發現自然之美：諾貝爾物理獎1978

1978年的諾貝爾物理獎頒給兩個完全不同的主題。蘇聯科學家彼得·列昂尼多維奇·卡皮察（Pyotr Leonidovich Kapitsa，1894年7月9日－1984年4月8日）以「低溫物理領域的基本發明和發現」而獲得一半的獎金，另一方面美國工程師阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias，1933年4月26日－）和羅伯特·伍德羅·威爾遜（Robert Woodrow Wilson　1936年1月10日－）則因「發現宇宙微波背景輻射」平分另一半的獎金。 宇宙微波背景輻射的發現在近代天文學上具有非常重要的意義，它給了宇宙大爆炸起源說一個強而有力的證據，所以與類星體、脈衝星、星際有機分子，並稱為20世紀60年代天文學的「四大發現」。這也是諾貝爾獎第二次頒給與天文相關的研究。

彼得·列昂尼多維奇·卡皮察 Pyotr Leonidovich Kapitsa	羅伯特·伍德羅·威爾遜 Robert Woodrow Wilson	阿諾·彭齊亞斯 Arno Penzias
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卡皮察於1894年出生於俄羅斯帝國的一個軍事工程師家庭。一戰期間，卡皮察被迫中斷學業，在波蘭前線做了兩年救護車司機。1917年俄國革命後退出一戰後，卡皮察於1918年在彼得堡工學院畢業後留校當講師。留校期間，卡皮察和尼古拉·謝苗諾夫(Nikolay Nikolayevich Semyonov 1956年諾貝爾化學獎得主)一起提出了一個確定原子磁矩的相互作用與非均勻磁場的方法。這種方法後來在發現電子自旋的著名實驗:史特恩－格拉赫實驗中被採用。不久卡皮察在1918-19 年的全球流感流行期間失去了他的父親、妻子和兩個年幼的孩子，身心俱疲的卡皮察於1921年前往英國劍橋大學就讀，1923年拿到學位後留在拉塞福領導的卡文迪希實驗室工作了十餘年。在1920年代，他開創了將電流短暫地注入空芯電磁鐵而產生超強磁場的新技術。 1928年，他發現放置在很強的磁場中的各種金屬，它們的電阻率會與磁場成線性關係。這被稱為是卡皮察磁阻定律(Kapitza Magnetoresistance Law)。在劍橋的最後幾年時間，卡皮察轉向低溫研究。1929年卡皮察被選為英國皇家學會院士。1930年成為專門研究強磁場的蒙德實驗室的第一任主任。

1934年，卡皮察回俄國探望母親後，被強留在蘇聯，還被任命為物理問題研究所的所長。他的設備都留在英國，所以蘇聯政府在拉塞福的協助下將這些儀器從蒙德實驗室搬到蘇聯去。1934年，他開發了新的設備，作出大量的液態氦。1938年，卡皮察和約翰·艾倫等人發現了液態氦4在低於2.174K的環境下的超流體。[事實上，卡皮察在劍橋的同事約翰·艾倫(John Frank Allen)與學生唐 麥森納(Don Misener)也發現類似的現象。]這是一個驚人的發現。如果將超流體放置於環狀的容器中，由於沒有摩擦力，它可以永無止盡地流動。它能以零阻力通過微管，甚至能從碗中向上「滴」出而逃逸。卡皮察因為這項成就於1939年當選蘇聯科學院院士。

1939年，卡皮察使用一種特殊的高效率渦輪膨脹低壓力循環開發出一種新的液化空氣的方法。因此，在第二次世界大戰期間，他被分配到該部負責工業氧附著在蘇聯部長會議，他在那裡發展了他的低壓擴展技術。他發明了高功率微波發生器（1950-1955年），並發現了一種新的連續高壓放電電漿體，其電子溫度超過100多萬K。 戰爭結束後，一群蘇聯的著名科學家遊說政府建立一個新的技術大學，即莫斯科物理技術學院。卡皮察後來在這所學校任教。

1945年8月卡皮察進入蘇聯人民委員會專門委員會任委員，從事蘇聯原子彈計劃的科技領導工作。但是不久之後他與專門委員會主席，也是惡名昭彰的特務頭子貝利亞發生衝突，1946年8月卡皮察相繼被解除了物理問題研究所所長、蘇聯制氧工業總負責人的職務，被迫從研究所住宅搬到莫斯科郊外的鄉間別墅居住被軟禁在家。這期間他研究了球狀閃電。1947年至1949年卡皮察與蘭道一起在莫斯科大學物理技術系講普通物理課，卡皮察講實驗，蘭道講理論。後來他因沒有出席1949年12月蘇聯科學院和莫斯科大學舉辦的慶祝史達林70歲壽辰大會，被莫斯科大學解除教職，並被有關單位要求搬出尼科林納山別墅。幸虧1953年史達林中風死亡，當年年底貝利亞被處決，三年後，赫魯雪夫於1956年的蘇聯共產黨第二十次代表大會中發表「秘密報告」，對史達林展開全面否定，披露了史達林時期的統治問題，卡皮察才得以在1956年重出江湖而恢復了原來的職務，重新擔任研究所主任。 卡皮察得獎時已是八十四高齡。得到諾貝爾獎六年後他在莫斯科過世。

