21世紀諾貝爾物理獎2001-2021

大至宇宙天文，小至中子粒子，
實驗觀測與理論齊頭並進，看得懂的諾貝爾物理學，
學術典範正在轉移，新研究浪潮風起雲湧。

每個世代的得獎者皆有其特色，反映著近代物理學的歷史和演進。
進入21世紀之後的諾貝爾物理獎得主，
長年關注的領域，涵蓋凝聚態、核物理、天文宇宙學，
乃至於技術突破與材料的創新，與生活息息相關。
他們以先驅角色，引領科學不斷朝向知識的邊界前進。

◎本世紀諾貝爾物理學獎的二、三事
•2021年物理獎首度頒給氣候變遷學者，關注地球暖化。
•若沒有藍光LED燈的發明，本世紀的夜晚將截然不同！
•2009年諾貝爾物理獎打破慣例，給予三位科技人對於網路的貢獻。
•多虧2007年得主，iPod能達到微小化又有良好訊號。
‧2012年得主為超快速量子電腦的實現跨出了第一步。
‧史上只有一位諾貝爾物理獎得主也獲得了搞笑物理學獎。

每年10月諾貝爾獎頒布，總在媒體和學界引來話題，從獲獎人的國家、背景、學術經歷和奮鬥歷程，到得獎感言和頒獎花絮，誠然是全球學界每年最大的盛事，因為它代表得主在科學成就的巔峰，也能展現出科學發展的最新趨勢。
《21世紀諾貝爾物理獎2001-2022》集結《科學月刊》每年在諾貝爾獎得主公布後，邀請國內同領域的專家，分析該年各個得主生平事蹟和得獎領域，以深入淺出的文字和說明，讓讀者瞭解物理研究的最新景況，前瞻地引導讀者思考科學的前景。
從1960年到1999年四十年間的頒發次數比例，凝聚態領域約45%，粒子與核物理領域約40%，天文與宇宙學領域約13%，技術領域約5%。因為有些年份頒發給不同領域，所以加起來略超過100%。其中技術領域只有兩項，分別是1966年雷射技術的先導研究，以及1971年全像攝影。這兩個技術領域項目對於現代生活的影響微乎其微，完全無法與之前討論過的本世紀的三個技術獎項相比。
相對而言，本世紀目前為止的獎項的分配比例分別為：凝聚態領域約 40%，粒子與核物理領域約 23%，天文與宇宙學領域約27%，技術領域約14%。相比之下，最明顯的就是粒子與核物理的比例下降約一半，天文與宇宙學的比例則加倍。而技術領域的成長更是驚人的三倍且重要性大增。這樣的變化隱含著上世紀末到本世紀初這二、三十年間學術領域的消長與學術典範的轉移。
天文與宇宙學的比例加倍，部分理由是過去由於技術上的巨大挑戰，天文學中有關黑洞或重力波的直接觀測在過去一個世紀中幾乎沒有重大進展，直到最近相關的實驗觀測才陸續到位。其中劃時代的突破是2015年開始運行的重力波雷射干涉儀（LIGO），開啟了黑洞與重力波天文學的新時代。2017年諾貝爾物理獎頒給證實重力波存在的萊納．魏斯（Rainer Weiss）、巴里．巴利許（Barry Barish）和基普．索恩（Kip Thorne）；2020年則頒給約六十年前就提出黑洞形成理論的潘洛斯（Roger Penrose）與較近的近黑洞觀測研究。而在宇宙學方面，宇宙學家也嘗試建立宇宙學的標準模型，而這是2019年物理獎所頒發的主題之一，當年給獎的另一個主題是系外行星。
至於技術領域則著眼於材料的創新。本世紀所頒發的三個技術領域相關的物理獎恰恰都與我們生活息息相關。它們分別是2000年的半導體集成電路（IC），2009年頒發的光纖與感光耦合元件（CCD），以及2014年的藍光二極體。如果沒有這幾項發明，我們將生活在完全不同的21世紀。
另外值得一提的是，為本書撰稿的台灣物理學家中，有許多師出諾貝爾獎大師門下，能一窺得獎者或特立獨行的研究風格，或平易近人的為人處事一面，更神遊於他們治學的風範和精神。

科學月刊
《科學月刊》（Science Monthly）是台灣本土科普領域的代表性刊物，代表好幾個世代的台灣科學家和理工知識分子回饋社會的心意，所形成的科學沙龍風貌以及在中學科學教育和科學政策上所造成的影響，都是《科學月刊》在台灣科學社群發展以及文化影響方面的具體表徵。作為國內科普推廣的重要刊物，介紹每年的諾貝爾獎內容是不可少的任務與目標。

曾耀寰（科學月刊社理事長、中研院物理所副技師）
累積2001年2021年的諾貝爾經濟科學獎，年份加倍、超值的內容，宴饗大眾，值得購買珍藏。

導讀：林豐利（台師大天文與重力中心主任）
諾貝爾獎是學術界的桂冠，得獎者將進入史冊，得獎的工作通常是學術研究的里程碑，不只承繼先人的努力，往往也開啟往後的研究途徑。累積2001年至2021年的諾貝爾物理獎，年份加倍、超值的內容，宴饗大眾，值得購買珍藏。

