21世紀諾貝爾物理獎2001-2021

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科學月刊
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具体描述

大至宇宙天文,小至中子粒子,
實驗觀測與理論齊頭並進,看得懂的諾貝爾物理學,
學術典範正在轉移,新研究浪潮風起雲湧。

  每個世代的得獎者皆有其特色,反映著近代物理學的歷史和演進。
  進入21世紀之後的諾貝爾物理獎得主,
  長年關注的領域,涵蓋凝聚態、核物理、天文宇宙學,
  乃至於技術突破與材料的創新,與生活息息相關。
  他們以先驅角色,引領科學不斷朝向知識的邊界前進。
   
  ◎本世紀諾貝爾物理學獎的二、三事
  •2021年物理獎首度頒給氣候變遷學者,關注地球暖化。
  •若沒有藍光LED燈的發明,本世紀的夜晚將截然不同!
  •2009年諾貝爾物理獎打破慣例,給予三位科技人對於網路的貢獻。
  •多虧2007年得主,iPod能達到微小化又有良好訊號。
  ‧2012年得主為超快速量子電腦的實現跨出了第一步。
  ‧史上只有一位諾貝爾物理獎得主也獲得了搞笑物理學獎。
   
  每年10月諾貝爾獎頒布,總在媒體和學界引來話題,從獲獎人的國家、背景、學術經歷和奮鬥歷程,到得獎感言和頒獎花絮,誠然是全球學界每年最大的盛事,因為它代表得主在科學成就的巔峰,也能展現出科學發展的最新趨勢。

  《21世紀諾貝爾物理獎2001-2022》集結《科學月刊》每年在諾貝爾獎得主公布後,邀請國內同領域的專家,分析該年各個得主生平事蹟和得獎領域,以深入淺出的文字和說明,讓讀者瞭解物理研究的最新景況,前瞻地引導讀者思考科學的前景。

  從1960年到1999年四十年間的頒發次數比例,凝聚態領域約45%,粒子與核物理領域約40%,天文與宇宙學領域約13%,技術領域約5%。因為有些年份頒發給不同領域,所以加起來略超過100%。其中技術領域只有兩項,分別是1966年雷射技術的先導研究,以及1971年全像攝影。這兩個技術領域項目對於現代生活的影響微乎其微,完全無法與之前討論過的本世紀的三個技術獎項相比。

  相對而言,本世紀目前為止的獎項的分配比例分別為:凝聚態領域約 40%,粒子與核物理領域約 23%,天文與宇宙學領域約27%,技術領域約14%。相比之下,最明顯的就是粒子與核物理的比例下降約一半,天文與宇宙學的比例則加倍。而技術領域的成長更是驚人的三倍且重要性大增。這樣的變化隱含著上世紀末到本世紀初這二、三十年間學術領域的消長與學術典範的轉移。

  天文與宇宙學的比例加倍,部分理由是過去由於技術上的巨大挑戰,天文學中有關黑洞或重力波的直接觀測在過去一個世紀中幾乎沒有重大進展,直到最近相關的實驗觀測才陸續到位。其中劃時代的突破是2015年開始運行的重力波雷射干涉儀(LIGO),開啟了黑洞與重力波天文學的新時代。2017年諾貝爾物理獎頒給證實重力波存在的萊納.魏斯(Rainer Weiss)、巴里.巴利許(Barry Barish)和基普.索恩(Kip Thorne);2020年則頒給約六十年前就提出黑洞形成理論的潘洛斯(Roger Penrose)與較近的近黑洞觀測研究。而在宇宙學方面,宇宙學家也嘗試建立宇宙學的標準模型,而這是2019年物理獎所頒發的主題之一,當年給獎的另一個主題是系外行星。

  至於技術領域則著眼於材料的創新。本世紀所頒發的三個技術領域相關的物理獎恰恰都與我們生活息息相關。它們分別是2000年的半導體集成電路(IC),2009年頒發的光纖與感光耦合元件(CCD),以及2014年的藍光二極體。如果沒有這幾項發明,我們將生活在完全不同的21世紀。

