諾獎前瞻：物理獎存在內外循環？今年誰可能獲獎？

復旦大學物理學系教授施鬱預測，今年的諾貝爾物理學獎，很可能頒給對像差校正電子顯微鏡發展做出重要貢獻的三位物理學家。以上圖片從左到右分別為奧地利科學家Maximilian Haider，德國物理學家Harald Rose和德國物理學家Knut Urban。他們三人和有著捷克和英國雙重國籍的科學家Ondrej Krivane在今年一起獲得科維理納米科學獎。

圖源：nuevastecnologiasymateriales.com

撰文 | 施鬱（復旦大學物理學系教授）

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2020年諾貝爾物理學獎將於10月6日宣布。一年一度揣摩一下哪組科學家可能折冠，不失為回顧物理學進展的一個機會。

雖然現在有的科學獎的獎金已經超過諾獎，但是諾獎的至高地位依然牢固。當然，為了繼續保持諾獎的權威地位，諾獎委員會也要能堅持做出正確選擇。

十幾年前，我注意到獲獎領域越來越集中於四大領域：粒子物理、原子分子光物理、凝聚態物理和天體物理，或多或少有循環（也可稱輪流或周期）。

可以說，諾獎的頒發並不是雜亂無章的。本世紀以來，每年的頒獎在這四大領域中輪流，但不是嚴格的周期性，可以有微調。在一段時間內，每個領域平均次數基本持平。還可以看到，相鄰年不授予同一領域，甚至分別屬於物理I和物理II（按照中國自然科學基金的劃分）。

我曾經將本世紀以來諾貝爾物理學獎總結成一個表格，更新如下。

制表：施鬱

從2001年到2008年，正好是完美的兩個周期。在每個周期裡，又嚴格按照原子分子光物理（以下簡稱原分光）、天體、凝聚態和粒子的順序。也就是說，這4個領域中，每個領域每4年得一次獎。

2009年是原分光獲獎，確實是按前面順序的延申。但是後面出現了微調。我們這裡可以做點儘量客觀的分析。

2012年7月，希格斯（Higgs）粒子被發現，證明了 Brout-Englert-Higgs 機制（基本粒子獲得質量的機制）。這是粒子物理的重大進展，相關工作應該獲得諾貝爾獎。但是當時，2012年諾獎的提名期已經過去。所以最快要等到2013年才能獲獎。確實，2013年諾獎授予提出這個機制的理論家（除了已經去世的Brout）。我曾經猜測，為了避免2012和2013兩個相鄰的年份都授予粒子物理，將相隔4年本該輪到的粒子換成了原分光。

可以看到，這種重大突發事件導致的諾獎，類似於插隊，對原來的帶微調的循環，或者說原來排隊的項目，影響有限，因為雖然沒有連續兩年都給粒子物理，但是隔了一年後，粒子物理再次得獎，不過2015年的項目與希格斯機制相距較遠，而且與 「本該」 輪到的天體物理相關。

類似地，2016年，LIGO直接探測到引力波，最快也要等到2017年得獎。事實上，LIGO確實於2017年得獎。這也沒有影響隔了一年後，天體物理再次得獎。

歷史上，李政道和楊振寧1956年提出弱相互作用中宇稱可能不守恆。1957年初，實驗上證實確實不守恆。幸運的是，這時很逼近，卻又沒到1957年諾獎提名截止期。這使得李政道和楊振寧的1957年諾獎成為歷史上最快的諾獎，也就是，從論文發表到得獎的間隔最短。這個紀錄很難打破。

領域劃分是相對的、粗略的。時間靠近的同一領域的獲獎項目也會儘量遠離。這可以稱作內循環，而四大領域之間的循環可以稱作外循環。外循環中的微調通過內循環得到彌補。這可以稱為「遠離原則」。

例如，儘管同屬粒子物理大類，2015年的粒子物理獲獎工作與天體物理相關，又與兩年前獲獎的希格斯機制相距較遠。儘管同屬天體物理大類，2019年的天體物理獲獎工作與兩年前獲獎的引力波也相距較遠。