推薦文：寒波（盲眼的尼安德塔石器匠部落主、泛科學專欄作者）
就算不是研究科學的讀者，閱讀諾貝爾獎的介紹，以及厲害科學家的故事，想必也能滿載而歸。

序│曾耀寰
導讀 從諾貝爾物理學獎看物理學的走向│林豐利
推薦文 關於諾貝爾獎二、三事│寒波

2001｜諾貝爾物理獎 極低溫的物理世界――玻色―愛因斯坦凝結
2002｜諾貝爾物理獎 扭轉世界的宇宙觀
2003｜諾貝爾物理獎 由量子論至超導與超流理論
2004｜諾貝爾物理獎 漸進自由的夸克
2005｜諾貝爾物理獎 光同調性更上層樓
2006｜諾貝爾物理獎 微弱的宇宙輻射化石
2007｜諾貝爾物理獎 當雙電流模型碰上磁交互作用
2008｜諾貝爾物理獎 從B介子工廠道大強子對撞機─―微觀世界的對稱性破壞
2009｜諾貝爾物理獎 光的魔術師―─奠定現代網路生活的發明
2010｜諾貝爾物理獎 挑戰不可能的任務―─製備石墨超級薄片
2011｜諾貝爾物理獎 從「星」看世界─―加速膨脹的宇宙
2012｜諾貝爾物理獎 操控離子及光子―─開啟量子技術的新紀元
2013｜諾貝爾物理獎 把光子變重了―─基本粒子的質量起源
2014｜諾貝爾物理獎 藍光LED掀起照明新頁
2015｜諾貝爾物理獎 地底水槽探索微中子震盪
2016｜諾貝爾物理獎 拓樸理論提供物質新觀點
2017｜諾貝爾物理獎 1. 無遠弗屆、鉅細靡遺──全方位的重力波探測
2. 證實重力波存在的功臣──雷射干涉重力波觀測站
2018｜諾貝爾物理獎 1. 隔空取物？化想法為現實的光鑷
2. 雷射功率不斷提升，期待將能量轉為物質的未來
2019｜諾貝爾物理獎 1. 成功建立描述宇宙本質與起源的模型
2. 地球並不孤單──尋找系外行星
2020｜諾貝爾物理獎 1. 時空的奇異旅程
2. 發現銀河系中心的大質量緻密天體
2021｜諾貝爾物理獎 1. 建立地球氣候模型――可靠預測全球暖化
2. 盤根錯節的疆域――崇山峻嶺與深淵幽谷交織的複雜系統

2009｜諾貝爾物理獎　光的魔術師――奠定現代網路生活的發明
諾貝爾獎也肯定的科技發明。想想看，假設我們生活裡沒有手機、沒有數位相機、沒有網路，就沒有Google找資料、沒有電子郵件通訊息，打越洋長途電話還要排隊等待空線，該是多不方便而無趣的生活。沒錯，四十年前我的學生時代大致就是這麼一個世界。而今天，我們隨時隨地打電話，不論對方在何處，都是隨撥隨通，清清楚楚，出門郊遊或是開會、派對，人手一台數位相機，隨意地拍美景留影，這一切的改變都要歸功於2009年諾貝爾物理獎的得主。
歷年來諾貝爾物理獎的主題，多半是關於基礎科學突破性的貢獻，距一般民眾的生活較為遙遠，若要讓社會大眾瞭解他們的貢獻，通常都需要專家們作一番闡釋。然而2009年諾貝爾物理獎打破以往慣例，給予三位科技人對近代網路社會卓越的貢獻，也難怪揭曉的當天，高錕透過香港中文大學副校長楊綱凱表示「深感榮幸」，並說「諾貝爾獎少有表彰應用科學的成就，故我從來沒有想過會獲獎，感到非常驚喜」。高錕還幽默提及了自己的研究成果，說︰「有賴光纖的出現，這個喜訊已於瞬間傳到千里。」
「光纖之父」─高錕，為英國和美國公民，1933年出生於上海，1948年舉家遷往香港，立志要成為電機工程師。於香港高中畢業後即前往英國就讀大學，1965年取得英國倫敦大學博士學位。曾擔任英國哈洛工程標準電信實驗室總監、中國香港大學副校長。高錕從小就對新的現象感興趣，當他在英國標準電信實驗室（Stan dard Telecommunication Laboratories, STL）工作時，提高傳輸的頻寬一直是通訊領域一個重要的研究課題，在那個時代，衛星通訊和微波通訊利用金屬的導波管（metallic waveguide）來傳遞訊息，是十分熱門的研究題目。從通訊理論上來看，光波應該是一種更好的載波系統，可用來傳輸更寬頻的訊息，但當時缺乏一個理想的光發射器，因此到了1960年代雷射發明後，高錕的老闆就建議他研究利用光波作通訊應用的可能性，從此高錕就和光通訊結下了不解之緣。
其實，光通訊是人類很早就知道使用的通訊方式，包括利用打手式和煙火來把訊號傳送至遠方，然而這些方式傳送的頻寬都很有限。雷射初發明不久時壽命很短，需在低溫冷卻的環境下操作，大家完全不知道如何利用雷射，但其實雷射本身的頻幅寬，可用來傳輸大量的訊息。起初大家嘗試像古代一般用開放的空間來傳送雷射的訊號，但因空氣太不穩定，雷射的信號無法穩定傳送，於是很快就放棄此法；之後嘗試模仿微波傳輸方式，將光用金屬管來傳輸，或是利用薄膜來傳送光信號，均不成功。慢慢高錕開始思考，如果光能在一個沒有損耗的單膜玻璃波導中傳輸，應該是個好方法，但當時沒人知道導致光衰減的真正原因。高錕和他的同事喬治．霍克漢（George Hockham）二人花了三年多的時間，從最基礎的物理性質和化學性質來瞭解，終於令光束低衰減而能在玻璃介質中傳輸較長距離的技術。

