2021年诺贝尔物理学奖出炉！首次颁发给气候物理学家

北京时间10月5日下午5点50分许，瑞典皇家科学院决定将2021年的诺贝尔物理学奖授予日本籍科学家 Syukuro Manabe 、德国科学家 Klaus Hasselmann 和意大利科学家 Giorgio Parisi ，以表彰他们“ 对我们理解复杂物理系统的开创性贡献 ”。

2021年的诺贝尔奖单项奖金为1000万瑞典克朗 （约合736万元人民币） 。

过去6年诺贝尔物理学奖得主名单

2020年，诺贝尔物理学奖将一半颁给了罗杰·彭罗斯 (Roger Penrose)以表彰其给出的 黑洞形成的证明，并成为广义相对论的有力证据。 另一半由赖因哈德·根策尔 (Reinhard Genzel)、安德烈娅·盖兹 (Andrea Ghez)共享，表彰他们在 银河系中心发现超高质量高密度物质。

2019年，美国普林斯顿大学教授吉姆·皮布尔斯（James Peebles）、瑞士日内瓦大学教授米歇尔·麦耶（Michel Mayor）和日内瓦大学教授迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）获奖， 理由是“他们在天体物理学方面的发现”。

2018年，美国科学家亚瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）、法国科学家杰哈·莫罗（Gerard Mourou）和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland）获奖， 理由是“在激光物理领域的突破性发明”。

2017年，三名美国科学家雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什获奖，理由是“ 在LIGO探测器和引力波观测方面的决定性贡献 ”。

2016年，三位英美科学家大卫·索利斯、邓肯·霍尔丹、迈克尔·科斯特利茨获奖，理由是 “理论发现拓扑相变和拓扑相物质” 。

关于诺贝尔物理学奖的小知识

作为根据诺贝尔遗嘱设立的五大奖项之一， 物理学奖被授予“在物理学领域作出最重要发现或发明的人” ，与其他诺贝尔奖相比，物理学奖的荐举和甄选过程更长、更缜密。诺贝尔物理学奖规则规定，获奖者的贡献必须“已经受时间的考验”。这意味着诺贝尔委员会 往往会在科学发现的数十年以后才会为此颁发奖项。 自1901年设立至今，诺贝尔物理学奖已走过百年历程，记录了物理学发展史上的无数个里程碑，已成为人类文明不可分割的一部分。

根据规定，一项诺贝尔奖 最多可以颁给两项不同的成就，奖金将均分。 而如果一项成就是由2到3个人共同完成，那么奖金将联合授予他们。一份奖金最多由3人分享。

自1901年至2020年，诺贝尔物理学奖项已颁发114次，其中，1916年、1931年、1934年、1940年、1941年和1942年这6年未颁奖。正如组委会所说：“如果候选人的贡献没有达到要求，那么奖金就会被保留至第二年。如果第二年仍没有合适的人选，那么，奖金将回流至基金会的初始基金里。”此外，在两次世界大战期间，诺贝尔奖也鲜少颁发。

俗话说，出名要趁早。迄今为止，诺贝尔物理学奖最年轻的获奖者是 劳伦斯·布拉格 。1915年， 年仅25岁 的他凭借用X射线研究晶体内原子和分子结构的贡献，与父亲亨利·布拉格共同获得诺贝尔物理学奖。

迄今，诺贝尔物理学奖最年长的获奖者是 亚瑟·阿什金 ，他在2018年获得诺贝尔奖时已经 96岁 。获奖理由是“在激光物理领域的突破性发明”。

在诺贝尔奖 历史 上，获得两次诺贝尔物理学奖的是美国物理学家 约翰·巴丁 。1956年约翰·巴丁因对半导体的研究和对晶体管效应的研究荣获诺贝尔物理学奖。1972年他因超低温理论再次荣获诺贝尔物理学奖。

