你对于 2021 年诺贝尔物理学奖的预测是什么？

Giorgio Parisi, Marc Mézard：提出replica symmetry breaking的想法，是理解无序系统方面的重大突破。

预测中了1/2（Group 5），算基本完成任务。

关于Syukuro Manabe，我在2018年他获得Crafoord Prize后曾经提过一个问题，如下图：

2018年我关于真鍋淑郎获得Crafoord Prize的提问

当时万万不会想到，他会获得诺贝尔物理学奖，可惜了我分析了评委，却实在想不到气候变化会得物理学奖，不过这个方法看来是非常成功的，争取明年再接再厉，下个物理学奖我们2022年10月4号17:45再见！

The Nobel Prize in Physics 2021 was awarded "for groundbreaking contributions to our understanding of complex systems" with one half jointly to Syukuro Manabe and Klaus Hasselmann "for the physical modelling of Earth's climate, quantifying variability and reliably predicting global warming" and the other half to Giorgio Parisi "for the discovery of the interplay of disorder and fluctuations in physical systems from atomic to planetary scales."

原回答：

2021年度诺贝尔物理学奖（Nobel Prize in Physics）将于北京时间10月5日17:45公布。

从2017年开始的近四年有三年的诺贝尔物理学奖授予了天体物理学领域研究，完全打破了4年的授奖规律，因此，有知友对授奖规律提出了怀疑，其实，包括国内的一些知名学者（如复旦大学施郁教授）也提出过诺奖物理学奖存在授奖规律，从21世纪后的获奖领域也可以总结出一定的周期性，而且委员会势必要平衡各个领域的授奖比例，虽然各个领域的所占比例肯定会有所侧重，并且当重大成果出现时会不免会打破授奖规律（例如2013年希格斯粒子、2019年黑洞照片），但我们毕竟不是评委，也没有评委的水平，能做的只能总结规律来进行预测。

既然去年4年有3年给了天体物理学，那接下来的2-3年应该是不会再涉及该一领域了，同理，原子分光物理学在今年授奖的可能性也相对较小，我认为今年的诺贝尔物理学奖将会授予 量子力学、凝聚态物理学（物性物理学、材料）。

预测名单：

1、Jun Kondo、Frank Steglich、David Goldhaber-Gordon【近藤效应及其应用】

2、Yakir Aharonov、Sir Michael V. Berry【AB效应及贝里相位】

3、Anton Zeilinger、Anton Zeilinger、John F. Clauser【Bell不等式的证明】

4、Charles Kane、Eugene Mele【拓扑绝缘体】

5、Giorgio Parisi、Helen Rhoda Quinn【对粒子物理学的重大贡献】

6、Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Peter Shor【量子计算和量子通讯】

7、Sir John Brian Pendry, David Smith【超材料】

8、Maximilian Haider, Knut Urban, Harald Rose、Ondrej Krivanek【球差校正器】（4选3）

*、Hideo Hosono、Yoshinori Tokura【铁基超导及高温超导】

**、Louis E. Brus、Sumio Iijima【量子点及碳纳米管】

***、Lene Hau【“慢光”（Slow Light）】

我们先分析一下今年的评委会成员：

Thors Hans Hansson (Chair) Professor of Theoretical Physics

David Haviland Professor of Nanostructure Physics

Mats Larsson Professor of Molecular Physics

Eva Olsson Professor of Experimental Physics

Anders Irbäck Professor of Computational Biology and Biological Physics

Gunnar Ingelman (Secretary) Professor of Subatomic Physics

Co-opted members

Ulf Danielsson Professor of Theoretical Physics

John Wettlaufer Professor in Geophysics, Mathematics and Physics

其中有三位评委还未出席过发布会，因此重点分析一下这三位的研究方向和内容：

Eva Olsson主要研究纳米粒子，她的研究方向包括了有机太阳能、靶向药物外衣、电池、量子装置、纳米粒子催化等；

Anders Irbäck隶属于宇宙及理论物理学系，他在其研究室主页写道“Currently, I work on topics such as protein folding in cellular environments, protein aggregation, and phase separation of biomolecular condensates. ”（目前，我的工作主题包括细胞环境中的蛋白质折叠、蛋白质聚集和生物分子缩合物的相分离），有点理综的味道了，而说到相分离不得不说三个人Clifford Brangwynne, Anthony Hyman, Michael Rosen，这三人是作出了诺奖的成就的，不过我们在物理学奖这就不讨论了；