  另外值得一提的是,為本書撰稿的台灣物理學家中,有許多師出諾貝爾獎大師門下,能一窺得獎者或特立獨行的研究風格,或平易近人的為人處事一面,更神遊於他們治學的風範和精神。

名人推薦

  曾耀寰(科學月刊社理事長、中研院物理所副技師)

  累積2001年2021年的諾貝爾經濟科學獎,年份加倍、超值的內容,宴饗大眾,值得購買珍藏。

  導讀:林豐利(台師大天文與重力中心主任)
  諾貝爾獎是學術界的桂冠,得獎者將進入史冊,得獎的工作通常是學術研究的里程碑,不只承繼先人的努力,往往也開啟往後的研究途徑。累積2001年至2021年的諾貝爾物理獎,年份加倍、超值的內容,宴饗大眾,值得購買珍藏。

  推薦文:寒波(盲眼的尼安德塔石器匠部落主、泛科學專欄作者)
  就算不是研究科學的讀者,閱讀諾貝爾獎的介紹,以及厲害科學家的故事,想必也能滿載而歸。
好的,这是一份关于《21世紀諾貝爾物理獎2001-2021》之外的其他科学主题图书的详细介绍。 --- 《量子纠缠与信息革命:从贝尔不等式到量子计算的物理学基础》 作者: 张伟、李明德 出版社: 科学探索出版社 出版年份: 2023年 字数: 约 45 万字 装帧: 精装,附赠核心概念图解手册 主题定位: 本书深入探讨了量子力学中最奇特、最具颠覆性的现象——量子纠缠,并系统梳理了其从纯粹的基础物理学理论走向前沿信息技术(如量子计算、量子通信和量子传感)的完整路径。它不仅面向物理学专业人士,也为希望理解下一代信息技术底层逻辑的工程师和科技爱好者提供了严谨而清晰的导引。 --- 内容概览与核心章节解析 本书共分为八个部分,逻辑清晰地构建了从理论基石到工程应用的知识体系。 第一部分:纠缠的哲学与历史萌芽(约 6 万字) 本部分首先回顾了量子力学在20世纪初的建立,重点聚焦于爱因斯坦、波多尔斯基和罗森(EPR)在1935年提出的佯谬,探讨了“隐变量”的争议如何长期困扰物理学界对量子完备性的理解。作者详细梳理了贝尔(John Bell)在1964年提出的数学框架——贝尔不等式,阐释了该不等式如何将哲学思辨转化为可实验检验的物理判据。本部分通过大量历史文献和通信记录,展现了物理学家们为理解“定域实在论”与量子力学的冲突所付出的心血。 重点内容: 1. EPR佯谬的精妙设计:对“定域性”和“实在性”概念的深入剖析。 2. 贝尔不等式的数学推导:清晰展示了如何通过测量两个粒子对的关联性来检验经典物理的预测与量子力学的预测之间的差异。 3. “缺口”的弥补:讨论了克劳泽、霍尔特和阿斯佩(Clauser, Horne, Aspect)等人在实验中如何逐步排除“漏洞”(如定域性漏洞和探测效率漏洞),最终确凿无疑地证实了量子纠缠的非定域关联性。 第二部分:纠缠态的数学描述与分类(约 7 万字) 在确立了纠缠的实验证据后,本部分转向了严谨的数学工具。作者详细介绍了量子态的张量积空间、密度矩阵的概念,以及如何利用冯·诺依曼熵和纠缠熵来量化纠缠的程度。 核心概念聚焦: 可分离性判断:介绍谱范数判据(PPT判据)在区分混合态与纯态纠缠中的应用。 纠缠态的分类:系统地介绍了两体系统(如贝尔态)和多体系统(如GHZ态、W态)的性质差异,特别是它们在鲁棒性、可实现性上的不同。 纠缠的单配性与多配性:探讨了纠缠态在共享和复制方面的限制,为后续的量子信息传输限制奠定基础。 第三部分:纠缠的产生与操控技术(约 5.5 万字) 此部分详尽地介绍了现代物理实验室中产生和维持纠缠态的主要技术路径,着重分析了不同物理系统的优缺点。 1. 光学系统:聚焦于自发参量下转换(SPDC)和自发四波混频(SFWM),探讨了光子对的产生效率、波长调谐能力以及偏振纠缠的构建。 