复杂系统的特点是随机性和无序性，难以理解。今年的奖项表彰描述它们和预测它们长期行为的新方法。

地球气候是一个对人类至关重要的复杂系统。真锅淑郎展示了大气中二氧化碳含量的增加如何导致地球表面温度升高。在1960年代，他领导了地球气候物理模型的开发，并且是第一个 探索 辐射平衡与气团垂直输送之间相互作用的人。他的工作为当前气候模型的发展奠定了基础。

大约十年后，克劳斯·哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的模型，从而回答了为什么气候模型在天气多变且混乱的情况下仍然可靠的问题。他还开发了识别特定信号、指纹的方法，自然现象和人类活动都在气候中留下印记。他的方法已被用来证明大气温度升高是由于人类排放的二氧化碳。

1980年左右，乔治·帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式。他的发现是对复杂系统理论最重要的贡献之一。它们使理解和描述许多不同的、显然完全随机的材料和现象成为可能，不仅在物理学中，而且在其他非常不同的领域，如数学、生物学、神经科学和机器学习。

“今年获得认可的发现表明，我们对气候的了解建立在坚实的科学基础之上，基于对观测的严格分析。 今年的获奖者都为我们更深入地了解复杂物理系统的特性和演化做出了贡献 。 ”诺贝尔物理学委员会主席托尔斯·汉斯·汉森说。

为复杂世界寻找最简科学规律

乔治·帕里西摘得诺奖并不意外。实际上这位科学家学术主页现实的引用次数已经超过 9万 ， 此前他斩获了除诺奖之外的几乎所有科学奖项中的物理学奖 。“帕里西是非常有影响力的理论物理学家，他通过统计物理和复杂系统的方法开展研究”， 上海交通大学自然科学研究院和物理与天文学院教授张何朋 解释，“一般晶体中的原子按照周期性结构排列，但很多复杂系统没有这种晶体中的空间序、且处在随机性很强的热力学非平衡态，这使得一些传统的物理研究方法难以在复杂系统中奏效，但帕里西发展了很多方法研究无序、随机的复杂系统。”

今年帕里西还获得沃尔夫奖，颁奖词这样评价：“他的工作对物理学不同分支有极大的影响，包括粒子物理、临界现象、无序系统、以及优化理论和数学物理。” 张何朋认为，复杂系统的研究进展需要多学科的融合和交叉；随着大数据、计算能力等方面的发展，这一领域也将迎来快速推进，帮助科学家 探索 出更好地探究真实世界的新研究范式。

值得注意的是，帕里西的研究非常有趣，有些超出了传统物理研究的范畴，比如纸张燃烧后不规则的边界、和谐飞舞的鸟群等。“这些起源于生物学和材料学的问题至今还未有完整的解答，物理学家积极介入这些交叉研究，试图为复杂问题寻找到最简单、最普适的模型和机制，帮助人类更好地认识世界”，张何朋说，而目前， 这些领域也有中国科研团队在努力 。

诺贝尔物理学每年评选和颁发一次，其中有 6 年因故停发（1916年、1931年、1934年、1940-1942年）。截至2020年，诺贝尔物理学奖共颁发 114 次，共有 215 人获得该奖。美国物理学家 约翰·巴丁 ，因晶体管效应和超导的BCS理论在1956年和1972年两度获奖，是唯一一位“梅开二度”的科学家。

2020年，诺贝尔物理学奖的一半由 罗杰·彭罗斯 获得，另一半由 莱因哈德·根泽尔 和 安德里亚·格兹 共同获得。三位科学家因 发现了银河系中心的超大质量致密天体 而获奖。咖啡师也从世界顶尖科学家论坛（WLF）获悉，莱因哈德·根泽尔已经应邀出席11月初召开的第四届世界顶尖科学家论坛，并在大师讲堂上分享自己的黑洞研究。

数据显示：诺贝尔物理学奖仅授予1人的，出现了 47 次；授予两人的，共出现了 32 次；授予三人的，出现了 35 次。近年来，两人或者三人获奖的频率大大增加，上一次独享诺贝尔物理学奖的物理学家还要追溯到1992年获奖的乔治·夏帕克。