John Wettlaufer是研究地学的学者，他在其研究室主页写道他的研究兴趣为“非线性动力学、流体动力学、天体物理学、生物物理学和地球物理学（尤其是快速气候变化）中的复杂现象构建简单但受观察约束的理论和模拟实验”，他若登场，很大概率将会是理论物理学和计算物理学的学者获奖。

综上，今年我的预测名单为：

Group 1: “for the discovery and development of Kondo effect”【近藤效应及其应用】

Jun Kondo

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan

Frank Steglich

Max Planck Institute, Germany

David Goldhaber-Gordon

Stanford University, USA

Jun Kondo，日本凝聚态物理学家，以他名字命名的近藤现象其实早在上世纪中期就被他所发现，近藤效应是指“实验中的一些掺杂磁性粒子的非磁性金属的电阻，会在低温下出现极小值，比如掺杂锰，铁等稀固熔体的金属铜”。近藤效应在分子运输领域有很大的研究价值，比如近藤绝缘体就是其中一种，它又被叫做重费米子半导体，是一种新发现的金属性化合物中具有异常大电子的半导体，它的最大特征就是低温比热容和超声吸收等。

Frank Steglich，德国凝聚态物理学家，1979年，他和其他研究者首先在CeCu2Si2中发现了重费米子超导，其超导转变温度约为0.6 K，为重电子费米能的5%，远大于一般的元素超导体，堪称“高温超导体”。同时其德拜温度又远大于重电子费米能，无法用传统的BCS超导理论解释，需要新的超导机理。这一发现开创了非常规超导的研究领域，奠定了重费米子超导的历史地位。

Goldhaber-Gordon，美国凝聚态物理学家，他在量子点（单电子晶体管）中实现了可调谐的 Kondo 和 Anderson 模型。

Group 2: “for their discovery of the Aharonov-Bohm Effect and the related Berry Phase, respectively”【AB效应及贝里相位】

Yakir Aharonov

Chapman University, USA

Sir Michael V. Berry

University of Bristol, UK

1959年，Yakir Aharonov与David Bohm二人合作在《物理评论》中发表了一篇文章。文中，他们提出了一个关于电子在磁场中运动的干涉假想实验：两束电子同时从A点出发，分别经过B，C再同时到达F点，并且在ABFC中间放置一个螺线管，他们从理论计算中发现这两束电子最终到达F点时会差一个固定的相位，这个相位差只依赖与螺线管里的磁通，不依赖与空间规范势的选取，也就是说它是规范不变的。阿哈罗诺夫与玻姆给出的解释是：在电磁场中，磁感应强度并没有包含所有的信息，其规范势才是更本质的。因为，虽然两束电子在运动过程中都感受不到磁感应强度，但是其运动过程中感受到的矢势一直不一样，从而累计了相位差。因此，这个思想实验阐明了规范势本身就可以直接产生可观测效应，并不只是个数学把戏，他能实实在在地反映物理。很快，第二年，Yakir Aharonov与David Bohm的理论就被钱伯斯（Chambers）的实验所证实。后来，该现象也被学界称之为阿哈罗诺夫－玻姆效应，简称Aharonov–Bohm effect。值得一提的是，A和B既是两位发现者的名字首字母，也分别是磁矢势与磁感应强度的字母标记，因此，这也赋予了AB效应的另一个更加深刻的涵义。在1998年，Yakir Aharonov曾获得Wolf Prize in Physics，而后者早已去世。

1984年，Michael V. Berry在研究中发现，当一个系统的哈密顿量依赖于一个随时间周期变化的参量时，在绝热近似条件下，系统的在演化一个时间周期后，除了会累积一个固有的动力学相位以外，还会多出一个特殊的相位。贝里仔细研究这个特殊的相位后发现，这个相位其实并不依赖于绝热条件，他是个系统内禀的属性，同时也不依赖参数的变化路径，只依赖于其初始与最终的取值。因此，Michael V. Berry把这个特殊的相位称作是几何相位，后人也将其称为Berry Phase。通过前文，我们发现Aharonov–Bohm effect与Berry Phase似乎除了都与相位有关外没有其他任何联系。其实不然，他们都具有同一种数学结构。我们完全可以认为Aharonov–Bohm effect是Berry Phase的一个具体的物理实现，Berry Phase是广义的Aharonov–Bohm effect。

