125年來，物理學都取得了哪些突破性進展？讓我們一起見證那些非凡的閃光時刻
1893年，美國物理學家Edward Nichols在康奈爾大學創辦了Physical Review（《物理評論》）期刊，這便是今天包括Physical Review Letters（《物理評論快報》）在內的物理學頂級期刊方陣——Physical Review系列期刊的鼻祖。
今年是Physical Review創刊125周年，為了紀念這一重要的時刻，美國物理學會（APS）從浩如煙海的論文中遴選出了49項具有里程碑意義的工作，繪制出了一張橫跨百年的時間表。
今天，我們就一起來回顧物理學發展歷程中那些非凡的閃光時刻。（本文還添加了其它兩篇非常重要但卻被沒有被選出的論文）
1
1913年：測定電子電量
圖片來源：wikimedia commons
1913年，Millikan 通過油滴實驗證明了電荷量不能是連續值，只能是某個基本常數的整數倍，這就是我們今天所說的“元電荷”。值得一提的是，在當時的實驗條件下，密立根油滴實驗測得的元電荷數值與今天公認值的誤差不到0.5%。（Millikan榮獲了1923年的諾貝爾物理學獎）
2
1923年：發現光的粒子性
光究竟是粒子還是波？1923年，Compton散射實驗告訴我們光具有粒子的特性：當X射線和伽馬射線被電子散射時，它們的動量減少了，這與經典電磁理論相違背，從而證實了光的粒子性。（Compton榮獲了1927年的諾貝爾物理學獎）
3
1927年：實驗證明物質波的存在
圖片來源：C.DAVISSON AND L.H.GHRMER
德布羅意在理論上預言了物質波的存在，而在實驗上的證實工作則是由Davisson和Germer 完成的。1927年，他們用電子束轟擊金屬鎳的晶體，觀察到了清晰的干涉圖案，這是物質波存在的最好證明。（德布羅意榮獲了1929年的諾貝爾物理學獎。）
4
1931年：不可逆過程相關理論的提出
Onsager在兩篇論文中提出了描述像熱傳遞這種不可逆過程的普適理論。在這套理論中，Onsager推導了一組應用廣泛的“倒易關系”。例如，他們可以被用于預測熱電子和自旋電子器件的行為。（Onsager榮獲了1968年的諾貝爾化學獎）
5
1932年：氘的發現
1932年，Urey、Brickwedde和Murphy發現了一種由一個質子、一個中子和一個電子組成的氫的同位素——氘。隨后在第二次世界大戰中，氧化氘（也就是我們現在所說的重水）被應用到核反應堆中。如今，氘被廣泛應用于核磁共振實驗以及大量的化學和粒子物理學實驗。（Urey榮獲了1934年的諾貝爾化學獎。）
6
1933年：發現反物質
通過觀察宇宙射線中未知粒子在云室中的軌跡，1933年，Anderson發現了電子的反粒子——正電子。狄拉克曾預言每一種費米子都具有一個質量相同但電荷相反的反粒子，Anderson的發現為這項預言提供了第一個證據支持。（安德森榮獲了1936年的諾貝爾物理學獎）
7
1935年：EPR佯謬挑戰量子理論
Einstein（愛因斯坦）、Podolsky和Rosen（EPR）構造出一個思想實驗旨在證明量子力學和定域實在性間的沖突。后來的實驗通過驗證貝爾不等式不成立反而證實了量子力學的正確性。EPR在論文中論述了糾纏的性質，糾纏現在已經成為量子信息領域的基礎。
8
1935年：量子力學是完備的嗎？
這是沒有被APS編輯選出的論文之一。1935年10月，Bohr（玻爾）對EPR的論文進行了詳細的回復，之后關于EPR實驗也支持了玻爾的預期（見36）。但今天有些理論家仍然相信玻爾是錯誤的，而愛因斯坦才是正確的。（在那個年代，關于量子力學是否完備，玻爾和愛因斯坦展開了一場世紀論戰。雖然愛因斯坦一直堅信量子力學是不完備的，但在整個辯論的過程中，都極大的促進了量子力學的發展。）
9
1938年：核磁共振的發現