迄今为止，最年轻的诺贝尔物理学奖获得者是威廉·劳伦斯·布拉格，获奖时是 25 岁。1915年，他和他的父亲威廉·亨利·布拉格同时获奖；2018年，亚瑟·阿斯金以 96 岁高龄获奖，是诺贝尔物理学奖得主中的最年长者。

统计表明：诺贝尔物理学奖得主中，20-29岁的仅1人；30-39岁的有23人；40-49岁的获奖人数最多，达到了55人；50-59岁也是获得诺贝尔物理学奖的“高峰期”，有52人；60-69岁有43人；70-79岁有26人；80-89岁出现了15位获奖者；而90-99岁同样仅1人。

历史 上曾有 4 名女性获得诺贝尔物理学奖，分别是我们熟知的“居里夫人” 玛丽·居里 、德裔美国物理学家 玛丽亚格佩特·梅耶 、2018年的得主 唐娜·斯特里克兰 和去年的得主 安德里亚·格兹 。其中，玛丽·居里两度获得诺奖。1903年，居里夫妇和贝克勒尔由于对放射性的研究而共同获得诺贝尔物理学奖。1911年，居里夫人因发现元素钋和镭再次获得诺贝尔化学奖，成为世界上第一个两获诺贝尔奖的人。

有学者表示，相较其它自然科学奖项，诺贝尔物理学奖的规律性较为明显：宇宙天体物理学、粒子物理学、原子分子及光物理学和凝聚态物理学这四大领域轮番登场。不过近几年，天体物理登台频率较高——2015年是粒子物理成果获奖；

研究人员提出物质具有奇异磁相的证据，物质具有奇异磁相的证据

艺术家对团队如何确定这一 历史 阶段的印象。研究人员使用x射线来测量自旋(蓝色箭头)在受到干扰时的运动方式，并能够显示出它们在长度上的振荡模式如上所示。之所以会出现这种特殊的行为，是因为每个部位的电荷量(如黄色圆盘所示)也可以变化，这是用来确定新行为的指纹。

美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家们发现了一种被称为“反铁磁激子绝缘体”的物质的长期预测的磁性状态。

“广义上说，这是一种新型磁铁，”布鲁克海文实验室的物理学家马克·迪恩说，他是一篇刚刚发表在《自然通讯》上的研究论文的资深作者。“由于磁性材料是我们周围许多技术的核心，新型磁铁从根本上来说非常吸引人，未来的应用前景也很有希望。”

新的磁性状态涉及到层状材料中电子之间的强磁性吸引，使电子想要排列它们的磁矩，或“自旋”，进入一个规则的上下“反铁磁”模式。20世纪60年代，物理学家们在 探索 金属、半导体和绝缘体的不同特性时，首次预测到这种反铁磁性可以由绝缘材料中古怪的电子耦合驱动。

“60年前，物理学家才刚刚开始考虑量子力学规则如何应用于材料的电子性质，”领导这项研究的前布鲁克海文实验室(Brookhaven Lab)物理学家丹尼尔·马佐尼(Daniel Mazzone)说，他目前在瑞士的保罗·谢勒研究所(Paul Scherrer institute)工作。“他们试图弄清楚，当绝缘体和导体之间的电子‘能隙’越来越小时会发生什么。你只是把一个简单的绝缘体变成一个简单的金属，让电子可以自由移动，还是会发生更有趣的事情?”

预测是，在特定条件下，你可以得到更有趣的东西:即，布鲁克海文团队刚刚发现的“反铁磁激子绝缘体”。

为什么这种材料如此奇特和有趣?为了理解，让我们深入研究这些术语，并 探索 这种物质的新状态是如何形成的。

在反铁磁体中，相邻原子上的电子的磁极化轴(自旋)沿交替方向排列:上、下、上、下，等等。在整个材料的尺度上，这些交替的内部磁性方向相互抵消，导致整个材料没有净磁性。这种材料可以在不同状态之间快速转换。它们还能抵抗外部磁场干扰造成的信息丢失。这些特性使反铁磁材料对现代通信技术具有吸引力。

