019年诺贝尔奖的另一半，系外行星的发现，还有一个有趣的问题。米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹采用了径向速度探测的方法，即观察恒星和行星因引力作用远离（红移）或接近（蓝移）地球，并根据光谱的周期性变化发现恒星的位置。他们的方法开辟了一个新的研究领域，他们应该获得诺贝尔奖。2009年诺贝尔奖的贡献在天文观测中发挥了非常重要的作用。光纤是光学天文望远镜的基本工具，可以完美地将星光引导到光谱仪中。CCD增加了设备对光的灵敏度。俗话说，工欲善其事，必先利其器。他们还使用了更先进的计算机来处理数据，最终发现了第一颗系外行星。
径向速度法示意图 | 图片来源：诺贝尔奖
还有一位天文学家在系外行星的发现方面做出了杰出贡献，他也应该是诺贝尔奖的有力竞争者。美国天文学家马西因开创了凌日法而闻名——根据行星在恒星前运行的光变曲线的周期性变化来发现恒星。这种方法在系外行星搜索竞赛的早期阶段占据了主导地位，他一人就发现了最初发现的 100 颗系外行星中的 70 颗。
凌日法示意图 | 图片来源：NASA
然而 2015 年，马西因性骚扰指控名誉扫地，最终只有他的两位同事获奖。因此可以推断，诺奖委员会发现只差一个，就赶紧把奖颁给了皮布尔斯，皆大欢喜。而且皮布尔斯一直是该奖的有力候选人，多年来一直是亚军。他们一起帮助我们理解了宇宙的演化，对我们在宇宙中的位置有了新的认识。因此，虽然看起来两个奖项一起颁发，被认为有点意外，但其实也在情理之中。
上次获得两个奖项是多年来的，近年来会有更多的组合？将她与另一个方向配对。
最后，我想为那些希望将来赢得奖项的人做几句话：诺贝尔奖一直有争议了一百年，只有在长寿的情况下，您才能成功。
参考
Guo , Shen . Nobel Prize in , 1901-2010[M]. : Press, 2012.
A. X射线作为[J]，1961，29（12）：817-820。
Hou Yude和诺贝尔奖[J]。
Guo 。
在2019年的诺贝尔奖上，还有一颗太阳能明星，诺贝尔。
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