1938年，Rabi和他的同事發現了核磁共振現象，并測量了分子束中的核磁矩。后來，Bloch、Purcell和他的合作者將Rabi的技術拓展到液體和固體的核研究，最終使核磁共振成像成為可能。（Rabi榮獲了1944年的諾貝爾物理學獎，Bloch與Prucell榮獲了1952年的諾貝爾物理學獎。）
10
1939年：核裂變液滴模型的提出
在物理學家發現驚人的核裂變現象不到一年之后，1939年，Bohr和Wheeler用液滴模型計算核裂變參數，計算結果與實驗非常吻合。這一模型的提出對原子彈和核電的發展至關重要。
11
1939年：恒星核反應的預測
1939年，Bethe預言兩種產物為氦的核反應可能是恒星動力的來源：氫的聚變和碳-氧-氮循環。九年后，Bethe、Alpher和Gamow利用最初的宇宙大爆炸模型為宇宙中的元素豐度提出了一種解釋。（Bethe榮獲了1967年的諾貝爾物理學獎）
12
1939：黑洞形成的過程
1939年，在與Bohr和Wheeler提出裂變論文的同一期中，Oppenheimer 和Snyder 首次描述了黑洞形成的過程。當然，那個時候“黑洞”這一名字并不存在（直到1967年，Wheeler提出黑洞一詞后才普及起來），但Oppenheimer和Snyder 詳盡地的解釋了一顆大質量恒星是如何在自身的引力下坍縮，并最終消失在視線之中。但他們的研究并沒有引起重視，不久后Oppenheimer就投入曼哈頓計劃。
13
1947年：蘭姆位移的發現
Lamb（蘭姆） 和Retherford測量發現了狄拉克理論未預言到的氫原子兩個能級之間的微小能級差，這個能級差被稱作“蘭姆移位”。Bethe將蘭姆移位歸因于電子和真空漲落之間的相互作用，并在幾個月后用一種新的“重整化”方法描述了這種效應，為量子電動力學的發展奠定了基礎。（Lamb榮獲了1955年的諾貝爾物理學獎）
14
1948年：量子電動力學的發展
Schwinger和Feynman（費曼）分別獨立地提出了他們各自版本的量子電動力學（QED）理論，費曼還在論文中引進了著名的“費曼圖”。后來，Dyson證明了這兩種理論其實是等價的。QED提出了很多前所未有的精確預測，例如電子的反常磁矩等，這些預言都在后來的實驗中得到證實。（Schwinger和Feynman榮獲了1965年的諾貝爾物理學獎。）
15
1953年：中微子的首次間接探測
1930年，為了解釋原子核在β衰變過程中的能量損失，Pauli假設存在著一種未知的粒子——中微子。1953年，Reines 和Cowan宣稱他們用放在核反應堆旁邊的大水箱探測到了幽靈般的粒子。1956年，他們在《科學》雜志發表了關于中微子決定性的探測結果。1960年，他們在《物理評論快報》給出了關于實驗的完整說明。（Reines榮獲了1995年的諾貝爾物理學獎。）
16
1954年：楊-米爾斯理論的提出
1954年，Yang（楊振寧）和Mills構造出可以描述基本粒子行為的場論的數學形式。這些楊-米爾斯場成為電弱統一理論和描述夸克行為的量子色動力學（QCD）中的核心部分。
17
1956年：弱相互作用中發現宇稱不守恒
很久之前，宇稱守恒一直是物理學中一個普適的原則。直到1956年，為了解釋觀測到的奇怪的宇宙射線數據，李政道和楊振寧大膽假設宇稱對稱性在弱相互作用中被破壞。一年后，吳健雄和她的合作者通過β衰變實驗證明了宇稱守恒被破壞。（李政道和楊振寧榮獲了1957年的諾貝爾物理學獎。）
18
1957年：BCS超導理論的發展
在超導電性被發現的近半個世紀之后，Bardeen、Cooper和Schrieffer（BCS）提出了解釋超導現象的理論。在這個理論中，電子配對并凝聚成一個單量子態。BCS理論不僅在凝聚態物理中有應用，其在粒子物理和核物理中BCS理論也發揮著重要的作用。（BCS榮獲了1972年的諾貝爾物理學獎）
19
1960年：π介子中發現自發對稱性破缺
