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「重要」的标准见仁见智。以下列举一些,并给出简要评价。

有些严格来说算是「发现」,不过发现和实验本来就无绝对界限;还有一些实际上是「发明」或者「技术」,但因意义重大,故一并列出。

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本文目录

核磁共振(1946)

Edward Purcell和Felix Bloch分别用共振吸收和核磁感应法测量核磁矩,实现了核磁共振。二人因此获得1952年Nobel物理学奖。

Lamb位移(1947)

由Willis Lamb和Robert Retherford发现。Lamb位移是量子电动力学的第一个实验证据。其说明即便最简单的氢原子,量子力学也不能完整描述,而需要用量子电动力学。Lamb因此获得1955年Nobel物理学奖。

电子反常磁矩(1947)

反常磁矩包括电子和μ子的反常磁矩。前者由Polykarp Kusch精确测量,并因此获1955年Nobel物理学奖。反常磁矩同Lamb位移一起,是量子电动力学的最重要的实验支柱。

π介子(1947)

由Cecil Powell等人在宇宙线中发现。Powell因此获得1950年Nobel物理学奖。而在1949年,汤川秀树则因为理论预测π介子存在获得Nobel奖。π介子是最轻也是最重要的介子,对研究低能强相互作用有重要作用。

晶体管(1947)

由Bell实验室的John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley发明。三人因此获得1956年Nobel物理学奖。没有晶体管就没有现代文明。

全息摄影(1947)

Dennis Gabor于电子显微镜技术中发现全息技术的原理,并因此获得1971年Nobel物理学奖。全息技术在激光发明后才有实质进展。Yuri Denisyuk在1962年拍摄了世界上第一张全息照片。

微波激射器(1953,1955)

即激光的前身,和激光的区别是前者为可见光,后者是微波。由美国的Charles Hard Townes和前苏联Nikolay Basov和Aleksandr Prokhorov两组人各自独立实现。三人因此分享1964年Nobel物理学奖。

反质子(1955)

是继正电子之后,发现的第二个反粒子。由Owen Chamberlain和Emilio Gino Segrè发现,二人因此获得1959年Nobel物理学奖。

反中子(1956)

由Bruce Cork发现。因为中子整体不带电,反中子指的是内部的三个夸克与中子内部的三个夸克相反。

中微子(1956)

中微子由W. Pauli于1930年理论上提出。1956年,Clyde Cowan和Frederick Reines在β衰变中首次证实电子型中微子的存在。

弱相互作用中宇称不守恒(1957)

由杨振宁、李政道1956年理论上提出,吴健雄等人于1957年1月做出实验验证。前二位得了同年的Nobel奖。「宇称」是指波函数/场在空间坐标反号下的变换性质。电磁和强相互作用不改变这种变换性质,被称作「宇称守恒」;弱相互作用改变,被称作「宇称不守恒」。

半导体/超导体量子隧道效应(1957,1960)

量子力学中物体有一定概率穿过经典上无法穿过的势垒,即量子隧道效应。1957年Sony公司的江崎玲於奈在高频晶体管中发现负电阻现象,1960年Ivan Giaever证实超导体中存在隧道效应。二人因此与Josephson效应的提出者B. Josephson分享了1973年Nobel物理学奖。

Mössbauer效应(1958)

由Rudolf Mößbauer发现,并因此获得1961年Nobel物理学奖。Mössbauer效应是Gamma射线的无反冲共振吸收,本质上也是一种核磁共振。其可用于研究原子核与周围环境的超精细相互作用,是一种非常精确的测量手段。

Pound-Rebka实验(1959)

广义相对论最早的精确实验、同时也是三大经典验证(另两个是水星进动和光线偏折)之一。Robert Pound及其研究生Glen Rebka通过测量哈佛大学Jefferson塔顶端和底端两个辐射源频率,得到了与广义相对论预言一致的相对论红移。

光泵(1950s)

光泵即是用光将原子或分子中的电子从低能级激发到高能级。由Alfred Kastler在1950年代发展,并因此获得1966年的Nobel物理学奖。

红宝石激光器(1960)

1960年5月16日,Theodore Maiman利用红宝石(掺铬的氧化铝结晶)获得了波长为0.6943微米的激光。这是人类有史以来获得的第一束激光。

电子双缝衍射(1961)

