科學至高獎「諾貝爾物理學獎」為何從未涉足力學領域？

導讀：一年一度的諾貝爾獎已經開始陸續揭開帷幕，今年的諾貝爾物理學獎頒發給了Roger Penrose、Reinhard Genzel和Andrea Ghez，以表彰他們發現黑洞所做出的傑出貢獻。自1901年以來，縱觀歷年的諾貝爾物理學獎，從未涉足過力學領域，這其實與力學的學科特徵有關。

1、引言

諾貝爾獎在這個十一假期的尾巴陸續公布，由於疫情的影響，預定於12月份的頒獎典禮也改為線上舉行。今年獲得諾貝爾物理學獎的獲得者是Roger Penrose、Reinhard Genzel和Andrea Ghez，以表彰他們在發現黑洞所取得的突出成績。

2020諾貝爾物理獎得主

2、歷年物理學獎領域分析

自1901年，諾貝爾物理學獎開始頒獎以來，到2020年，已經頒布了共114次，其中1916、31、3440、41、 42等六年由於種種原因未頒發。在這114次諾貝爾物理學獎中，基本上每一年的獎項都頒發給同一個研究領域。但是，也有例外，1978年的物理學獎頒發給了兩個領域：蘇聯科學院低溫物理領域的基本發明和美國貝爾實驗室發現和發現宇宙微波背景輻射。

宇宙背景輻射（1978年諾獎）

在這114次獲獎的研究領域中，大概可以分為：基本粒子、量子力學、材料學、新設備、宇宙學、放射性、超導、等領域。這些領域之間本身也會存在著交叉，比如量子力學與基本粒子，基本粒子與宇宙學。從結果來看，基本粒子的相關研究是諾貝爾物理學獎的寵兒，它包括基本粒子的預測、發現、模型、應用等。值得一提的是，我國的楊振寧的獲獎研究（1957年）宇稱不守恆定律就是預測基本粒子的。

1957年的諾貝爾物理學獎（楊振寧右）

放射性相關的研究是諾貝爾物理學獎的第二熱點l，特別是早期。物理學獎的第一次就給了倫琴的X射線。實際上，放射性的研究與基本粒子的研究是一脈相承的，這也與科學的發展規律相符合。早期，由於研究水平的限制，只能探究一些相對容易發現的問題，天然的輻射現象就進入科學家的眼帘。早期的人們，只能發現存在這樣的現象，甚至可以運用放射性進行一些研究，如晶體結構，但是他們尚無法解釋清楚。隨著研究的深入，這些放射性現象其實都是與粒子運動相關。所以，後期，各種基本粒子被不斷的發現。

X射線成像（第一個諾貝爾物理學獎的應用）

第三個諾獎的獲獎熱點領域是量子力學。普朗克最早發現量子而獲1918年的諾獎，海森堡建立量子力學獲1932年的諾獎，薛丁格和狄利克雷建立了量子力學的基本方程獲1933年的諾獎。隨後，量子力學不斷完善。由於量子力學是微觀的力學，其研究離不開基本粒子的研究，他們之間同樣相輔相成。

量子力學

前三的熱點領域幾乎佔據了諾貝爾物理學獎的大半江山（64%），剩下的研究領域有光學（7）、新設備（7）、宇宙學（7）、超導（5）、材料學（4），等等。光學方面主要是早期的光學性質的發現及其應用，最近的是2018年雷射物理的突破性發明。在新設備方面主要是各種測量儀器的發明，如2009年貝爾實驗室半導體成像器件。近十年，宇宙學相關研究已有4年獲獎，去年和今年的諾獎就與宇宙學相關。超導方面的研究進展緩慢，最新的諾獎在2003年。縱觀諾獎的研究內容，追求事物的本質是諾獎永恆不變的評判標準，這也是物理的基本目標之一。

3、力學的學科特性

力學（經典力學），雖說屬於物理學範疇，但很多的力學工作者從不認為自己從事物理學，這跟力學的學科特徵有關。經典力學始於牛頓，研究的是一般尺寸下物體的運動、受力、變形等。它可以大到宇宙天體，卻不可以小到基本粒子，最小的也就是納米力學。物體的運動速度也必須遠低於光速。

經典力學的鼻祖

經典力學中的力只分析兩種力：電磁力和引力，因為這兩種力是一般尺寸（宏觀）下物體受到的力。另外兩種強、弱相互作用力與宏觀物體無關。在力學的分析中，我們從不深究電磁力和引力來自何方，我們只需要知道這些力如何分布。這其實就是力學相關研究成果從未真正接觸到諾獎的根本原因。

力學只關心力如何分布，不關心力來自何方

另外，力學其實更加的偏向數學，它主要的任務其實就是想盡各種辦法求解偏微分方程組。所以，即使力學在理論方面有所突破，也是與數學息息相關的。在我們國家，力學就歸屬於數理學部。我們都知道，諾貝爾是沒有數學獎的。

諾貝爾沒有數學獎

4、與力學搭邊的諾獎

雖說，諾貝爾獎與力學直接相關的完全沒有，但是間接相關的還是存在的。1946年，哈佛大學的布裡奇曼因發明了獲得超高壓的裝置，獲得了諾貝爾物理學獎，這是力學與諾貝爾物理學獎最接近的一次。布裡奇曼利用這一裝置，獲得了與塑性力學有關的一些結論，解釋了塑性變形與靜水壓力關係不大，只與剪應力有關。

布裡奇曼

另外，1904年的物理學獎獲得者 Rayleigh也是個力學家，雖然他獲獎的原因是發現氬氣。學過有限元的同學肯定知道，瑞利這個人，他提出了求解變分問題的Rayleigh方法，可直接得到狄利克雷泛函的特徵值。學過彈性波的同學也肯定知道Rayleigh波，它是一種沿半無限彈性介質自由表面傳播的偏振波。

瑞利波

另一位與力學有關的諾獎獲獎者更神奇，他獲得的是1975年的諾貝爾經濟學獎。康託洛維奇，俄羅斯力學家，他提出了直接求解變分方程的近似方法。得益於其強大的數學功底，在經濟學領域的最優分配問題上做出了傑出貢獻。可能，他太強大了，雖然沒有諾貝爾數學獎，但是給他一個經濟學獎。

康託洛維奇法求解變分方程

5、總結

諾獎關注事物的本質，而力學它不追求力的本質，只關心力如何分布。所以，儘管力學領域相關的研究同樣精彩，甚至不輸與諾獎。但是在諾獎看來，力學要麼偏向於應用，要麼偏向於數學，都與諾獎的頒發標準不一致。