21世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)吒啐g化現(xiàn)象及啟示①

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210024)

·教學(xué)研究·

21世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)吒啐g化現(xiàn)象及啟示①

胡雨宸宋亞杰

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210024)

筆者通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，21世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者呈現(xiàn)出高齡化現(xiàn)象。對(duì)典型高齡獲獎(jiǎng)?wù)哌M(jìn)行案例分析,發(fā)現(xiàn)他們?nèi)〉弥饕獙W(xué)術(shù)成果的年齡并沒有升高,諾貝爾獎(jiǎng)?wù)J可成果時(shí)間的延長(zhǎng)才是造成21世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)高齡化現(xiàn)象的直接原因,并從中總結(jié)關(guān)于基礎(chǔ)教育改革的啟示。

諾貝爾物理獎(jiǎng);獲獎(jiǎng)年齡;高齡化現(xiàn)象

1 引言

2016年瑞典皇家科學(xué)院將諾貝爾物理獎(jiǎng)授予三位在美國(guó)高校從事研究工作的物理學(xué)家戴維·索利斯(David J. Thouless)、鄧肯·霍爾丹(F. Duncan M. Haldane)和邁克爾·科斯特利茨(J. Michael Kosterlitz),獲獎(jiǎng)理由是“在物質(zhì)的拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎喾矫娴睦碚摪l(fā)現(xiàn)”。三位獲獎(jiǎng)?wù)咧械乃骼巩?dāng)時(shí)已是82歲,是歷屆諾貝爾物理獎(jiǎng)得主中最年長(zhǎng)的幾位科學(xué)家之一,而65歲的霍爾丹和74歲的科斯特利茨也超出了歷屆諾貝爾物理獎(jiǎng)得主的平均年齡。諾貝爾獎(jiǎng)六大獎(jiǎng)項(xiàng)(物理獎(jiǎng)、化學(xué)獎(jiǎng)、生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)、文學(xué)獎(jiǎng)、和平獎(jiǎng)和經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng))自設(shè)立至今共誕生885位獲獎(jiǎng)?wù)?其平均年齡為59歲,其中物理獎(jiǎng)204位獲獎(jiǎng)?wù)叩钠骄挲g為55歲,是六大獎(jiǎng)項(xiàng)獲獎(jiǎng)?wù)咧衅骄挲g最低的一項(xiàng),這也符合物理學(xué)抽象程度高的學(xué)科特點(diǎn)。但是在進(jìn)入21世紀(jì)后,諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者的平均年齡呈現(xiàn)出顯著上升的趨勢(shì),高齡科學(xué)家獲獎(jiǎng)的現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，筆者試圖探究這種特殊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

2 21世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)得主高齡化現(xiàn)象

2.1 21世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)得主獲獎(jiǎng)年齡呈上升趨勢(shì)

自1900年諾貝爾物理獎(jiǎng)設(shè)立至1999年,20世紀(jì)的一百年中諾貝爾物理獎(jiǎng)共授予159人,平均年齡為52歲。進(jìn)入21世紀(jì),自2000年至今,17屆諾貝爾物理獎(jiǎng)共授予45人,平均年齡為66歲。

表1 諾貝爾物理獎(jiǎng)得主獲獎(jiǎng)年齡統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

20、21世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)得主獲獎(jiǎng)年齡數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)見表1，從中可以看出：諾貝爾物理獎(jiǎng)得主獲獎(jiǎng)年齡的平均數(shù)、中位數(shù)與眾數(shù)均基本相等,這表明20世紀(jì)和21世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)得主獲獎(jiǎng)年齡的數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出一定的對(duì)稱分布。對(duì)21世紀(jì)與20世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)得主獲獎(jiǎng)年齡進(jìn)行對(duì)比,其獲獎(jiǎng)年齡的平均數(shù)增長(zhǎng)了14歲、中位數(shù)增長(zhǎng)了17歲、眾數(shù)增長(zhǎng)了16歲,三者基本相等,同時(shí),21世紀(jì)獲獎(jiǎng)?wù)叩淖钚∧挲g和最大年齡也有明顯增大。兩相比較不難發(fā)現(xiàn),自進(jìn)入21世紀(jì)以來,諾貝爾物理獎(jiǎng)得主的平均年齡呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。