这是Thomas Yang光的双缝衍射的电子版。1961年由Claus Jönsson第一个做出,是电子波动性的最直观体现。1974年Pier Merli进一步将电子一个一个单独发射,同样观测到了衍射。

μ中微子(1962)

1962年,Leon Lederman,Melvin Schwartz和Jack Steinberger证实了μ中微子和电子型中微子是不同的中微子。三人因此获得1988年Nobel物理学奖。

合成孔径射电望远镜(1962)

由Cavendish实验室的Martin Ryle发明。用相隔两地的射电望远镜接收同一天体的射电,等效分辨率最高等于一架口径为两地距离的射电望远镜。目前广泛应用的长基线干涉技术,将全球的射电望远镜综合起来,从而获得等效口径为地球直径的射电望远镜。M. Ryle与脉冲星的发现者A. Hewish分享了1974年Nobel物理学奖。

Josephson效应(1963)

电子通过两块超导体中间一层薄绝缘材料的量子隧道效应,由Brian Josephson于1962年预言。Bell实验室的Philip Anderson和John Rowell在实验上验证了的这一效应。Josephson因此与另两位隧道效应发现人江崎玲於奈和I. Giaever分享了1973年Nobel物理学奖。

星际有机分子(1963)

星际有机分子是20世纪60年代天文学四大发现之一。1963年,于仙后座探测到了羟基(OH)。随后1968年在银河系中心区探测到了氨(NH3)和水,1969年发现了甲醛(HCHO)。到1991年,科学家已经陆续发现了超过100种星际分子。星际有机分子可供研究星系及恒星的演化,以及探索地外生命。

宇宙微波背景辐射(1964)

宇宙早期曾经被光充满,这些光就变成今天的背景辐射,峰值在微波波段。1964年由Bell实验室的Arno Penzias和Robert Wilson第一个探测到。二人因此获得1978年Nobel物理学奖。微波背景辐射是大爆炸理论的直接推论,对其的观测是目前早期宇宙学的主要实验手段之一。

CP破坏(1964)

电荷共轭和宇称的联合对称性被称为CP对称性。James Cronin和Val Fitch在中性K介子的衰变(弱相互作用)中首次发现CP对称被破坏。二人因此共享了1980年Nobel物理学奖。CP破坏对解释今天宇宙中物质的数量超过反物质的数量有极其重要的意义。

脉冲星(1967)

脉冲星是一种快速旋转的中子星,其快速旋转的强磁场使得带电粒子发出同步辐射。Cavendish实验室的Antony Hewish及其研究生Jocelyn Burnell发现了第一颗脉冲星PSR1919+21。Hewish因此与合成孔径射电望远镜的发明者M. Ryle共享了1974年Nobel物理学奖。

Gamma射线暴(1967)

天空中某一方向Gamma射线强度突然增强又迅速减弱的现象,由美国的帆船座卫星于1967年首次观测到。普遍认为Gamma暴是来自超新星、恒星塌缩或者黑洞。Gamma暴是目前天文学、宇宙学中最活跃的领域之一。

深度非弹性散射(1968)

指用轻子(电子、中微子等)轰击强子(质子、中子等)的过程。深度非弹性散射提供了夸克(强子内部结构)存在的第一个证据。这一实验由Jerome Friedman,Henry Kendall和Richard Edward Taylor领导完成,三人因此获得1990年Nobel物理学奖。

中微子振荡(1968,1998)

1968年,在以Raymond Davis和John N. Bahcall领导的「Homestake实验机」中,发现观测到的中微子流量与标准太阳模型预测的不符。这是实验中人们第一次观测到和中微子振荡有关的现象。1998年6月5日,日本超级神冈探测器首次发现了中微子振荡的确切证据。R. Davis和神冈探测器负责人小柴昌俊因此获得2002年Nobel物理学奖。

电荷耦合器件(1969)

这是现在所有光学成像设备的基础。相机、手机、摄像头中都有一块电荷耦合器件(CCD)。由Bell实验室的Willard Boyle和George Smith发明。二人与光纤通讯发明人高锟一起,分享了2009年Nobel物理学奖。

光纤(1970)