接下来是激子。当某些条件允许电子四处移动并与另一个强相互作用形成束缚态时，激子就产生了。电子也可以通过“空穴”形成束缚态，即当电子跃迁到材料的不同位置或不同能级时所留下的空位。在电子-电子相互作用的情况下，这种结合是由磁性吸引力驱动的，这种磁力强大到足以克服两个带电粒子之间的排斥力。在电子-空穴相互作用的情况下，引力必须足够强，以克服材料的“能隙”，这是绝缘体的特征。

绝缘体是金属的反义词它是一种不导电的材料，”迪恩说。材料中的电子通常处于低能级或“基态”。“电子都被卡在一个地方，就像人们在一个挤满了人的圆形剧场他们不能四处走动，”他说。为了让电子移动，你必须给它们一个足够大的能量提升来克服基态和更高能级之间的特征间隙。

在非常特殊的情况下，从磁性电子-空穴相互作用中获得的能量可以超过电子跃过能隙所消耗的能量。

现在，由于先进的技术，物理学家可以 探索 这些特殊的情况，以了解反铁磁激子绝缘体状态是如何出现的。

一个合作团队使用了一种叫做锶铱氧化物(Sr3Ir2O7)的材料，这种材料在高温下仅能勉强绝缘。Daniel Mazzone, Yao Shen(布鲁克海文实验室)，Gilberto Fabbris(阿贡国家实验室)和Jennifer Sears(布鲁克海文实验室)利用先进光子源(美国能源部阿贡国家实验室的科学办公室用户设施)的x射线来测量磁性相互作用和移动电子的相关能量成本。来自田纳西大学的刘健和杨君毅以及阿贡大学的科学家玛丽·厄普顿和迭戈·卡萨也做出了重要贡献。

研究小组在高温下开始了他们的研究，并逐渐冷却了材料。随着冷却，能量差距逐渐缩小。在285开尔文(约53华氏度)时，电子开始在材料的磁性层之间跳跃，但立即与它们留下的空穴形成结合对，同时触发相邻电子自旋的反铁磁排列。田纳西大学的Hidemaro Suwa和Christian Batista进行了计算，利用预测的反铁磁激子绝缘子概念开发了一个模型，并表明该模型全面解释了实验结果。

姚沈解释说:“利用x射线，我们观察到电子和空穴之间相互吸引所触发的结合实际上比电子跃过带隙时释放出更多的能量。”“因为这个过程节省了能量，所有的电子都想这样做。然后，在所有的电子都完成了跃迁之后，就电子和自旋的整体排列而言，材料看起来与高温状态不同。新的构型包括电子自旋以反铁磁模式有序排列，而结合对创造了一个‘锁定’的绝缘状态。”

反铁磁激子绝缘子的识别完成了一个漫长的旅程， 探索 电子选择安排自己在材料中迷人的方式。在未来，了解这种材料中自旋和电荷之间的联系可能会有潜力实现新技术

艺术家对团队如何识别这一 历史 性阶段的印象。研究人员用X射线来测量自旋（蓝色箭头）在受到干扰时是如何移动的，并且能够证明它们在上面所示的模式中以长度振荡。这种特殊行为的发生是因为每个站点（显示为黄色磁盘）的电荷量也会发生变化，这是用来确定新行为的指纹。作者：布鲁克海文国家实验室

美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家发现了一种长期预测的物质磁状态，称为“反铁磁激子绝缘体”

布鲁克海文实验室物理学家马克·迪恩（Mark Dean）说：“从广义上讲，这是一种新颖的磁铁类型，”他在年发表的一篇论文中描述了这项研究 自然通讯 “因为磁性材料作为我们周围许多技术的核心，新型磁铁从根本上说是令人着迷的，而且在未来的应用前景广阔。"

新的磁状态包含了电子在一种层状材料中，电子想要排列它们的磁矩，或者说“自旋”，形成一个规则的上下“反铁磁”图案。当物理学家 探索 金属、半导体和绝缘体的不同性质时，这种反铁磁性可以由绝缘材料中奇特的电子耦合驱动的想法首次被预言。

