21世紀諾貝爾物理獎獲獎者高齡化現象及啟示①

(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210024)

·教學研究·

21世紀諾貝爾物理獎獲獎者高齡化現象及啟示①

胡雨宸宋亞杰

(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210024)

筆者通過統計分析發現，21世紀諾貝爾物理獎獲得者呈現出高齡化現象。對典型高齡獲獎者進行案例分析,發現他們取得主要學術成果的年齡并沒有升高,諾貝爾獎認可成果時間的延長才是造成21世紀諾貝爾物理獎高齡化現象的直接原因,并從中總結關于基礎教育改革的啟示。

諾貝爾物理獎;獲獎年齡;高齡化現象

1 引言

2016年瑞典皇家科學院將諾貝爾物理獎授予三位在美國高校從事研究工作的物理學家戴維·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),獲獎理由是“在物質的拓撲相變和拓撲相方面的理論發現”。三位獲獎者中的索利斯當時已是82歲,是歷屆諾貝爾物理獎得主中最年長的幾位科學家之一,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得主的平均年齡。諾貝爾獎六大獎項(物理獎、化學獎、生理學或醫學獎、文學獎、和平獎和經濟學獎)自設立至今共誕生885位獲獎者,其平均年齡為59歲,其中物理獎204位獲獎者的平均年齡為55歲,是六大獎項獲獎者中平均年齡最低的一項,這也符合物理學抽象程度高的學科特點。但是在進入21世紀后,諾貝爾物理獎獲得者的平均年齡呈現出顯著上升的趨勢,高齡科學家獲獎的現象頻繁出現，筆者試圖探究這種特殊現象產生的原因。

2 21世紀諾貝爾物理獎得主高齡化現象

2.1 21世紀諾貝爾物理獎得主獲獎年齡呈上升趨勢

自1900年諾貝爾物理獎設立至1999年,20世紀的一百年中諾貝爾物理獎共授予159人,平均年齡為52歲。進入21世紀,自2000年至今,17屆諾貝爾物理獎共授予45人,平均年齡為66歲。

表1 諾貝爾物理獎得主獲獎年齡統計數據

20、21世紀諾貝爾物理獎得主獲獎年齡數據的描述性統計見表1，從中可以看出：諾貝爾物理獎得主獲獎年齡的平均數、中位數與眾數均基本相等,這表明20世紀和21世紀諾貝爾物理獎得主獲獎年齡的數據都呈現出一定的對稱分布。對21世紀與20世紀諾貝爾物理獎得主獲獎年齡進行對比,其獲獎年齡的平均數增長了14歲、中位數增長了17歲、眾數增長了16歲,三者基本相等,同時,21世紀獲獎者的最小年齡和最大年齡也有明顯增大。兩相比較不難發現,自進入21世紀以來,諾貝爾物理獎得主的平均年齡呈現出明顯的上升趨勢。

2.2 21世紀諾貝爾物理獎得主高齡化現象

諾貝爾物理獎得主獲獎年齡的上升趨勢還呈現在各年齡段人數的差異上,詳見表2。在20世紀,諾貝爾物理獎得主的獲獎年齡主要集中在40-49、50-59以及60-69三個年齡段之間,基本上呈現正態分布,中間多兩邊少;而進入21世紀,諾貝爾物理獎得主的獲獎年齡主要集中在60-69、70-79以及80-89三個年齡段。自21世紀以來,50歲以下獲獎者的人數和比例急劇減少,而70歲以上獲獎者的人數和比例急劇增加。通過對比容易發現,諾貝爾物理獎自21世紀以來不僅獲獎年齡普遍增長,而且呈現出顯著的高齡化現象。

表2 20、21世紀諾貝爾物理獎獲得者在各年齡段的分布

3 典型高齡獲獎者案例分析

一般認為,一位科學家一生中主要的學術成果通常是在四十歲左右完成的,在四十歲之前科學家的創造能力呈現上升趨勢,隨后就開始逐漸下降,也有研究指出杰出科學家在五十歲前后往往出現科學創造的第二高峰。表1、表2的數據顯示20世紀諾貝爾物理獎得主的獲獎年齡基本符合這一規律,但21世紀諾貝爾物理獎得主的獲獎年齡卻與之大相徑庭,那么為何新世紀以來諾貝爾物理獎獲得者會出現這種高齡化現象？不妨對幾位高齡獲獎者進行個案分析,從中尋找一些規律與啟示。

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,2002年因“在天體物理學領域做出的先驅性貢獻,尤其是探測宇宙中微子”榮獲諾貝爾物理獎,是諾貝爾物理獎歷史上最年長的獲得者,2006年5月31日與世長辭,享年92歲。戴維斯是用化學放射法探索太陽中微子的先驅,他選擇太陽中微子與37Cl作用產生放射性37Ar的反應。1968年戴維斯將一個長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，埋在美國南達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反應生成37Ar,用化學提純的方法將37Ar從C2Cl4中提取出來,測量其放射性就可以測得太陽中微子的通量。理論上,戴維斯的實驗裝置可探測到的中微子通量為(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,戴維斯領導的實驗小組歷經30余年的觀測,探測到大約2000個中微子,成績非常顯著。戴維斯的實驗第一次觀測到來自天體和宇宙的中微子,創立了中微子天文學這一新興學科,打開了人類探索宇宙奧秘的新大門。