1966年,英籍华人高锟首次利用无线电波导通信的原理,提出了低损耗的光导纤维(光纤)的概念。1970年,美国Corning公司首次研制成功石英光纤。同年,Bell实验室研制成功室温下连续振荡的半导体激光器。光纤通信时代从此开启。高锟因此与电荷耦合器件的发明人W. Boyle和G. Smith一起分享了2009年Nobel物理学奖。

Hafele-Keating实验(1971)

Joseph Hafele和Richard Keating通过安装在商业飞机上的铯原子钟,比较了绕地球向东、向西各飞行一圈和呆在原地三种情况下的时钟快慢,结果与相对论预言一致。

Bell不等式实验(1972-)

Bell不等式简言之,即是说任何定域隐变量理论不可能重复量子力学的全部统计预言。其所要验证的,是量子力学和爱因斯坦的「隐变量」(局域实在论)哪个才是真实世界的理论。这是非常基础的物理乃至哲学问题。1972年,Stuart Freedman和John Clauser做了第一个Bell不等式实验。1981-82年,Alain Aspect等人第一次在精确意义上对EPR作出检验,证实了「量子纠缠」的存在。至今40年间,大量实验表明Bell不等式不成立,即量子力学才是正确的理论,世界在本质上是非局域的。

弱中性流(1973)

弱中性流是由Z玻色子传递的弱相互作用形式。由F.J.Hasert领导下在CERN发现。弱中性流的发现支持了支持了Abdus Salam、Sheldon Glashow和Steven Weinberg的电弱统一理论,并最终导致了W±和Z0玻色子的发现。以上三位理论家因此分享了1979年Nobel物理学奖。

射电脉冲双星(1974)

Russell Hulse和Joseph Taylor发现了第一颗射电脉冲双星PSR 1913+16,它们是两颗互相环绕的脉冲星。通过精确地测量射电脉冲双星轨道周期的变化可以间接检测引力波的存在,从而验证广义相对论。二人也因此获得1993年的Nobel物理学奖。

J/Psi粒子(1974)

由丁肇中与Burton Richter各自领导的小组分别独立发现。二人因此分享1976年Nobel物理学奖。

引力探测器A(1976)

NASA和哈佛Smithsonian天文台于1976年发射「引力探测器A」火箭,上面携带一个了氢原子钟(hydrogen maser,氢原子微波激射器)。其证实了天上的钟走得比地球上的慢,即广义相对论的引力时间膨胀效应。(应该改为“天上的钟走得比地球上的快”才对。引力场弯曲更大的地方时间更慢,因此天上的钟走得更快。——by TAHO on 2013-04-17)

红移巡天(1977-)

通过测量大量天体红移值,可以确定其距离,从而研究宇宙的大尺度结构。始于1977年的CfA红移巡天是第一个红移巡天实验。目前最大的两个红移巡天项目是:始于2000年的「Sloan数字巡天」(Sloan Digital Sky Survey)和「2度视场星系红移巡天」Two-degree-Field Galaxy Redshift Survey(1997-2002)。

激光冷却(1978)

通过吸收和自发辐射光子,可减少原子的动量,获得超低温原子。这一技术由Dave Wineland,Robert Drullinger和Fred Walls首次实现。D. Wineland后来因单量子态测量与操控与S. Haroche共享了2012年Nobel物理学奖。

引力透镜(1979)

引力能将光线扭曲,于是就有引力透镜。Dennis Walsh,Robert Carswell和Ray Weymann通过对类星体Q0957+561的研究,发现了第一个引力透镜。

整数量子Hall效应(1980)

处于磁场中的导体,因内部电子受Lorentz力偏转而产生垂直电压的现象即Hall效应。量子Hall效应则是其量子版本。其是过去20多年凝聚态物理最重要的进展之一。由Klaus von Klitzing于高强磁场的二维电子气体中观测到,并因此获得1985年Nobel物理学奖。

扫描隧道显微镜(1981)

一种利用量子力学隧道效应探测物质表面结构的仪器。由Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在IBM的实验室中发明。两人因此与电子显微镜的发明者E. Ruska共享了1986年Nobel物理学奖。

分数量子Hall效应(1982)

量子Hall效应的分数版本。这一发现揭示了凝聚态物理中准粒子的重要性,以及Landau对称性破缺理论的局限。由崔琦、Horst Störmer和A. C. Gossard发现。前两人与这一现象的理论解释者Robert Laughlin共享了1998年Nobel物理学奖。