至於另外兩位得主則是與卡皮察的人生大異其趣，他們發現的宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background，簡稱CMB）可以說是科學史中，無心插柳柳成蔭的最著名的範例。雖然早在1948年，美國物理學家伽莫夫(George Gamow)、阿爾菲(Ralph Asher Alpher)和赫爾曼(Robert Herman)估算出，如果宇宙最初的溫度約為十億度，則會殘留有約5~10k的黑體輻射。然而這個工作並沒有引起重視。1964年，蘇聯的澤爾多維奇(Yakov Borisovich Zeldovich)的研究預言，宇宙應當殘留有溫度為幾K的背景輻射，並且在厘米波段上可以觀測得到，從而重新引起了學術界對背景輻射的重視。美國的迪克(Robert Henry Dicke) 、威爾金森(David Todd Wilkinson)等人也開始著手製造一種低雜訊的天線來探測這種輻射，然而美國無線電波天文學家彭齊亞斯和威爾遜卻在無意中搶在他們之前發現了背景輻射。

彭齊亞斯是德國出生的猶太人，1933年出生於德國的慕尼黑，後隨全家移居美國。他們家是1939年二戰爆發前最後一批逃離納粹德國的難民。到達美國後就讀於紐約市立學院，1954年畢業於物理系，畢業後在陸軍通訊兵團服役。兩年後，彭齊亞斯進入哥倫比亞大學就讀，1958年獲得碩士學位，1962年獲得博士學位。而後任職於新澤西州霍姆代爾附近克勞福德山的貝爾電話公司。另一位得主，威爾遜1936年出生於美國德克薩斯州的休斯頓，父親是一位化學工程師。威爾遜1957年以優秀的成績畢業於萊斯大學，而後進入加州理工學院攻讀研究生。1962年獲博士學位。1963年威爾遜轉往貝爾實驗室設在新澤西州霍姆代爾的研究中心，與彭齊亞斯進行合作，1964年，彭齊亞斯和同在貝爾電話公司工作的威爾遜使用一具為早期通訊衛星設計的天線，接收到了來自天空的均勻、且不隨時間變化的訊號。1965年，彭齊亞斯和威爾遜在位於貝爾實驗室附近霍姆德爾鎮區的克勞福德山(Crawford Hill)建立了一個迪克輻射計，他們打算利用電波天文學和衛星通信實驗。他們架設了一台喇叭形狀的天線，用來接收「回音」衛星的信號。為了檢測這台天線的噪音性能，他們將天線對準天空方向進行測量。他們發現，在波長為7.35cm的地方一直有一個各向同性的訊號存在，這個信號既沒有周日的變化，也沒有季節的變化，因此可以判定與地球的公轉和自轉都無關。起初他們懷疑這個信號來源於天線系統本身。1965年初，他們對天線進行了徹底檢查，清除了天線上的鴿子窩和鳥糞，然而雜訊仍然存在。另一方面，威爾金森和彼得勞爾(Peter Roll他是迪克在普林斯頓大學的同事)，在1964年開始建設迪克輻射計測量宇宙微波背景輻射。他們無法解釋他們的儀器多了個3.5 K 天線雜訊溫度。當迪克接到一通來自克勞福德山的電話後，他打趣地說：「夥伴，我們被搶先啦。」(Well, boys, we’ve been scooped.) 普林斯頓和克勞福德山小組之間的會議決定天線訊號確實是來自宇宙微波背景。

1965年，他們二人在《天體物理學報》上發表了題為《在4080兆赫上額外天線溫度的測量》的論文，宣布了這個發現。隨後，普林斯頓大學的狄克等人在同一雜誌上解釋道，這就是宇宙微波背景輻射。宇宙微波背景輻射的發現為宇宙大爆炸理論提供了有力證據。兩人也因此得到1978年的諾貝爾獎。

威爾遜後來致力於使用無線電天文的方法研究星際分子、測定星際物質中各種同位素的相對豐度。1976年 威爾遜成為貝爾實驗室無線電物理研究部的主任。威爾遜一直留在貝爾實驗室直到 1994 年，之後他被任命為麻薩諸塞州劍橋市哈佛和史密森尼天體物理學中心的高級科學家。彭齊亞斯從 1976 年到 1979 年，擔任貝爾無線電研究實驗室主任。後來，他在貝爾實驗室擔任研究副總裁（1981-95 年）和副總裁兼首席科學家（1995-98 年），貝爾實驗室1996 年後成為朗訊科技(Lucent Technologies).的一部分。而運氣不佳的普林斯頓研究群則與諾貝爾獎擦身而過，成了科學史上運氣最差的代表了。