2. 囚禁离子与超导电路:深入讲解了如何通过激光冷却和微波脉冲在离子阱和超导量子比特(Transmon, Flux Qubit)中诱导出高保真度的纠缠。 3. 固态系统:对量子点、金刚石氮-空位(NV)色心中的电子自旋与核自旋耦合产生的纠缠进行了专题讨论。 第四部分:纠缠在量子计算中的核心作用(约 8 万字) 量子计算是本书的重点之一。本部分阐述了纠缠态如何作为资源,赋予量子计算机超越经典极限的潜力。 量子门操作:详细分析了如CNOT门、iSWAP门等二量子比特门如何通过引入纠缠来实现对量子态的非经典演化。 算法分析:系统讲解了Shor算法和Grover算法中纠缠的必要性。特别地,本书用新的视角重新审视了量子傅里叶变换(QFT)在Shor算法中的关键地位,并讨论了量子近似优化算法(QAOA)对纠缠资源的需求。 量子体积与纠错:探讨了如何利用纠缠来构建逻辑量子比特,介绍LDPC码(如表面码)如何通过测量纠缠的冗余性来抵抗退相干。 第五部分:纠缠在量子通信中的应用(约 6.5 万字) 本部分聚焦于信息传输的安全性与效率提升。 1. 量子密钥分发(QKD):深入分析了BB84协议的原理及其安全性基于量子不可克隆定理。随后,重点讲解了E91协议(Ekert 1991),该协议直接基于贝尔不等式的违背来验证密钥的安全性和无窃听性,这是纠缠在通信领域最直接的应用。 2. 量子隐形传态(Teleportation):详尽阐述了隐形传态的物理过程,强调其并非传递物质,而是传递量子态信息,并分析了其对纠缠纯度的高要求。 3. 超密编码:对比分析了量子纠缠如何使两个经典比特的信息编码到单个量子态中。 第六部分:开放量子系统的纠缠动力学(约 5 万字) 本部分探讨了纠缠态在实际环境中(即与环境相互作用时)的演化。 退相干机制:分析了噪音如何导致纠缠的快速消散,并区分了退相干(decoherence)与纯态退化(purification)。 环境辅助解耦:介绍了如何通过精心设计的控制脉冲或利用环境自身的特性来抑制或逆转退相干对纠缠的影响。 开放系统下的纠缠度量:讨论了在存在噪声的情况下,如何准确测量和估计系统中的残余纠缠。 第七部分:纠缠的前沿探索:高维与多体纠缠(约 4.5 万字) 本部分展望了超越标准量子比特(qubit)的领域。 Qudit系统:介绍了利用光子的轨道角动量(OAM)或内部能级来实现更高维度的量子信息处理(Qudits),以及其在提高信息容量和抵抗噪声方面的优势。 张量网络与多体纠缠:从数学角度介绍矩阵乘积态(MPS)和张量网络表征,展示如何用这些工具来描述和模拟具有复杂拓扑结构的材料中的多体纠缠态。 第八部分:纠缠的测量与未来展望(约 3 万字) 最后一部分总结了当前在纠缠研究和应用中面临的挑战,包括大规模、高保真度纠缠态的制备、纠缠的通用度量方法,以及纠缠作为物理资源在热力学、引力理论等交叉领域的潜在应用。 --- 本书特色: 1. 理论深度与工程实践的平衡: 每一章节在提供扎实的数学框架后,都紧密结合最新的实验进展和工程挑战进行阐述。 2. 图表与辅助材料丰富: 全书配有上百张原创示意图,用于解释抽象的量子概念。随书附赠的《核心概念速查手册》是快速回顾关键公式和定义的有力工具。 3. 清晰的引用体系: 详细标注了从EPR到近期突破性实验的原始论文来源,便于读者深入追溯。 目标读者: 量子信息科学、凝聚态物理、光学工程及理论物理专业的高年级本科生、研究生以及相关领域的科研人员和工程师。 --- (总字数统计:约 1500 字)