W±和Z0中间玻色子(1983)

类似于光子是电磁相互作用的媒介粒子,W±和Z0玻色子是弱相互作用的媒介粒子。这一发现极大支持了电弱统一理论(类似Hertz发现电磁波是Maxwell电磁理论的绝佳证据一样)。由Carlo Rubbia和Simon Van der Meer领导下在欧洲核子研究中心发现,二人因此获得1984年Nobel物理学奖。

激光冷却与捕获原子(1985)

由朱棣文和William Daniel Phillips于1985年首次实现,获得了极低温度(240μK)的钠原子气体。Claude Cohen-Tannoudji等人于1995年也将铯原子冷却至2.8nK。由于热运动被消除,从而可以实现原子的囚禁和捕获原子。这一技术极大提高了光谱分析和原子钟的精度,并导致了真正的Bose-Einstein凝聚。朱棣文等三人因此共享了1997年Nobel物理学奖。

高温超导(1986)

IBM的Karl Müller and Johannes Bednorz使用铜氧化物首次获得高温超导。两人因此获得1987年Nobel物理学奖。

超新星SN 1987A(1987)

1987年2月,在大麦哲伦星云发生了超新星1987A的爆发。日本的神冈探测器和美国Homestake探测器几乎同时接收到了来自超新星1987A的19个中微子,这是人类首次探测到太阳系外的中微子。

COBE卫星(1989)

1989年升空的COBE(Cosmic Background Explorer)卫星,是专门探测宇宙微波背景辐射的第一颗卫星。COBE证实了宇宙背景辐射的高度各向同性,且精确符合温度约为2.726K的黑体辐射谱;同时银河系相对于背景辐射存在相对运动。COBE最重要的发现是证实了微波背景辐射温度涨落的存在。COBE的领导者John Mather和George Smoot因此获得2006年Nobel物理学奖。

量子Zeno效应(1989-)

「芝诺效应」的量子版本,由George Sudarshan和Baidyanath Misra于1977年在理论上提出。量子Zeno效应的实质是认为观测会延缓乃至「冻结」量子系统的演化。1989年David Wineland在一个双能级量子系统中观测到了量子Zeno效应的存在。至今有大量实验表明观测(环境)会抑制量子系统的演化。

单量子态测量与操控(1980s-)

对单量子态的测量与操控,是量子力学的最直接的检验。Serge Haroche以中性原子为研究对象,实现了原子辐射的腔增强效应、量子退相干、量子纠缠、Fock态光场的产生、单个光子的量子非破坏测量以及单个光子从产生到湮灭的整个过程的观测等等。David Wineland以带电离子为对象,将单个离子冷却到其质心运动的基态,实现了薛定谔猫态、位置-动量空间负值Wigner函数量子态的产生、物质粒子间的量子隐形传送等。二人共享了2012年Nobel物理学奖。

顶夸克(1995)

由美国Fermi实验室发现,是粒子物理标准模型中最后一个被发现的夸克。三代夸克的预言者,小林诚和益川敏英因此(与南部阳一郎一起)分享2008年Nobel物理学奖。

Bose-Einstein凝聚(1995)

一种新物态,为玻色子原子在冷却到绝对零度附近时所呈现出的一种气态的、超流性的状态。1995年6月5日,Eric Cornell和Carl Wieman利用铷-87原子首次制成,四个月后Wolfgang Ketterle利用钠-23也独立制成。三人因此分享2001年Nobel物理学奖。

Casimir效应(1996)

真空中两块靠近的平行不带电金属板会互相吸引。Casimir效应是真空量子涨落的直接结果,由Hendrik Casimir于1948年预言。Casimir效应虽然很早就被证实存在,但直到1996年才首次被精确测定。

量子隐形传输(1997)

量子隐形传输传递的是量子态而非经典的状态。因为量子纠缠的存在,量子态可以瞬间传递。奥地利的Anton Zeilinger等人于1997年首次实现了单量子比特的量子隐形传输。目前中国在这一领域的研究处于世界一流。2005年,潘建伟院士领导的小组在合肥创造了13公里的双向量子纠缠分发世界纪录;2012年首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传输和纠缠分发。目前量子隐形传输的世界记录是143公里,由奥地利科学家于2012年9月实现。