2.2 21世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)得主高齡化現(xiàn)象

諾貝爾物理獎(jiǎng)得主獲獎(jiǎng)年齡的上升趨勢(shì)還呈現(xiàn)在各年齡段人數(shù)的差異上,詳見表2。在20世紀(jì),諾貝爾物理獎(jiǎng)得主的獲獎(jiǎng)年齡主要集中在40-49、50-59以及60-69三個(gè)年齡段之間,基本上呈現(xiàn)正態(tài)分布,中間多兩邊少;而進(jìn)入21世紀(jì),諾貝爾物理獎(jiǎng)得主的獲獎(jiǎng)年齡主要集中在60-69、70-79以及80-89三個(gè)年齡段。自21世紀(jì)以來,50歲以下獲獎(jiǎng)?wù)叩娜藬?shù)和比例急劇減少,而70歲以上獲獎(jiǎng)?wù)叩娜藬?shù)和比例急劇增加。通過對(duì)比容易發(fā)現(xiàn),諾貝爾物理獎(jiǎng)自21世紀(jì)以來不僅獲獎(jiǎng)年齡普遍增長(zhǎng),而且呈現(xiàn)出顯著的高齡化現(xiàn)象。

表2 20、21世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者在各年齡段的分布

3 典型高齡獲獎(jiǎng)?wù)甙咐治?/h2>

一般認(rèn)為,一位科學(xué)家一生中主要的學(xué)術(shù)成果通常是在四十歲左右完成的,在四十歲之前科學(xué)家的創(chuàng)造能力呈現(xiàn)上升趨勢(shì),隨后就開始逐漸下降,也有研究指出杰出科學(xué)家在五十歲前后往往出現(xiàn)科學(xué)創(chuàng)造的第二高峰。表1、表2的數(shù)據(jù)顯示20世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)得主的獲獎(jiǎng)年齡基本符合這一規(guī)律,但21世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)得主的獲獎(jiǎng)年齡卻與之大相徑庭,那么為何新世紀(jì)以來諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者會(huì)出現(xiàn)這種高齡化現(xiàn)象？不妨對(duì)幾位高齡獲獎(jiǎng)?wù)哌M(jìn)行個(gè)案分析,從中尋找一些規(guī)律與啟示。

3.1 雷蒙德·戴維斯:探究太陽中微子第一人

雷蒙德·戴維斯1914年10月14日出生于美國(guó),2002年因“在天體物理學(xué)領(lǐng)域做出的先驅(qū)性貢獻(xiàn),尤其是探測(cè)宇宙中微子”榮獲諾貝爾物理獎(jiǎng),是諾貝爾物理獎(jiǎng)歷史上最年長(zhǎng)的獲得者,2006年5月31日與世長(zhǎng)辭,享年92歲。戴維斯是用化學(xué)放射法探索太陽中微子的先驅(qū),他選擇太陽中微子與37Cl作用產(chǎn)生放射性37Ar的反應(yīng)。1968年戴維斯將一個(gè)長(zhǎng)14.6米、直徑6.1米的裝有3.8×105升的全氯乙烯(C2Cl4)的巨型容器，埋在美國(guó)南達(dá)科他州霍姆斯塔克的距離地面1500米深的金礦中,使太陽中微子與37Cl反應(yīng)生成37Ar,用化學(xué)提純的方法將37Ar從C2Cl4中提取出來,測(cè)量其放射性就可以測(cè)得太陽中微子的通量。理論上,戴維斯的實(shí)驗(yàn)裝置可探測(cè)到的中微子通量為(7.9±2.6)SNU(太陽中微子單位,1SNU=1036中微子俘獲/靶原子·秒)。從1968年開始,戴維斯領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)小組歷經(jīng)30余年的觀測(cè),探測(cè)到大約2000個(gè)中微子,成績(jī)非常顯著。戴維斯的實(shí)驗(yàn)第一次觀測(cè)到來自天體和宇宙的中微子,創(chuàng)立了中微子天文學(xué)這一新興學(xué)科,打開了人類探索宇宙奧秘的新大門。