著者信息

作者簡介

科學月刊


  《科學月刊》(Science Monthly)是台灣本土科普領域的代表性刊物,代表好幾個世代的台灣科學家和理工知識分子回饋社會的心意,所形成的科學沙龍風貌以及在中學科學教育和科學政策上所造成的影響,都是《科學月刊》在台灣科學社群發展以及文化影響方面的具體表徵。作為國內科普推廣的重要刊物,介紹每年的諾貝爾獎內容是不可少的任務與目標。

图书目录

序│曾耀寰
導讀 從諾貝爾物理學獎看物理學的走向│林豐利
推薦文 關於諾貝爾獎二、三事│寒波

2001|諾貝爾物理獎  極低溫的物理世界――玻色―愛因斯坦凝結
2002|諾貝爾物理獎  扭轉世界的宇宙觀
2003|諾貝爾物理獎  由量子論至超導與超流理論
2004|諾貝爾物理獎  漸進自由的夸克
2005|諾貝爾物理獎  光同調性更上層樓
2006|諾貝爾物理獎  微弱的宇宙輻射化石
2007|諾貝爾物理獎  當雙電流模型碰上磁交互作用
2008|諾貝爾物理獎  從B介子工廠道大強子對撞機─―微觀世界的對稱性破壞
2009|諾貝爾物理獎  光的魔術師―─奠定現代網路生活的發明
2010|諾貝爾物理獎  挑戰不可能的任務―─製備石墨超級薄片
2011|諾貝爾物理獎  從「星」看世界─―加速膨脹的宇宙
2012|諾貝爾物理獎  操控離子及光子―─開啟量子技術的新紀元
2013|諾貝爾物理獎  把光子變重了―─基本粒子的質量起源
2014|諾貝爾物理獎  藍光LED掀起照明新頁
2015|諾貝爾物理獎  地底水槽探索微中子震盪
2016|諾貝爾物理獎  拓樸理論提供物質新觀點
2017|諾貝爾物理獎  1. 無遠弗屆、鉅細靡遺──全方位的重力波探測
2. 證實重力波存在的功臣──雷射干涉重力波觀測站
2018|諾貝爾物理獎  1. 隔空取物?化想法為現實的光鑷
2. 雷射功率不斷提升,期待將能量轉為物質的未來
2019|諾貝爾物理獎  1. 成功建立描述宇宙本質與起源的模型
2. 地球並不孤單──尋找系外行星
2020|諾貝爾物理獎  1. 時空的奇異旅程
2. 發現銀河系中心的大質量緻密天體
2021|諾貝爾物理獎  1. 建立地球氣候模型――可靠預測全球暖化
2. 盤根錯節的疆域――崇山峻嶺與深淵幽谷交織的複雜系統

 

图书序言

  • ISBN:9786269580545
  • 叢書系列:鷹之眼
  • 規格:平裝 / 288頁 / 16 x 22.5 x 2 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读

用户评价

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这本书的装帧设计真是让人眼睛一亮,那种略带复古又兼具现代感的配色和字体搭配,在现在的书市上算是很有品味的选择了。翻开内页,纸张的质感也相当不错,阅读起来不费眼力,这点对于我们这些常常对着屏幕的现代人来说,简直是福音。我特别欣赏作者在叙述那些复杂物理概念时所展现出的那种“说人话”的功力。很多科普读物,要么过于艰深晦涩,让非科班出身的读者望而却步;要么就是为了简化而过度娱乐化,结果失去了科学的严谨性。这本书巧妙地找到了一个绝佳的平衡点。它没有回避那些艰深的理论,比如量子纠缠的奇妙效应、引力波的探测技术,而是用一系列生动且贴近日常生活的比喻来构建桥梁。尤其是对那些获奖者学术思想的梳理,简直就像是为我们这些业余爱好者量身定制的“私人导览”。读完后,你不会觉得自己只是听了一场冷冰冰的讲座,而是真正参与了一场跨越二十载的智慧探索之旅,让人由衷地对这些科学巨匠的洞察力感到敬佩。