2018｜諾貝爾物理獎　隔空取物？化想法為現實的光鑷
亞希金從小就對科學特別有興趣，甚至自嘲科學研究是他唯一擅長的事。自1952年取得康乃爾大學核子物理學博士學位之後，便加入AT&T貝爾實驗室進行微波和雷射的相關研究。亞希金擁有將近五十項研發專利，並在非線性光學及光折變效應（photorefractive effect）有卓越貢獻。在貝爾實驗室工作四十年後，他於1992年退休，至今仍在實驗 室進行研究。當亞希金得知獲得諾貝爾獎時，第一時間他向委員會表示 自己正專注於太陽能的研究，目前非常忙，可能沒時間接受訪問。
亞希金後續在接受記者訪問時自豪地表示：「你知道什麼是光鑷嗎？」他拿著於2006年發表的著作《利用雷射光學捕捉和操縱中性粒子》，指著書封說：「這裡有道綠色雷射光經過透鏡聚焦在玻璃小球上……，你以為光只會加熱使小球的溫度上升或是推開小球，但在這裡，光在小球裡彎曲，使得小球被抓住。」亞希金描述的是他於1986年發表的突破性研究，利用單獨一道高度聚焦的雷射光束形成穩定的三度空間位能阱，吸引電介質粒子並局限在光束的焦點附近。
亞希金在接受電話訪談時提到：「當初許多人認為利用光抓住生物體是誇大的說法。」1987年，亞希金於《自然》和《科學》發表關鍵文章，成功展示光鑷捕捉並移動病毒、細菌、酵母菌、紅血球、海藻及活細胞等生物體的能力，並且不會對樣品造成損傷，證實其可行性。1990年，亞希金更進一步利用紅外線雷射光進行細胞雷射微手術，使用光鑷操控細胞中胞器，深入細胞內卻不破壞細胞膜，開啟微米與奈米尺度的生物物理（力學）研究的大門，啟發後續無數革命性的研究。

2019｜諾貝爾物理獎　成功建立描述宇宙本質與起源的模型
在個人電腦還未誕生的年代，皮博斯是首批利用超級電腦模擬宇宙演化的科學家。他在1969年就使用位於新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）電腦模擬星系在重力吸引下移動，而僅三百個星系的模擬卻跑了一整個週末！另外在1970年代天文學界發現一個奇怪現象，在螺旋星系邊緣的恆星繞行速度遠超出牛頓定律的預期，懷疑星系中有看不見的「暗物質」存在。皮博斯於是與同事歐斯垂克（Jeremiah Paul Ostriker）利用當時非常初階的電腦模擬暗物質的存在，並在1974年發表論文證實普通星系的質量被低估至少十倍以上。
回顧歷史，當初被認為最有可能組成暗物質的粒子是微中子，由於速度接近光速，故稱為熱暗物質（hot dark matter, HDM）。但科學家隨即發現，熱暗物質作為宇宙大尺度結構的主要參與作用物質，會形成一種「由上而下」（top-down）的結構產生順序，也就是先產生超大星系團，然後解裂成星系團及星系。但此結構產生順序會導致宇宙大尺度結構非常不均勻，與觀測不符。
於是皮博斯在1982年首先提出冷暗物質的宇宙模型。冷暗物質（cold dark matter, CDM）是一種假設性的暗物質，之所以稱為「冷」，是因為此暗物質移動速率遠小於光速。在冷暗物質的宇宙模型中，由少量物質在重力下塌縮先合併在一起，結構由下而上層層增長（bottom-up），形成越來越巨大的結構。雖然目前仍未發現組成冷暗物質的粒子，但此冷暗物質模型較符合觀測結果。他隨即在1984年提出具宇宙常數的冷暗物質模型，成為當今成功描述宇宙起源及演化的標準模型。
就如同瑞典皇家科學院的讚譽：「皮博斯對宇宙物理學的洞察力豐富了整個研究領域，在過去的五十年中打下堅實的基礎，將猜想假設塑型成一門科學。他在70年代開始發展的宇宙學理論框架，成為當今我們對宇宙了解的基礎。」