3.2 戴維·索利斯:以拓?fù)湎嘧兇蜷_全新世界大門

戴維·索利斯1934年9月21日出生于英國(guó),2016年因“在物質(zhì)的拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎喾矫娴睦碚摪l(fā)現(xiàn)”榮獲諾貝爾物理獎(jiǎng),現(xiàn)為美國(guó)華盛頓大學(xué)榮譽(yù)退休教授、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員、美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)員、美國(guó)科學(xué)院院士,曾獲得沃爾夫獎(jiǎng)、美國(guó)物理學(xué)會(huì)獎(jiǎng)、保羅·迪萊克金獎(jiǎng)等物理學(xué)大獎(jiǎng)。在物質(zhì)系統(tǒng)中,物理、化學(xué)性質(zhì)完全相同,與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱為“相”。所謂“相變”就是物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程。在20世紀(jì)70年代之前,物理學(xué)領(lǐng)域關(guān)于相變的研究只有朗道相變理論,它可以完美地解釋固液相變等現(xiàn)象,被認(rèn)為是當(dāng)時(shí)最好的相變理論。但是,朗道相變理論只能解釋三維尺度的相變,卻無法解釋二維尺度上的相變。索利斯正是在這樣的背景下結(jié)識(shí)了另一位諾貝爾獎(jiǎng)得主、他的弟子科斯特利茨,兩個(gè)充滿好奇而無所畏懼的年輕科學(xué)家就這樣開始了一段傳奇的旅程。1971年科斯特利茨來到伯明翰大學(xué)做第二期博士后,在索利斯的指導(dǎo)下完成了二維尺度上的拓?fù)湎嘧兝碚摰恼撐?它被看作20世紀(jì)凝聚態(tài)理論最重要的發(fā)現(xiàn)之一,以二人的姓氏首字母命名為KT相變。1983年索利斯與合作者提出：量子霍爾效應(yīng)的量子化起源于拓?fù)?在理論上解釋了超薄層材料導(dǎo)電性呈整數(shù)式階躍的特征,表明這些整數(shù)代表著材料的拓?fù)湫再|(zhì)。所謂拓?fù)湓臼且粋€(gè)數(shù)學(xué)概念,它描述的是幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的性質(zhì)。索利斯與合作者將拓?fù)鋵W(xué)概念引入物理學(xué),使用先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法對(duì)物質(zhì)的異常狀態(tài)進(jìn)行了前所未有的研究,其成果打開了一扇通向未知世界的大門,在那里物質(zhì)可以呈現(xiàn)出與現(xiàn)實(shí)世界完全不同的奇異狀態(tài)。其先驅(qū)性工作讓這方面的研究向著探索物質(zhì)更多新奇性狀的方向發(fā)展,物理學(xué)界對(duì)該研究在未來應(yīng)用于電子和材料科學(xué)領(lǐng)域充滿期待。

3.3 兩位高齡諾貝爾物理獎(jiǎng)得主分析

可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象:戴維斯1968年完成諾貝爾獎(jiǎng)研究成果時(shí)只有54歲,2002年獲得諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)已經(jīng)88歲高齡,相隔了34年,而他的獲獎(jiǎng)還得益于2001年中微子振蕩實(shí)驗(yàn)取得突破性進(jìn)展所帶來的契機(jī)。索利斯的兩部分研究成果分別完成于1971年和1983年,他與科斯特利茨合作提出KT相變時(shí)僅37歲,而他完成拓?fù)湎嘧冄芯繒r(shí)也只有49歲,到2016年獲得諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)已經(jīng)82歲高齡,這之間間隔了33年。戴維斯和索利斯分別在54歲和49歲取得了學(xué)術(shù)成果,卻都等待了超過30年才獲得認(rèn)可,兩位物理學(xué)家在耄耋之年獲獎(jiǎng)的故事背后,是否意味著杰出物理學(xué)家的創(chuàng)造能力和創(chuàng)造高峰并沒有推遲出現(xiàn)的情況,只是諾貝爾物理獎(jiǎng)?wù)J可時(shí)間的延長(zhǎng)導(dǎo)致了高齡化現(xiàn)象的出現(xiàn)呢？我們不妨對(duì)21世紀(jì)與20世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者取得成果時(shí)的年齡以及獲獎(jiǎng)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比,以期得出結(jié)論。

4 諾貝爾物理獎(jiǎng)成果認(rèn)可時(shí)間呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)

自1901至1999年,諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者取得主要研究成果的平均年齡約為38歲,其學(xué)術(shù)成果獲得諾貝爾獎(jiǎng)的平均時(shí)間大約為14年。自2000年至今,諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者取得主要研究成果的平均年齡為40歲,其學(xué)術(shù)成果獲得諾貝爾獎(jiǎng)的平均時(shí)間大約為26年。