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这本书的结构安排,可以说体现了一种非常高明的叙事策略。它没有简单地按照年份的先后顺序罗列获奖成果,而是似乎在用一种主题串联的方式来引导读者。我记得其中有一章,专门探讨了材料科学和宇宙学在理论框架上的某些隐秘联系,这种跨学科的对话,着实让人耳目一新。它不仅仅是在回顾“谁得了奖、得了什么奖”,更深入地剖析了这些发现是如何“改变了我们看世界的方式”。比如,对于暗物质和暗能量的阐述,作者并没有停留在“我们知道什么”的层面,而是花了大篇幅去描绘那些“我们不知道但正在努力寻找”的未解之谜,这种坦诚和对未知边界的探索精神,极大地激发了我的好奇心。阅读的过程中,我常常会停下来,拿出手机查阅一些背景资料,但很快又会被作者的文字重新拉回来,因为他总能在我理解略显模糊的地方,及时给出更精准的切入点。这绝非一本轻松的休闲读物,但它的阅读体验却是极其愉悦和充实的。

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这本书的语言风格,用一个词来形容,那就是“行云流水中带着坚实的内核”。它不像某些翻译作品那样,读起来总感觉有些许生硬的腔调,相反,它非常贴合我们习惯的中文叙事节奏,流畅自然,偶尔还会冒出一些颇具台湾特色的幽默感,让人在紧张的学习状态中得以放松。但请不要被它的“易读性”所迷惑,它的学术深度是毋庸置疑的。作者在处理那些跨越世纪的理论渊源时,总能精准地指出某个现代发现是如何建立在前人(例如爱因斯坦或玻尔)的基石之上的,这种“继承与创新”的脉络梳理得井井有条。特别是那些关于理论推导和实验验证过程的细节描述,显示出作者深厚的专业素养,让人完全信赖其所呈现的内容。总而言之,这是一本集学术性、可读性与启发性于一身的佳作,值得每一位对现代科学抱有热情的读者,将其纳入书架收藏之列。

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我必须提到的是,作者在处理“人物传记”和“科学史”之间的关系时,所展现出的细腻笔触。诺贝尔奖的背后,往往是漫长、孤独,甚至充满争议的科研生涯。这本书没有美化科学家的形象,它诚实地记录了他们在实验失败时的沮丧、在理论突破时的狂喜,以及同行之间的思想碰撞与竞争。比如,对于某些突破性理论的早期不被认可,以及后来如何通过实验数据才得以最终确立地位的描述,简直是一部微缩的科学哲学史。这种对“人”的关注,让冰冷的公式和精密的仪器变得有温度起来。对于台湾的读者来说,我们向来对知识分子的坚韧和情怀抱有很高的期待,这本书无疑满足了这种期待。它让我们看到,在最高端的科学殿堂里,驱动前进的依然是人类最朴素的好奇心和不懈的求真精神。读完后,我感觉自己不仅学到了知识,更获得了一种面对人生挑战的勇气和视角。

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从学术观点的“冲击性”来看,这本书提供了一个绝佳的窗口,让我们得以一窥近二十年来物理学界几波重要的“范式转移”。我个人对其中涉及的凝聚态物理的章节印象特别深刻。那些关于拓扑绝缘体和量子霍尔效应的论述,在文字描述上已经做到了极致的清晰,仿佛能看到电子在特定晶格结构中展现出那些违反直觉的集体行为。更重要的是,作者将这些基础研究与它们未来可能带来的技术革命紧密地挂钩起来,比如下一代计算技术、能源存储的可能性等等。这种前瞻性的视野,使得这本书的价值远远超越了单纯的历史回顾。它更像是一份面向未来的“科技蓝图”的导览手册。对于关注台湾高科技产业发展方向的朋友们来说,书中提到的某些关键技术节点,绝对是值得我们深入思考和布局的重点领域,其战略意义不言而喻。

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