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[其他相关] 科学至高奖“诺贝尔物理学奖”为何从未涉足力学领域?

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发表于 2020-10-15 15:29 | 显示全部楼层 |阅读模式

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导读:一年一度的诺贝尔奖已经开始陆续揭开帷幕,今年的诺贝尔物理学奖颁发给了Roger Penrose、Reinhard Genzel和Andrea Ghez,以表彰他们发现黑洞所做出的杰出贡献。自1901年以来,纵观历年的诺贝尔物理学奖,从未涉足过力学领域,这其实与力学的学科特征有关。

1、引言
诺贝尔奖在这个十一假期的尾巴陆续公布,由于疫情的影响,预定于12月份的颁奖典礼也改为线上举行。今年获得诺贝尔物理学奖的获得者是Roger Penrose、Reinhard Genzel和Andrea Ghez,以表彰他们在发现黑洞所取得的突出成绩。
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2020年诺贝尔物理奖得主

2、历年物理学奖领域分析
自1901年,诺贝尔物理学奖开始颁奖以来,到2020年,已经颁布了共114次,其中1916、31、3440、41、 42等六年由于种种原因未颁发。在这114次诺贝尔物理学奖中,基本上每一年的奖项都颁发给同一个研究领域。但是,也有例外,1978年的物理学奖颁发给了两个领域:苏联科学院低温物理领域的基本发明和美国贝尔实验室发现和发现宇宙微波背景辐射。
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宇宙背景辐射(1978年诺奖)

在这114次获奖的研究领域中,大概可以分为:基本粒子、量子力学、材料学、新设备、宇宙学、放射性、超导、等领域。这些领域之间本身也会存在着交叉,比如量子力学与基本粒子,基本粒子与宇宙学。从结果来看,基本粒子的相关研究是诺贝尔物理学奖的宠儿,它包括基本粒子的预测、发现、模型、应用等。值得一提的是,我国的杨振宁的获奖研究(1957年)宇称不守恒定律就是预测基本粒子的。
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1957年的诺贝尔物理学奖(杨振宁右)

放射性相关的研究是诺贝尔物理学奖的第二热点l,特别是早期。物理学奖的第一次就给了伦琴的X射线。实际上,放射性的研究与基本粒子的研究是一脉相承的,这也与科学的发展规律相符合。早期,由于研究水平的限制,只能探究一些相对容易发现的问题,天然的辐射现象就进入科学家的眼帘。早期的人们,只能发现存在这样的现象,甚至可以运用放射性进行一些研究,如晶体结构,但是他们尚无法解释清楚。随着研究的深入,这些放射性现象其实都是与粒子运动相关。所以,后期,各种基本粒子被不断的发现。
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X射线成像(第一个诺贝尔物理学奖的应用)

第三个诺奖的获奖热点领域是量子力学。普朗克最早发现量子而获1918年的诺奖,海森堡建立量子力学获1932年的诺奖,薛定谔和狄利克雷建立了量子力学的基本方程获1933年的诺奖。随后,量子力学不断完善。由于量子力学是微观的力学,其研究离不开基本粒子的研究,他们之间同样相辅相成。
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量子力学

前三的热点领域几乎占据了诺贝尔物理学奖的大半江山(64%),剩下的研究领域有光学(7)、新设备(7)、宇宙学(7)、超导(5)、材料学(4),等等。光学方面主要是早期的光学性质的发现及其应用,最近的是2018年激光物理的突破性发明。在新设备方面主要是各种测量仪器的发明,如2009年贝尔实验室半导体成像器件。近十年,宇宙学相关研究已有4年获奖,去年和今年的诺奖就与宇宙学相关。超导方面的研究进展缓慢,最新的诺奖在2003年。纵观诺奖的研究内容,追求事物的本质是诺奖永恒不变的评判标准,这也是物理的基本目标之一。

3、力学的学科特性
力学(经典力学),虽说属于物理学范畴,但很多的力学工作者从不认为自己从事物理学,这跟力学的学科特征有关。经典力学始于牛顿,研究的是一般尺寸下物体的运动、受力、变形等。它可以大到宇宙天体,却不可以小到基本粒子,最小的也就是纳米力学。物体的运动速度也必须远低于光速。
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经典力学的鼻祖

经典力学中的力只分析两种力:电磁力和引力,因为这两种力是一般尺寸(宏观)下物体受到的力。另外两种强、弱相互作用力与宏观物体无关。在力学的分析中,我们从不深究电磁力和引力来自何方,我们只需要知道这些力如何分布。这其实就是力学相关研究成果从未真正接触到诺奖的根本原因。
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力学只关心力如何分布,不关心力来自何方

另外,力学其实更加的偏向数学,它主要的任务其实就是想尽各种办法求解偏微分方程组。所以,即使力学在理论方面有所突破,也是与数学息息相关的。在我们国家,力学就归属于数理学部。我们都知道,诺贝尔是没有数学奖的。
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诺贝尔没有数学奖

4、与力学搭边的诺奖
虽说,诺贝尔奖与力学直接相关的完全没有,但是间接相关的还是存在的。1946年,哈佛大学的布里奇曼因发明了获得超高压的装置,获得了诺贝尔物理学奖,这是力学与诺贝尔物理学奖最接近的一次。布里奇曼利用这一装置,获得了与塑性力学有关的一些结论,解释了塑性变形与静水压力关系不大,只与剪应力有关。
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布里奇曼

另外,1904年的物理学奖获得者 Rayleigh也是个力学家,虽然他获奖的原因是发现氩气。学过有限元的同学肯定知道,瑞利这个人,他提出了求解变分问题的Rayleigh方法,可直接得到狄利克雷泛函的特征值。学过弹性波的同学也肯定知道Rayleigh波,它是一种沿半无限弹性介质自由表面传播的偏振波。
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瑞利波

另一位与力学有关的诺奖获奖者更神奇,他获得的是1975年的诺贝尔经济学奖。康托洛维奇,俄罗斯力学家,他提出了直接求解变分方程的近似方法。得益于其强大的数学功底,在经济学领域的最优分配问题上做出了杰出贡献。可能,他太强大了,虽然没有诺贝尔数学奖,但是给他一个经济学奖。
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康托洛维奇法求解变分方程

5、总结
诺奖关注事物的本质,而力学它不追求力的本质,只关心力如何分布。所以,尽管力学领域相关的研究同样精彩,甚至不输诺奖。但是在诺奖看来,力学要么偏向于应用,要么偏向于数学,都与诺奖的颁发标准不一致。

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