125年来，物理学都取得了哪些突破性进展
1893年，美国物理学家Edward Nichols在康奈尔大学创办了Physical Review（《物理评论》）期刊，这便是今天包括Physical Review Letters（《物理评论快报》）在内的物理学顶级期刊方阵——Physical Review系列期刊的鼻祖。
今年是Physical Review创刊125周年，为了纪念这一重要的时刻，美国物理学会（APS）从浩如烟海的论文中遴选出了49项具有里程碑意义的工作，绘制出了一张横跨百年的时间表。
今天，我们就一起来回顾物理学发展历程中那些非凡的闪光时刻。
1913年，密立根通过油滴实验证明了电荷量不能是连续值，只能是某个基本常数的整数倍，这就是我们今天所说的“元电荷”。值得一提的是，在当时的实验条件下，密立根油滴实验测得的元电荷数值与今天公认值的误差不到0.5%。密立根因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖。
光究竟是粒子还是波？1923年，康普顿散射实验告诉我们光具有粒子的特性：当X射线和伽马射线被电子散射时，它们的动量减少了，这与经典电磁理论相违背，从而证实了光的粒子性。康普顿因此获得了1927年的诺贝尔物理学奖。
德布罗意在理论上预言了物质波的存在，而在实验上的证实工作则是由戴维森和革末完成的。1927年，他们用电子束轰击金属镍的晶体，观察到了清晰的干涉图案，这是物质波存在的最好证明。德布罗意因此获得了1929年的诺贝尔物理学奖。
昂萨格在两篇论文中给出描述像热传递这种不可逆过程的普适理论。在这套理论中昂萨格给出一组应用广泛的倒异关系。例如，他们可以被用于预测热电子和自旋电子器件的行为。昂萨格因此获得了1968年的诺贝尔化学奖。
1932年，尤里、布里克韦德和墨菲发现了一种由一个质子、一个中子和一个电子组成的氢的同位素——氘。随后在第二次世界大战中，氧化氘，也就是我们现在所说的重水，被应用到核反应堆中。如今，氘被广泛应用于核磁共振以及大量的化学实验和粒子物理实验。尤里因此获得了1934年的诺贝尔化学奖。
通过观察宇宙射线中未知粒子在云室中的轨迹，1933年，安德森发现了电子的反粒子——正电子。狄拉克曾预言每一种费米子都具有一个质量相同但电荷相反的反粒子，安德森的发现为这项预言提供了第一个证据支持。安德森因此获得了1936年的诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦、波多尔斯基和罗森构造出一个思想实验旨在证明量子力学和定域实在性相冲突。后来的实验通过验证贝尔不等式不成立反而证实了量子力学的正确性。爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在论文中论述了纠缠的性质，纠缠现在已经成为量子信息领域的基础。
1938年，拉比和他的同事发现了核磁共振现象，并测量了分子束中的核磁矩。后来，布洛赫、珀赛尔和他的合作者将拉比的技术拓展到液体和固体的核研究，最终使核磁共振成像成为可能。拉比因此获得了1944年的诺贝尔物理学奖，布洛赫与珀赛尔因此获得了1952年的诺贝尔物理学奖。
在物理学家发现惊人的核裂变现象不到一年之后，1939年，玻尔和惠勒用液滴模型计算核裂变参数，计算结果与实验非常吻合。这一模型的提出对原子弹和核电的发展至关重要。
1939年，贝特预言两种产物为氦的核反应可能是恒星动力的来源：氢的聚变和碳—氮循环。九年后，贝特、艾弗和伽莫夫利用最初的宇宙大爆炸理论为宇宙中的元素丰度提出了一种解释。贝特因此获得了1967年的诺贝尔物理学奖。
1947年，兰姆和雷瑟福测量发现了狄拉克理论未预言到的氢原子两个能级之间的微小能级差，这个能级差被称作“兰姆移位”。贝特将兰姆移位归因于电子和真空涨落之间的相互作用，并在几个月后用一种新的重整化方法描述了这种效应，为量子电动力学的发展奠定了基础。兰姆因此获得了1955年的诺贝尔物理学奖。