表3 20、21世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者取得成果的年齡分布

20世紀(jì)與21世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者取得成果的年齡分布詳見表3，通過對(duì)比可以看出：諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者取得主要成果的平均年齡在21世紀(jì)略有上升,但總體上保持穩(wěn)定。在20世紀(jì),物理學(xué)家重要學(xué)術(shù)成果獲得諾貝爾獎(jiǎng)的平均時(shí)間約為14年,而進(jìn)入21世紀(jì)后這一時(shí)間變?yōu)?6年,幾乎增加了一倍。這巨大的變化意味著:諾貝爾獎(jiǎng)?wù)J可學(xué)術(shù)成果的時(shí)間周期顯著延長(zhǎng),這正是21世紀(jì)諾貝爾物理獎(jiǎng)高齡化現(xiàn)象產(chǎn)生的直接原因。那么,重大學(xué)術(shù)成果獲得諾貝爾獎(jiǎng)的時(shí)間為何會(huì)急劇增長(zhǎng)？在典型高齡諾貝爾獎(jiǎng)得主的案例分析中可以尋到一些蛛絲馬跡。以希格斯為例,物理學(xué)家在理論方面取得重大突破是諾貝爾物理獎(jiǎng)嘉獎(jiǎng)的一種主要理由,而創(chuàng)造性的理論想要得到認(rèn)可必須經(jīng)受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。因此,諾貝爾獎(jiǎng)?wù)J可成果時(shí)間延長(zhǎng)的一個(gè)重要原因是：重大理論突破限于技術(shù)條件的客觀制約無法立刻得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,往往需要經(jīng)歷漫長(zhǎng)時(shí)間的等待,直到科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，才能得到諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)的認(rèn)可。另一方面,以索利斯為例,物理學(xué)家在面對(duì)挑戰(zhàn)時(shí),嘗試引入數(shù)學(xué)等其他學(xué)科的概念,來對(duì)一些已有理論無法解釋的現(xiàn)象進(jìn)行解釋,全新的、創(chuàng)造性的概念在當(dāng)時(shí)的時(shí)代背景下難以被理解和認(rèn)可。因此,各學(xué)科之間相互交融所帶來的科學(xué)社會(huì)化趨勢(shì),是諾貝爾獎(jiǎng)?wù)J可成果時(shí)間延長(zhǎng)的另一個(gè)重要原因。

5 結(jié)語

諾貝爾獎(jiǎng)?wù)J可成果時(shí)間的延長(zhǎng),從某種程度上體現(xiàn)出諾貝爾獎(jiǎng)對(duì)杰出科學(xué)成果的評(píng)價(jià)與認(rèn)定越來越嚴(yán)謹(jǐn)和規(guī)范,這對(duì)科學(xué)和社會(huì)的發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。同時(shí),諾貝爾獎(jiǎng)所嘉獎(jiǎng)的,是那些“切實(shí)能夠?qū)θ祟愇镔|(zhì)、精神生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的研究成果,尤其是一些表面上看起來不十分華麗耀眼而潛在價(jià)值巨大的基礎(chǔ)性成果”。高齡諾獎(jiǎng)得主的故事告訴我們,付出終究會(huì)得到回報(bào),科學(xué)家的職責(zé)在于不斷探索未知世界,科學(xué)家的研究出于自身的好奇以及肩負(fù)的責(zé)任,對(duì)基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究道路看似平凡漫長(zhǎng)，卻從根本上推動(dòng)了社會(huì)的發(fā)展,偉大的貢獻(xiàn)終會(huì)得到社會(huì)的認(rèn)可與嘉獎(jiǎng)。

[1] 胡雨宸,陸建隆.中微子研究的突破與諾貝爾物理獎(jiǎng)[J].物理教師,2016,37(1):63-68.

[2] 徐飛,陳仕偉.中國(guó)杰出科學(xué)家年齡管理策略的新思考——從近十年(2001—2010)中國(guó)科學(xué)院新增院士與諾貝爾獎(jiǎng)獲得者年齡比較的反差談起[J].科學(xué)學(xué)研究,2012,30(7):976-982.

[3] 路甬祥.規(guī)律與啟示——從諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)與20世紀(jì)重大科學(xué)成就看科技原始創(chuàng)新的規(guī)律[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2000,20(4):3-11.

[4] 顧家山.諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)與科學(xué)精神[M].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009:18-20.

①本文系教育部“南京師范大學(xué)卓越中學(xué)教師培養(yǎng)改革項(xiàng)目”的階段性成果。