2016年的凝聚態拓撲與早兩年獲獎的藍光二極體雖然同屬凝聚態物理大類，但是也相距很遠，一個是基礎理論，一個是應用性工作。 雖然2016年按照排隊，更可能是原分光，但是因為筆者看好的兩位候選人相繼不幸離世，當時猜了凝聚態的拓撲方向。對於2013年的希格斯和2017年的引力波，都是提前一年就說對了。也曾說對了2009年原子分子和光物理， 2015年說天體物理，具體所說的系外行星4年後得獎。2015年得獎的中微子振蕩很大程度是太陽中微子缺失問題，與天體物理密切相關。

當然，以上都是從常識出發所作的分析，是在實踐中自然導致的概率性結果，不是法則，可以違反。對於這些概率性 「規律」，諾獎委員不一定意識到，也不會承認。

那麼今年會花落誰家呢？粒子物理5年沒得了，但是粒子物理與天體物理同屬物理II, 還沒有過相鄰年得獎的先例，更有甚者，去年得獎的宇宙學的具體成果涉及極早期宇宙、暗物質和暗能量，與粒子物理很相關。所以今年粒子物理得獎的可能性較小，儘管如果是粒子物理，則2001到2020年之間，每個領域的得獎總數都是5，嚴格相等。

我認為今年最大可能獲獎的，是凝聚態物理中比較實用或技術性的項目。具體的一組可能獲獎人是：

Maximilian Haider（奧地利人），Harald Rose（德國人）和 Knut Urban（德國人）

獲獎理由是：發明了像差校正電子顯微鏡，使得可以以皮米的精度觀察原子，實現了亞埃的3維成像。

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我們能看到宏觀物體是因為可見光的波長是幾千埃，或者說微米量級，因為1米=106微米=1010埃。而原子的大小是埃的量級，因此用可見光是看不到的，可以用電子束。

1924年，德布羅意提出電子以及其他物質粒子也是一種波，後來被嚴格的量子力學確認。三年後，戴維森（Clinton Joseph Davisson）和湯姆遜（George Paget Thomson）分別觀察到電子被晶體中的原子衍射的現象。1931年，Ernst Ruska 和 Max Knoll 發明了電子顯微鏡（簡稱電鏡）。與光學顯微鏡的設計類似的透射電鏡叫做傳統透射電鏡（CTEM）。1937年，Manfred von Ardenne 發明了掃描時有電子透射的掃描透射電子顯微鏡（STEM）。但是因為電鏡的像差（實際成像與單透鏡理論結果之間的差別）比較嚴重，電鏡的稜鏡一直需要改進。1980年代發明的掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡只能用於材料的表面。

1990年，當時在 Darmstadt 大學的 Harald Rose，在電磁6極裝置上設計了一個稜鏡系統，能夠抵消像差。次年，Rose聯合當時在海德堡的 Maximilian Haider 和在 Jülich 的 Knut Urban 在一個CTEM上實現他的設計。1998年, 他們發表了第一個成像。後來這個技術也用到STEM。

20年來，像差校正的CTEM的分辨力達到0.5埃，可以用來觀察單個原子。

Harald Rose的貢獻主要是設計了所謂Rose校正器（ Rose corrector），在透射電鏡中校正像差，這也可以用於掃描電鏡。

Maximilian Haider 的貢獻是在Rose的設計基礎上，實現了第一個6極校正器（sextupole corrector），並且在第一個像差校正的透射電鏡中起了重要角色。

Knut Urban 的貢獻是在第一個像差校正的透射電鏡的製造中起了重要角色。

Harald Rose 在 Darmstadt 大學獲得博士學位，研究電子光學，然後在這所大學工作。2009年起是Ulm大學ZEISS高級教授。

Maximilian Haider 1987年在 Damstadt 大學獲博士學位，在海德堡的歐洲分子生物實驗室工作至今。他也是 Karlsruhe 工學院的名譽教授。還創建了 Corrected Electron Optical Systems GmbH 公司。

Knut Urban 1972年於Stuttgart大學獲博士學位。他現在是RWTH Aachen 大學的高級教授。

他們獲得過2011年沃爾夫獎和2020年科維理納米科學獎。本文有一部分參考了相關信息。