1948年，施温格和费曼分别独立地提出了他们各自量子电动力学理论，费曼还在论文中介绍了他的“费曼图”。后来，戴森证明了这两种理论其实是等价的。量子电动力学提出了很多前所未有的精确预测，例如电子的反常磁矩等，这些预言都在后来的实验中得到证实。施温格和费曼因此获得了1965年的诺贝尔物理学奖。
1930年，泡利引入中微子来解释原子核在β衰变过程中的能量损失。1953年，莱茵斯和考恩宣称他们用放在核反应堆旁边的大水箱探测到了幽灵般的粒子。1956年，他们发表了关于中微子决定性的探测结果。1960年，他们给出了关于他们的实验的完整的说明。莱茵斯因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。
1954年，杨振宁和米尔斯构造出可以描述基本粒子行为的场论的数学形式。这些杨—米尔斯场成为电弱统一理论和描述夸克行为的量子色动力学中的核心部分。
很久之前，宇称守恒一直是物理学中一个普适的原则。直到1956年，为了解释观测到的奇怪的宇宙射线数据，李政道和杨振宁大胆假设宇称对称性在弱相互作用中被破坏。一年后，吴健雄和她的合作者通过β衰变实验证明了宇称守恒被破坏。李政道和杨振宁因此获得了1957年的诺贝尔物理学奖。
在超导电性被发现的近半个世纪之后，1957年，巴丁、库伯、施里弗提出了解释超导现象的BCS理论。在这个理论中，电子配对并进入一个量子单态。BCS理论不光在凝聚态物理中有应用，其在粒子物理和核物理中BCS理论也发挥着重要的作用。巴丁、库伯、施里弗因此获得了1972年的诺贝尔物理学奖。
1960年，南部阳一郎将π介子的微小质量和近似对称性联系起来，获得了一个重要的新视角：物理系统的对称性可以和组成系统的元素的对称性不同。这种对称性自发破缺是普遍存在的，例如在磁体和固体中对称性自发破缺就经常出现，在希格斯玻色子理论中也存在对称性自发破缺。南部阳一郎因此获得了2008年的诺贝尔物理学奖。
1962年，盖尔曼利用八重态的方法把轻介子和自旋1/2的重子进行分类。这种分类原则依赖于一种近似对称性，它最终被三种最轻的夸克的对称性所解释，这三种夸克是上夸克、下夸克和奇异夸克。盖尔曼因此获得了1969年的诺贝尔物理学奖。
为了避免地球大气对要探测的x射线的吸收，1962年，贾科尼和他的合作者用火箭把盖革计数器送入太空。令人吃惊的是，他们发现了一个位于太阳系外的x射线源。贾科尼被称为x射线天文学之父，他的工作直接促成了使用太空望远镜对黑洞和其它射线源发射的x射线的探测。贾科尼因此获得了2002年的诺贝尔物理学奖。
1963年，格劳伯提出了描述光线中光子之间关联性的理论。他的突破在于他意识到由于量子力学的原因，先抵达探测器的光子会影响探测到之后的光子的概率。他的工作证实了有必要使用新的方法进行光学探测。格劳伯因此获得了2005年的诺贝尔物理学奖。
1963年，卡比博的理论预言让人们意识到：相同质量的夸克并不一定包含相同的味，如上、下、奇异。甚至夸克还可以是不同味的混合体。卡比博的想法解释了为什么特定粒子的衰变被抑制，同时也在粒子物理中引入混合的概念。
1964年，霍恩伯格、科恩和沈建立了密度泛函理论。利用密度泛函理论可以相当精确地计算分子和固体材料的性质，并且这个方法大大减小了计算量。密度泛函理论使用了多电子量子力学方程的近似解法。韦尔莱随后建立了密度泛函理论的经典版本，这是一种在计算机模拟中解决牛顿方程的数值方法。1985年，卡尔和帕里内洛统一了密度泛函理论和韦尔莱的方法。科恩因此获得了1998年的诺贝尔化学奖。
1964年，恩格勒和希格斯分别独立地给出了解释基本粒子为什么有质量的模型。在他们的理论中需要一种新粒子的存在，也就是我们现在所说的希格斯玻色子。希格斯玻色子是标准模型中非常关键的一环，在被理论预言近50年后，它终于在欧洲核子中心的大型强子对撞机中被发现。恩格勒和希格斯因此获得了2013年的诺贝尔物理学奖。