宇宙加速膨胀(1998)

Saul Perlmutter,Brian Schmidt和Adam Riess分别领导的三个小组,通过对Ia型超新星的观测,发现宇宙正在加速膨胀。三人因此获得2011年Nobel物理学奖。

τ中微子(2000)

τ中微子是粒子物理标准模型最后一个被发现的轻子,也是倒数第二个被发现的粒子(最后一个是Higgs玻色子)。2000年7月21日,美国Fermi实验室宣布发现τ中微子存在的证据。

夸克-胶子等离子体(2000)

由渐进自由的夸克和胶子组成,是一种高温高密的物质形态。由欧洲核子研究中心(CERN)于2000年宣布制成。

WMAP卫星(2001)

宇宙微波背景的探测始于COBE。但是2001年升空的WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe),才真正开始精确测定微波背景的温度涨落,从而开启了精确宇宙学时代。近十年来,WMAP卫星是宇宙学研究数据的主要来源之一。

费米子凝聚(2003)

所谓物质的第六态。费米子通过Cooper对结合呈现玻色子性质,从而实现量子态的凝聚。由Deborah Jin于2003年12月16日首次实现,将50万个钾-40原子冷却至5×10−8 K。

引力探测器B(2004-)

由NASA和Stanford大学于2004年发射,目的是测定地球周围时空曲率,从而直接验证广义相对论。其证实了「测地线效应」,即陀螺在引力场中的进动;以及「坐标系拖拽」,即地球自转的同时,会带着周围时空一起旋转。

石墨烯(2004)

一种由碳原子组成的、只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是目前最薄、最坚硬、电阻率最低的纳米材料。通过石墨烯可在常温下实现量子Hall效应。由Andre Geim和Konstantin Novoselov于2004年发现,二人因此获得2010年Nobel物理学奖。

隐形材料(2006)

如果光线可以绕过物体,然后继续沿原来的方向传播,则物体看上去如隐形。2006年,John Pendry等人用超颖材料首次制造出一个可以让微波弯曲绕道的圆柱,即隐形斗篷的原型。目前隐形材料仍然是热门研究领域。

大型强子对撞机(2008-)

位于欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器。其用以将质子加速对撞,从而进行高能物理研究。LHC于2008年9月10日开机运行。2012年7月4日,CERN根据LHC的数据宣布了Higgs玻色子粒子存在的证据。

Planck卫星(2009-)

Planck卫星是WMAP卫星的后继者,于2009年升空,2013年刚刚开始发布数据。Planck的观测精度已经逼近所谓「宇宙方差」(cosmic variance)的极限。

Alpha磁谱仪(2011-)

Alpha磁谱仪是丁肇中领导、安装于国际空间站上的粒子物理实验设备。其目的在于探测宇宙中的奇异物质,包括暗物质及反物质。2013年4月4日,丁肇中在CERN公布了初步的暗物质探测结果。

Higgs玻色子(2012)

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)。Higgs粒子是粒子物理标准模型最后一个待发现的粒子,因此被称为「天杀的粒子」(Goddammed particle)。后为和谐起见,被媒体称为「上帝粒子」(God particle)。2012年7月4日,CERN宣布了Higgs玻色子粒子存在的证据。2013年3月14日,CERN正式宣布此前发现的粒子是Higgs玻色子。

大亚湾中微子振荡(2012)

2012年3月8日,大亚湾实验组宣布发现一种新的中微子振荡。这大概是到目前为止,中国本土做过的最有影响的高能物理实验。

量子反常Hall效应(2013)

量子反常Hall效应同量子Hall效应本质不同。其并不需要外界磁场,而是通过拓扑非平庸的能带结构产生具有手征性的边缘态实现。由中国科学院物理研究所和清华大学物理系于2013年成功实现,并发表在2013年3月15日的《科学》杂志上。一些人认为这是目前中国本土作出的最接近Nobel奖级的物理实验。

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感谢@韩冬 邀答。

这个回答断断续续写了很久。查阅了很多资料,自己也学习了不少。

写得像大杂烩和大事年表。不过物理是实验科学,重大实验发现一般也意味着物理学本身的重大进展。

但因专业所限,难免挂一漏万,特别是近年的重要实验。有待继续补充。

— 完 —

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