1960年，Nambu將π介子的微小質量和近似對稱性聯系起來，獲得了一個重要的新視角：物理系統的對稱性可以和組成系統的元素的對稱性不同。這種“自發對稱性破缺”是普遍存在的，例如在磁體和固體中自發對稱性破缺就經常出現，在希格斯玻色子理論中也存在自發對稱性破缺。（Nambu榮獲了2008年的諾貝爾物理學獎）
20
1962年：八重態模型
Gell-Mann利用八重態的方法把輕介子和自旋為1/2的重子進行分類。這種分類原則依賴于一種近似對稱性，它最終被三種最輕的夸克的對稱性所解釋，這三種夸克是上夸克、下夸克和奇異夸克。（Gell-Mann因此榮獲了1969年的諾貝爾物理學獎）
21
1962年：發現太陽系外的X射線源
為了避免地球大氣對要探測的X射線的吸收，1962年，Giacconi和他的合作者用火箭把蓋革計數器送入太空。令人吃驚的是，他們發現了一個位于太陽系外的X射線源。Giacconi因此被稱為X射線天文學之父，他的工作直接促成了使用太空望遠鏡對黑洞和其它射線源發射的X射線的探測。（Giacconi獲得了2002年的諾貝爾物理學獎。）
22
1963年：光學相干量子理論的提出
Glauber發展了描述光線中光子之間關聯性的理論。他的突破在于他意識到由于量子力學的原因，先抵達探測器的光子會影響探測到之后的光子的概率。他的工作證實了有必要使用新的方法進行光學探測。（Glauber獲得了2005年的諾貝爾物理學獎）
23
1963年：Cabibbo預言粒子混合
1963年，Cabibbo的理論預言讓人們意識到：相同質量的夸克并不一定包含相同的味，如上、下、奇異。甚至夸克還可以是不同味的混合體。卡比博的想法解釋了為什么特定粒子的衰變被抑制，同時也在粒子物理中引入混合的概念。
24
1964年：密度泛函理論的提出
1964年，Hohenberger,、Kohn和Sham建立了密度泛函理論（DFT）。利用密度泛函理論可以相當精確地計算分子和固體材料的性質，并且這個方法大大減小了計算量。密度泛函理論使用了多電子量子力學方程的近似解法。Verlet隨后建立了密度泛函理論的經典版本，這是一種在計算機模擬中解決牛頓方程的數值方法。1985年， Carr和Parrinello 統一了DFT和Verlet的方法。（Kohn因此獲得了1998年的諾貝爾化學獎）
25
1964年：希格斯玻色子的預言
1964年，Englert和Higgs分別獨立地給出了解釋基本粒子為什么有質量的模型。在他們的理論中需要一種新粒子的存在，也就是我們現在所說的希格斯玻色子。希格斯玻色子是標準模型中非常關鍵的一環，在被理論預言近50年后，它終于在歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機中被發現。（Englert和Higgs榮獲了2013年的諾貝爾物理學獎）
26
1967年：電弱理論的發展
1967年，Weinberg提出了一個關于電弱相互作用的理論，當這個理論被拓展到包含夸克和強相互作用時，它就變成了粒子物理學的標準模型。這套理論的最核心部分后來都被實驗所證實，包括2012年希格斯玻色子的發現。（Weinberg榮獲1979年的諾貝爾物理學獎）
27
1969年：質子內部結構的探測
1969年，Friedman、Kendall、Taylor和他們的合作者通過電子-質子散射實驗給出了質子不是基本粒子的第一個實驗證據。數據證實了他們提出的質子由更加基本的粒子組成的想法，這些更基本的粒子就是我們現在知道的夸克。（他們因此獲得了1990年的諾貝爾物理學獎）
28
1971年：重整化群理論的提出
Wilson的兩篇論文建立了重整化群理論的基礎，重整化群理論是研究不同長度標度下物理性質的數學工具。當一個系統發生相變時，它的關聯長度趨于無窮大，重整化群理論正是描述這種關聯性的強有力的工具。（Wilson因此獲得了1982年的諾貝爾物理學獎）
29
1972年：氦-3超流性的發現
1972年，Osheroff、Lee和Richardson觀測到接近絕對零度的氦-3變成了超流體，這種流體完全沒有粘性。這個結果表明像氦-3原子這樣的費米子一樣可以具有超流相，這比氦-4的超流相更為復雜。（他們因此獲得了1996年的諾貝爾物理學獎）
