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物理進展與諾貝爾榮耀

楊仲準 中央研究院物理研究所博士後研究員

三、原子模型與基本粒子
關於物質的基本構成-原子，人類 到了20 世紀才開始瞭解到他的一些本 質與構成。首先貝克勒(Antoine Henri Becquerel)發現了鈾鹽的天然放射性。 而居禮夫婦(Pierre Curie, Marie Curie) 則是在瀝青鈾礦中提煉出放射性更強的 鐳。他們的研究開啟了原子時代的來 臨，也使得他們同時獲頒1903 年的諾 貝爾物理獎。現今我們知道，原子的內 部構造主要是由電子繞著由質子與中子 所構成的原子核共同組合而成。電子是 由前面說到的湯姆生所發現，質子則是 由拉賽福(Ernest Rutherford)所發現， 但是他獲得的是1908 年的諾貝爾化學 獎，主要是表彰他在輻射元素研究上的 貢獻。中子是由查瑞克( J a m e s Chadwick)所的發現，並確認中子不帶 電， 大約與質子等重， 也因此得到 1935 年的諾貝爾物理獎。

除了這些一般粒子外，反粒子的發 現，也在核物理的研究上佔有一席之 地。前面提到，狄拉克因相對論性的量 子力學理論得獎項，但同時他也預言了 正電子的存在。果然，安德森( C a r l David Anderson)在研究宇宙輻射時，就 發現了正電子的軌跡，而與赫斯(Victor Franz Hess)共同得到1936年的諾貝爾物 理獎。1955 年西格雷(Emilio GinoSegre)與張伯倫(Owen Chamberlain)利用 加速器產生反質子，也因此獲得了1959 年的諾貝爾物理獎。

當電子、質子、中子與其反粒子 被發現後，一些科學家不禁又開始提 問，是否有更基本的粒子存在。1964 年蓋德曼(Murry Gell-Mann)提出了夸 克模型將許多由加速器中發現的不穩定 粒子分類。因而獲得了1969 年的諾貝 爾物理獎。夸克分為上、下、奇、魅、 底、頂六種。1974 年丁肇中與李克特 (Burton Richter)分別觀測到魅夸克而獲 得1976 年的諾貝爾物理獎。此外還有 佛萊德門(Jerome I. Friedman)、肯得 (Henry W. Kendall)、泰勒(Richard E. Taylor)等對電子與質子和束縛中子的 深度非彈性散射進行的先驅性研究，以 及對粒子物理中夸克模型的發展起了重 要的啟發作用，而得到1990 年的諾貝 爾物理獎。

由於基本粒子的研究，也使的基 本作用力的研究發展起來。宇宙目前已 知的四個基本作用力為重力、電磁力、 強作用力、弱作用力。作用力的傳遞是 透過交換所謂的「交換子」來達成。除 去目前尚有爭議的重力子外，公認的電 磁作用力交換子為光子，強作用力的交 換子為π介子，弱作用力則為W±與Z0 粒子。強作用力的理論由湯川秀樹所提出，而π介子則是由鮑威爾( C e c i l Frank Powell)所發現，兩人也因此而分 別獲得到1949與1950年的諾貝爾物理 獎。將弱作用力與電磁力結合在一起的 弱電理論是由溫伯格( S t e v e n Weinberg)、格拉謝(Sheldom Lee Glaschow)、與撒拉姆(Abdus Salam)所 建立，他們也因而獲得1979 年的諾貝 爾物理獎。盧比亞(Carlo Rubbia)與范 德梅爾(Simon Van Der Meer)則是發現 了弱電統一理論預言的W±與Z0粒子而 獲得1984 年的諾貝爾物理獎項。1999 年，諾貝爾獎再次頒給電弱作用的研 究- 霍夫特(Gerardus't Hooft)與韋特曼 (Martinus Veltman)，主要是表彰他們 解釋了電弱作用的量子結構。
圖三 (a)原子模型。原子核中包含質子與電子。原子核外有電子圍繞。圖中核外的
圖三　 (a)原子模型。原子核中包含質子與電子。原子核外有電子圍繞。圖中核外的 黑點為電子的分佈機率密度。 (b)若是在任一瞬間對此原子周圍的電子量測， 只會發現電子出現在單一的位置。但是如是做長期的統計，則可發現如(a)圖一 般的分佈。每一圈密度較高的地方，為不同的電子軌域。

四、固態物理學的發展
由於量子力學的發展，也帶動了 固態物理的興起。例如肖克力(William Shockley)、巴丁(Johm Bardeen)、布拉 頓(Walter Houser Brattain)因為研究半 導體與晶體管效應得到1956 年的物理 獎。1962 年藍道(Lev Davidovich Landau)因對凝聚態物質的研究與液氦 的超流理論得獎。阿爾芬(Hannes Olof Gosta Alfven)與尼爾(Louis Eugene Felix Neel)對磁流體與固體磁性的研究 獲頒1970年的物理獎。1977年安德森 (Philip Warren Anderson)、范弗烈克 (John Hasbrouck Van Vleck)、莫特 (Nevill Francis Mott)則是由於開發固 體的磁性和無序系統的電子結構的研究 方法而獲獎。而關於超導這一項目則一 共發出了五年的獎項，分別是1913 、 1972 、1973 、1987 和2003 。1913 年 頒給發現超導現象的歐尼斯( H e i k e Kamerlingh Onnes)。1972年頒給提出 超導微觀B C S 理論的巴丁( J o h n Bardeen)、庫伯(Leon North Cooper)和 施理弗(John Robert Schrieffer)。1973 年給發現半導體和超導體中的穿隧效應 的江崎玲於奈(Leo Esak)和加埃沃(Ivar Giaever)，與預言穿隧電流性質的約瑟 夫(Brian David Josephson)。1987年， 柏諾茲(J. Georg Bednorz)和繆勒(Karl A. Muller)則因發現新型的鑭鋇銅氧高溫超導而獲得物理獎項。2003 年，阿布理科索夫(Alexei A. Abrikosov)、金 茲堡(Vitaly L. Ginzburg)與萊格特 (Anthony J. Leggett)因開發超導與超流 理論而獲獎。

其他尚有許多諾貝爾物理獎所表 彰的工作亦有重大貢獻，諸如1944 與 1952 年頒給核磁共振的研究、1964 年 頒給雷射的研究、1974 年頒給射電天 文學、1986 年頒給發明電子顯微鏡的 學者、1991 年頒給液晶的研究。然而 諾貝爾物理獎也有許多遺珠之憾，最著 名的就是愛因斯坦就沒有因為相對論的 研究獲獎。還有做出電弱作用與稱不守 恆實驗的吳健雄女士也因尚未解密的原 因而未獲獎。但是即使如此，也不能掩 蓋他們對物理學的貢獻。諾貝爾物理學 獎一百餘年來，的確是對許多物理學的 重大發現做出了實質的肯定，研究頒獎 的紀錄，就是研究一段近代物理的發展史。
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