1967年，温伯格提出了一个关于电弱相互作用的理论，当这个理论被拓展到包含夸克和强相互作用时，它就变成了粒子物理的标准模型。这套理论的最核心部分后来都被实验所证实，包括2012年希格斯玻色子的发现。温伯格因此获得了1979年的诺贝尔物理学奖。
1969年，弗里德曼、肯德尔、泰勒和他们的合作者通过电子—质子散射实验给出了质子不是基本粒子的第一个实验证据。数据证实了他们提出的质子由更加基本的粒子组成的想法，这些更基本的粒子就是我们现在知道的夸克。弗里德曼、肯德尔和泰勒因此获得了1990年的诺贝尔物理学奖。
1972年，威尔逊的两篇论文建立了重整化群理论的基础，重整化群理论是研究不同长度标度下物理性质的数学工具。当一个系统发生相变时，它的关联长度趋于无穷大，重整化群理论正是描述这种关联性的强有力的工具。威尔逊因此获得了1982年的诺贝尔物理学奖。
1972年，奥谢罗夫、李、理查森观测到接近绝对零度的氦-3变成了超流体，这种流体完全没有粘性。这个结果表明像氦-3原子这样的费米子一样可以具有超流相，这比氦-4的超流相更为复杂。奥谢罗夫、李、理查森因此获得了1996年的诺贝尔物理学奖。
格罗斯、维尔泽克和弗兰克各自独立的提出了解释夸克的两个看似相互矛盾的观测结果的理论：夸克总是被束缚在一起来构成其他的粒子，如质子或中子。在一个复合粒子中，夸克只是被松散的束缚在一起。格罗斯、维尔泽克和弗兰克因此获得了2004年的诺贝尔物理学奖。
1974年，丁肇中和里希特领导的研究组分别独自利用粲-反粲束缚态发现了粲夸克，这种束缚态就是现在的J/ψ介子。这项发现被称为“十一月革命”，因为它把夸克的概念从理论构造变成实验事实。丁肇中和里希特因此获得了1976年诺贝尔物理学奖。
原子核的壳层模型预测最稳定的原子核中的中子和质子具有特定的幻数。1975年，在CERN进行的关于不稳定钠原子核的研究发现在中子含量高的原子核中壳层模型失效。
1977年，索利斯、科斯特利茨和霍尔丹利用拓扑理论描述了大量固体中奇怪的相和相变。他们的工作为描述薄膜中的输运现象和低维量子磁体、超流体和超导体中的奇异行为提供了新的视角。 索利斯、科斯特利茨和霍尔丹因此获得了2016年的诺贝尔物理学奖。
1978年，霍尔珀林和纳尔逊提出二维固体融化中包含一种介于固体和液体之间的中间相，这个发现被称为六角相，六角相在之后的实验和理论模拟中均得到证明。这说明二维系统的融化和三维系统有着本质区别。
1980年，冯·克利青、乔治亚和佩珀发现低温下二维电子气的霍尔电导随着外加磁场的增强按照e2/h 整数倍变化。紧随着量子霍尔效应被发现分数量子霍尔效应，它是被崔琦、施特默和高萨德发现的，分数量子霍尔效应中激发了分数电荷。冯·克利青因此获得了1985年诺贝尔物理学奖。冯·克利青因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖；崔琦和施特默获得了1998年的诺贝尔物理学奖。
1981年，古思假设，在大爆炸发生后不到一秒的时间内，宇宙经历了以指数方式快速膨胀的过程。暴涨模型为宇宙的均匀性和平坦性提供了解释，这在之前一直是宇宙学家想要解决的难题。
量子理论预言纠缠态中的粒子之间的关联性超出了经典例子可以达到的极限。1982年，阿兰·阿斯佩和他的合作者通过贝尔测试证实了这个预言。实验中使用了从一个原子中发射的光子对，结果是量子理论胜出。值得一提的是，阿兰·阿斯佩消除了导致之前实验失败的测量仪器之间的相互作用。
1982年，宾尼、罗雷尔和他们的合作者利用原子尺度的针尖测量材料表面微小的隧穿电流来制造扫描隧道显微镜。这种探测手段可以扫描出材料表面原子精度的图像。1986年，宾尼、魁特和盖博生产出了原子力显微镜。宾尼和罗雷尔因此获得了1986年诺贝尔奖。