3.2 戴維·索利斯:以拓撲相變打開全新世界大門

戴維·索利斯1934年9月21日出生于英國,2016年因“在物質的拓撲相變和拓撲相方面的理論發現”榮獲諾貝爾物理獎,現為美國華盛頓大學榮譽退休教授、英國皇家學會會員、美國物理學會會員、美國科學院院士,曾獲得沃爾夫獎、美國物理學會獎、保羅·迪萊克金獎等物理學大獎。在物質系統中,物理、化學性質完全相同,與其他部分具有明顯分界面的均勻部分稱為“相”。所謂“相變”就是物質從一種相轉變為另一種相的過程。在20世紀70年代之前,物理學領域關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象,被認為是當時最好的相變理論。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識了另一位諾貝爾獎得主、他的弟子科斯特利茨,兩個充滿好奇而無所畏懼的年輕科學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做第二期博士后,在索利斯的指導下完成了二維尺度上的拓撲相變理論的論文,它被看作20世紀凝聚態理論最重要的發現之一,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：量子霍爾效應的量子化起源于拓撲,在理論上解釋了超薄層材料導電性呈整數式階躍的特征,表明這些整數代表著材料的拓撲性質。所謂拓撲原本是一個數學概念,它描述的是幾何圖形或空間在連續改變形狀后還能保持不變的性質。索利斯與合作者將拓撲學概念引入物理學,使用先進的數學方法對物質的異常狀態進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,在那里物質可以呈現出與現實世界完全不同的奇異狀態。其先驅性工作讓這方面的研究向著探索物質更多新奇性狀的方向發展,物理學界對該研究在未來應用于電子和材料科學領域充滿期待。

3.3 兩位高齡諾貝爾物理獎得主分析

可以發現一個有趣的現象:戴維斯1968年完成諾貝爾獎研究成果時只有54歲,2002年獲得諾貝爾獎時已經88歲高齡,相隔了34年,而他的獲獎還得益于2001年中微子振蕩實驗取得突破性進展所帶來的契機。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相變時僅37歲,而他完成拓撲相變研究時也只有49歲,到2016年獲得諾貝爾獎時已經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歲取得了學術成果,卻都等待了超過30年才獲得認可,兩位物理學家在耄耋之年獲獎的故事背后,是否意味著杰出物理學家的創造能力和創造高峰并沒有推遲出現的情況,只是諾貝爾物理獎認可時間的延長導致了高齡化現象的出現呢？我們不妨對21世紀與20世紀諾貝爾物理獎獲得者取得成果時的年齡以及獲獎時間進行對比,以期得出結論。

4 諾貝爾物理獎成果認可時間呈現增長趨勢

自1901至1999年,諾貝爾物理獎獲得者取得主要研究成果的平均年齡約為38歲,其學術成果獲得諾貝爾獎的平均時間大約為14年。自2000年至今,諾貝爾物理獎獲得者取得主要研究成果的平均年齡為40歲,其學術成果獲得諾貝爾獎的平均時間大約為26年。

表3 20、21世紀諾貝爾物理獎獲得者取得成果的年齡分布

20世紀與21世紀諾貝爾物理獎獲得者取得成果的年齡分布詳見表3，通過對比可以看出：諾貝爾物理獎獲得者取得主要成果的平均年齡在21世紀略有上升,但總體上保持穩定。在20世紀,物理學家重要學術成果獲得諾貝爾獎的平均時間約為14年,而進入21世紀后這一時間變為26年,幾乎增加了一倍。這巨大的變化意味著:諾貝爾獎認可學術成果的時間周期顯著延長,這正是21世紀諾貝爾物理獎高齡化現象產生的直接原因。那么,重大學術成果獲得諾貝爾獎的時間為何會急劇增長？在典型高齡諾貝爾獎得主的案例分析中可以尋到一些蛛絲馬跡。以希格斯為例,物理學家在理論方面取得重大突破是諾貝爾物理獎嘉獎的一種主要理由,而創造性的理論想要得到認可必須經受實驗的檢驗。因此,諾貝爾獎認可成果時間延長的一個重要原因是：重大理論突破限于技術條件的客觀制約無法立刻得到實驗驗證,往往需要經歷漫長時間的等待,直到科學家通過實驗證實，才能得到諾貝爾獎委員會的認可。另一方面,以索利斯為例,物理學家在面對挑戰時,嘗試引入數學等其他學科的概念,來對一些已有理論無法解釋的現象進行解釋,全新的、創造性的概念在當時的時代背景下難以被理解和認可。因此,各學科之間相互交融所帶來的科學社會化趨勢,是諾貝爾獎認可成果時間延長的另一個重要原因。

5 結語

諾貝爾獎認可成果時間的延長,從某種程度上體現出諾貝爾獎對杰出科學成果的評價與認定越來越嚴謹和規范,這對科學和社會的發展具有積極的推動作用。同時,諾貝爾獎所嘉獎的,是那些“切實能夠對人類物質、精神生活產生深遠影響的研究成果,尤其是一些表面上看起來不十分華麗耀眼而潛在價值巨大的基礎性成果”。高齡諾獎得主的故事告訴我們,付出終究會得到回報,科學家的職責在于不斷探索未知世界,科學家的研究出于自身的好奇以及肩負的責任,對基礎領域的研究道路看似平凡漫長，卻從根本上推動了社會的發展,偉大的貢獻終會得到社會的認可與嘉獎。

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

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

[3] 路甬祥.規律與啟示——從諾貝爾自然科學獎與20世紀重大科學成就看科技原始創新的規律[J].西安交通大學學報(社會科學版),2000,20(4):3-11.

[4] 顧家山.諾貝爾科學獎與科學精神[M].合肥:中國科學技術大學出版社，2009:18-20.

①本文系教育部“南京師范大學卓越中學教師培養改革項目”的階段性成果。