30
1973年：夸克相互作用理論的建立
Gross 和 Wilczek，以及Politzer分別提出了解釋夸克的兩個看似相互矛盾的觀測結果的理論：夸克總是被束縛在一起來構成其他的粒子，如質子或中子；而在一個復合粒子中，夸克只是被松散的束縛在一起。（三位發現者因此獲得了2004年的諾貝爾物理學獎）
31
1974年：粲夸克的發現
1974年，Ting（丁肇中）和Richter領導的研究小組分別獨自利用粲-反粲束縛態發現了粲夸克，這種束縛態就是現在的J/ψ介子。這項發現被稱為“十一月革命”，因為它把夸克的概念從理論構造變成實驗事實。（丁肇中和Richter因此獲得了1976年諾貝爾物理學獎）
32
1975年：殼層模型在不穩定輕原子核中失效
原子核的殼層模型預測了最穩定的原子核中的中子和質子具有特定的“幻數”。1975年，在CERN進行的關于不穩定鈉原子核的研究發現在中子含量高的原子核中殼層模型失效。
33
1977年：拓撲相變的理論表述
Thouless、Kosterlitz和Haldane利用拓撲理論描述了大量固體中奇異的相和相變。他們的工作為描述薄膜中的輸運現象和低維量子磁體、超流體和超導體中的奇異行為提供了新的視角。 （他們也因此獲得了2016年的諾貝爾物理學獎）
34
1978年：六角相的預言
Halperin和Nelson提出二維固體融化中包含一種介于固體和液體之間的中間相，這個發現被稱為六角相。六角相在之后的實驗和理論模擬中均得到證明，這說明二維系統的融化和三維系統有著本質區別。
35
1980年：量子霍爾效應的發現
1980年，Von Klitzing、Dorda和Pepper發現低溫下二維電子氣的霍爾電導隨著外加磁場的增強按照e2/h 整數倍變化。緊隨著量子霍爾效應被發現分數量子霍爾效應，它是被Tsui、Stormer和Gossard發現的，分數量子霍爾效應中激發了分數電荷。（Von Klitzing因此獲得了1985年諾貝爾物理學獎；Tsui和Stormer獲得了1998年的諾貝爾物理學獎）
36
1981年：暴脹理論登場
為了宇宙的均勻性和平坦性等問題，Guth假設在大爆炸發生后的不到一秒的時間內，宇宙經歷了以指數方式快速膨脹的過程。這被稱為暴脹理論。
37
1982年：貝爾測試驗證量子力學預言
量子理論預言糾纏態中的粒子之間的關聯性超出了經典粒子可以達到的極限。1982年，Aspect和他的合作者通過貝爾測試證實了這個預言。實驗中使用了從一個原子中發射的光子對，結果是量子理論勝出。值得一提的是，Aspect消除了導致之前實驗失敗的測量儀器之間的相互作用。
38
1982年：掃描隧道顯微鏡的發明
1982年，Binning、Rohrer和他們的合作者利用原子尺度的針尖測量材料表面微小的隧穿電流來制造掃描隧道顯微鏡。這種探測手段可以掃描出材料表面原子精度的圖像。1986年，Binning、Quate和Gerber發展了原子力顯微鏡的相關技術。（Binning和Rohrer因此獲得了1986年諾貝爾獎。）
39
1984年：發現準晶體
Schechtman和他的同事在合金中的重大發現促使物理學家重新思考晶體的概念，因為在這種合金中的原子排列呈現出五重旋轉對稱性，并且不具有周期性結構。在后續的論文中，Levine 和 Steinhardt 把這種原子排列方式稱為準晶體并解釋了這種結構可以存在的原因。（Schechtman因此獲得了2011年的諾貝爾化學獎）
40
1985年：激光冷卻技術的發明
Chu（朱棣文）和他的同事利用相向傳播激光束的輻射壓，將原子限制在極度低溫的狀態下，這種技術可以在100毫秒內將原子溫度降低至幾百毫開爾文。他們冷卻和俘獲原子的技術提高了原子光譜學的精度，也促進了物質的量子相（比如玻色-愛因斯坦凝聚）的研究。（Chu因此獲得了1997年的諾貝爾物理學獎）