1984年，谢赫特曼和他的和他的合作者在合金中的重大发现促使物理学家重新思考晶体的概念，因为在这种合金中的原子排列呈现出五重旋转对称性，并且不具有周期性结构。在后续的论文中，莱文和斯坦哈特把这种原子排列方式称为准晶并解释了这种结构可以存在的原因。 谢赫特曼因此获得了2011年的诺贝尔化学奖。
1985年，朱棣文和他的合作者利用相向传播激光束的辐射压，将原子限制在极度低温的状态下，这种技术可以在100毫秒内将原子温度降低至几百毫开尔文。他们冷却和俘获原子的技术提高了原子光谱学的精度，也推进了包括玻色爱因斯坦凝聚等在内的体系量子相的研究。朱棣文因此获得了1997年的诺贝尔物理学奖。
1986年，弗里希、哈斯拉赫尔和波莫提出了一种模拟纳维叶—斯托克斯公式的方法，这种方法描述了液体的行为并被运用到科学技术的许多领域。他们的方法包含了被称为元胞自动机的虚拟粒子，它们在六角网格上的运动和液体粒子的运动相关。
1987年，朱经武和他的合作者合成钇钡铜氧化合物，这种物质在创纪录拥有创纪录的超导转变温度93K。这么高的转变温度已经可以利用液氮达到，这使得钇钡铜氧材料可以在实际生活中得到应用。
1988年，费尔和克鲁伯格发现他们可以通过转动两层磁体中的一层来显著改变两层磁体之间的电阻。巨磁阻效应现在被用于制造硬盘驱动器和自旋电子学器件，这些装置可以用电子的自旋而不是电荷来传递和储存信息。费尔和克鲁伯格因此获得了2007年诺贝尔物理学奖。
1992年，阿罗什和他的合作者利用光子和腔中原子相互作用实现了宏观量子叠加态，也就是我们常说的“薛定谔的猫”态。利用类似的装置，这个团队观测到量子退相干，而退相干是量子测量的核心手段。阿罗什因此获得了2012年的诺贝尔物理学奖。
1998年，日本的超级神冈实验以确凿的实验证据证明了μ子中微子可以自发地转化成τ子中微子，反之亦然，这就是中微子振荡。2001年，加拿大的萨德伯里中微子天文台探测到了太阳发出的全部三种中微子，总流量与标准太阳模型的预言符合得很好，解决了先前观测到的太阳中微子缺失问题。中微子振荡意味着中微子具有质量，这与原始的粒子物理标准模型不相吻合，对理论物理和实验物理而言都有一定的影响。神冈实验室的领导者小柴昌俊因此获得了2002年的诺贝尔物理学奖。
2002年，英国科学家约翰·彭德利设想了一种完美透镜。它利用了负折射率材料，突破了经典光学的衍射极限，放大了倏逝波，使人们可以观测到物体表面的精细信息。
2001年，纽曼、史楚盖兹和华兹发展了一种数学体系来分析随机图，这对很多现实世界的网络，例如流行病的传播、人际社交网络等，都是很好的模型。他们的这种模型比以往的方法更具有普适性，拓展了随机图理论的适用范围。
2006年，俄罗斯杜布纳核研究联合研究所的科学家在论文中报道发现了一种具有118个质子的超重化学元素。这项实验是在2002年进行的，至此，元素周期表第七周期被全部填满。第118号元素最终被命名为Oganesson，中文名为
，以纪念其发现者之一。
2007年，傅亮和凯恩预言合金材料Bi1-xSbx在当x处于0.07和0.22之间时变成三维拓扑绝缘体，具有导电表面态，并且即便存在杂质或缺陷也能保持稳定。在他们的预言之前，拓扑绝缘体只存在于二维体系中，他们的研究表明这种神奇的性质可能存在于更多种类的材料中
1929年，德国科学家外尔在理论上预言存在一种具有手性的无质量费米子，也就是“外尔费米子”，然而并没有任何一种基本粒子符合这种性质。2015年，中科院物理所研究团队在凝聚态体系TaAs中发现了外尔费米子，该项研究从理论预言、样品制备、到实验观测的全过程，都由我国科学家独立完成。
2016年，激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到了两个黑洞合并产生的引力波信号，这是爱因斯坦广义相对论的最后一个预言。引力波的发现开启了引力波天文学的新时代，并于今年观测到双中子星合并的引力波信号。美国麻省理工学院教授雷纳·韦斯、加州理工学院教授基普·索恩和巴里·巴里什因此获得了2017年的诺贝尔物理学奖。