“60年前，物理学家刚刚开始考虑如何将量子力学的规则应用于材料的电子性质，”领导这项研究的前布鲁克黑文实验室物理学家丹尼尔·马佐内（Daniel Mazzone）说，他现在在瑞士的保罗·舍勒研究所工作。简单的绝缘体，你能做些什么，让一个简单的绝缘体，变成一个更小的，更有趣的导体，在那里，它们能做什么呢

预测是，在一定条件下，你可以得到更有趣的东西：即布鲁克海文小组刚刚发现的“反铁磁激子绝缘体”。

为什么这种材料如此奇特有趣？为了理解，让我们深入研究这些术语，并 探索 这种新的物质状态是如何形成的。

在反铁磁体中，相邻原子上的电子的磁极化轴（自旋）以交替的方向排列：上、下、上、下等等。在整个材料的尺度上，这些交替的内部磁取向相互抵消，导致整个材料没有净磁性。这种材料可以在不同的状态之间快速切换。它们还能抵抗由于外部磁场干扰而丢失的信息。这些特性使得反铁磁材料在现代通信技术中具有吸引力。

接下来，我们有激子。激子是在一定条件下允许电子四处移动并相互强烈作用形成束缚态时产生的。电子也可以与“空穴”形成束缚态，空穴是指当电子跃迁到不同的位置或能级在一种材料中。在电子-电子相互作用的情况下，这种结合是由磁吸引力驱动的，这种吸引力足以克服两个类似带电粒子之间的排斥力。在电子-空穴相互作用的情况下，引力必须足够强，以克服绝缘体的“能隙”。

“绝缘体与金属相反，它是一种不导电的材料，”迪恩说。物质中的电子通常保持在低能量状态，即“基态”。他说：“电子都被卡在原地，就像人在一个满是水的圆形剧场里；他们不能四处走动。”。为了让电子运动，你必须给它们增加足够大的能量，以克服基态和更高能级之间的一个特殊间隙。

在非常特殊的情况下，磁-电子-空穴相互作用所获得的能量可以超过电子跃过能隙的能量成本。

现在，由于先进的技术，物理学家可以 探索 这些特殊的环境来了解反铁磁激子-绝缘体态是如何产生的。

一个合作小组研究了一种叫做锶铱氧化物（Sr）的材料三红外2O7)在高温下几乎不能绝缘。Daniel Mazzone、Yao Shen（布鲁克海文实验室）、Gilberto Fabbris（阿贡国家实验室）和Jennifer Sears（布鲁克海文实验室）在高级光子源（美国能源部阿贡国家实验室科学用户设施办公室）使用X射线测量移动电子的磁相互作用和相关能量成本。田纳西大学的刘健和杨俊义以及阿贡的科学家玛丽·厄普顿和迭戈·卡萨也做出了重要贡献。

随着温度的升高，调查组开始逐渐冷却材料。在冷却的情况下能量差逐渐缩小。在285开尔文（约53华氏度）时，电子开始在材料的磁性层之间跳跃，但立即与它们留下的空穴形成束缚对，同时触发相邻电子自旋的反铁磁排列。田纳西大学的Hidemaro Suwa和Christian Batista利用预测的反铁磁激子绝缘体的概念进行了计算，结果表明该模型能全面地解释实验结果。

姚深解释说：“利用X射线，我们观察到电子和空穴之间的吸引力所触发的结合实际上比电子跃过带隙时释放出更多的能量。”。“因为能量所有的电子都想这样做。然后，在所有的电子都完成了转变之后，从电子和自旋的整体排列来看，材料看起来与高温状态不同。新的结构涉及到电子自旋以反铁磁模式排列，而束缚对则产生“锁定”绝缘状态。"

识别反铁磁激子绝缘体完成了一个漫长的旅程， 探索 了电子选择在材料中排列自己的迷人方式。在未来，了解这种材料中自旋和电荷之间的联系可能有助于实现新技术。

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