41
1986年：計算機模擬納維葉—斯托克斯公式
Frisch、Hasslacher 和 Pomeau 提出了一種模擬納維葉—斯托克斯公式的方法，這種方法描述了液體的行為并被運用到科學技術的許多領域。他們的方法包含了被稱為“元胞自動機”的虛擬粒子，它們在六角網格上的運動和液體粒子的運動相關。
42
1987年：高溫超導體的發現
Chu（朱經武）和他的同事合成了一種被稱為釔鋇銅氧（YBCO）的化合物，這種物質在創紀錄的高溫下（93開爾文）轉變為超導體。這么高的轉變溫度已經可以利用液氮達到，這使得釔鋇銅氧材料可以在實際生活中得到應用。
43
1988年：發現巨磁阻效應
Fert 和 Grunberg 分別發現他們可以通過轉動兩層磁體中的一層來顯著改變兩層磁體之間的電阻。巨磁阻效應現在被用于制造硬盤驅動器和自旋電子學器件，這些裝置可以用電子的自旋而不是電荷來傳遞和儲存信息。（他們因此獲得了2007年諾貝爾物理學獎）
44
1992年：利用光子實現宏觀量子態
Haroche和他的合作者利用光子和腔內的高度激發的原子相互作用，實現了宏觀量子疊加態，也就是我們常說的“薛定諤的貓”態。利用類似的實驗裝置，該團隊在之后還觀測到了量子退相干——是量子測量的核心手段。（Haroche因此獲得了2012年的諾貝爾物理學獎）
45
1998年：發現中微子振蕩
1998年，日本的超級神岡研究人員發現了μ子中微子可以自發地轉化成τ子中微子的確鑿證據，反之亦然，這就是中微子“振蕩”。2001年，加拿大的薩德伯里中微子天文臺探測到了太陽發出的全部三種中微子，總流量與標準太陽模型的預言符合得很好，解決了先前觀測到的太陽中微子缺失問題。中微子振蕩意味著中微子具有質量，這與粒子物理學標準模型不相吻合，對理論物理和實驗物理而言都有一定的影響。
46
2000年：完美透鏡的構想
Pendry設想了一種完美的“超透鏡”，它利用了負折射率材料，突破了經典光學的衍射極限，放大了倏逝波，使人們可以觀測到物體表面的精細信息。
47
2001年：隨機圖模型的發展
Newman、Strogatz和Watts發展了一種數學體系來分析隨機圖，這對很多現實世界的網絡，例如流行病的傳播、人際社交網絡等，都是很好的模型。他們的這種模型比以往的方法更具有普適性，拓展了隨機圖理論的適用范圍。
48
2006年：第118號元素的合成
2002年，俄羅斯杜布納核研究聯合研究所的科學家找到了一種具有118個質子的超重化學元素的線索。2006年，經歷了一系列的實驗最終確定了該元素是蘇的存在。至此，元素周期表第七周期被全部填滿。第118號元素最終被命名為Oganesson，以紀念其發現者之一。
49
2007年：三維拓撲絕緣體的預言
Fu（傅亮）和Kane預言了三維拓撲絕緣體——一種具有導電表面態的奇異絕緣體——即便存在雜質或缺陷也能保持穩定。在他們的預言之前，拓撲絕緣體只存在于二維體系中，他們的研究表明這種神奇的性質可能存在于更多種類的材料中。
50
2015年：在固體中發現外爾費米子
1929年，德國科學家Weyl（外爾）在理論上預言存在一種具有“手征性”的無質量費米子，即“外爾費米子”。然而，物理學家從沒有發現任何一種基本粒子符合這種性質。2015年，中科院物理所研究團隊在TaAs中最終發現了類似于外爾費米子的凝聚態物質，該項研究從理論預言、樣品制備、到實驗觀測的全過程，都由我國科學家獨立完成。
51
2016年：引力波的發現
激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次探測到了兩個黑洞合并產生的引力波信號，這是愛因斯坦廣義相對論的最后一個預言。引力波的發現開啟了引力波天文學的新時代，并于2017年觀測到雙中子星合并的引力波信號。對引力波的發現做出重大貢獻的Rainer Weiss、Kip Thorne和Barry Barish獲得了2017年的諾貝爾物理學獎。