Aharonov–Bohm effect与Berry Phase除了阐明了规范势才是更为本质的，且能产生直接的可观测效应以外。其另一个重要价值在于，帮助我们更加深刻地理解了物理学中的拓扑效应。前面我们已经提过，Berry Phase并不依赖于参数变化的路径，这种特性事实上就是我们经常所说的拓扑，即在连续形变下保持不变。

Group 3: "for their fundamental conceptual and experimental contributions to the foundations of quantum physics, specifically an increasingly sophisticated series of tests of Bell’s inequalities or extensions there of using entangled quantum states"【Bell不等式的证明】

Alain Aspect

Institut d’Optique, France

Anton Zeilinger

University of Vienna, Austria

John F. Clauser

J.F. Clauser & Assoc. USA

贝尔不等式为：|Pxz-Pzy|≤1+Pxy。

其中，Ax为正的意思为在x轴上观察到A量子的自旋态为正，而Pxz代表Ax为正和Bz为正的相关性。

在经典力学中，此不等式成立。在量子世界中，此不等式却不成立。

贝尔定理意味着，阿尔伯特·爱因斯坦所主张的定域性原理，其预测不符合量子力学理论。由于很多实验的结果与量子力学理论的预测一致，显示出的量子关联远强过定域隐变数理论所能够解释，所以，物理学者拒绝接受定域实在论对于这些实验结果的解释，陷入找不到满意解答的窘境，物理学者只能无可奈何地勉强承认这是一种非因果关系的超光速效应。直到1981年, Alain Aspect等人宣称实验结果违背了Bell不等式, 支持了哥本哈根学派的观点, 认为两个粒子的纠缠态是客观存在的；

1990年, Anton Zeilinger等人进一步宣称发现了三个粒子的纠缠态。

Group 4: "for their discovery of topological insulators, a new class of materials with extraordinary electronic properties"【拓扑绝缘体】

Charles Kane

University of Pennsylvania, USA

Eugene Mele

University of Pennsylvania, USA

拓扑绝缘体的发现揭示了一种科学家从未想过可以找到但一直存在物质的新特性。在Charles Kane和Eugene Mele和张首晟（1963-2018）预测它们的存在后不久，拓扑保护的边缘状态（一维）在碲化汞/碲化镉量子阱中于于2007年由实验观测证实。很快，拓扑绝缘体又被预言存在于含铋的二元化合物三维固体中。第一个实验实现的三维拓扑绝缘体在锑化铋中被观察到，随后不同实验组又通过角分辨光电子谱的方法，在锑，碲化铋，硒化铋，碲化锑中观察到了拓扑保护的表面量子态。现在人们相信，在其他一些材料体系中，也存在拓扑绝缘态。在这些材料中，由于自然存在的缺陷，费米能级实际上或是位于导带或是位于价带，必须通过掺杂或者通过改变其电势将费米能级调节到禁带之中。类似的边缘效应同样出现于量子霍尔效应之中，但仅在强垂直磁场，低温的二维系统中出现。

Group 5: With one half to Giorgio Parisi "for ground-breaking discoveries in disordered systems, particle physics and statistical physics"

and the other half to Helen Rhoda Quinn "for her part of mechanism for suppressing CP-violating terms in the QCD Lagrangian"【对粒子物理学的重大贡献】

Giorgio Parisi

University of Roma, Italy

Helen Rhoda Quinn

Stanford University and SLAC National Accelerator Laboratory, USA

Giorgio Parisi 意大利粒子物理学家，他是近几十年来最具创造力和影响力的理论物理学家之一。他的工作对物理科学的各个分支产生了巨大影响，涵盖粒子物理学、临界现象、无序系统以及优化理论和数学物理学等领域。1977 年，Giorgio Parisi 与 Altarelli一起发现了演化方程，可以准确地表述夸克和胶子在质子和原子核中的分布情况）。在尽可能小的距离尺度上分析物质的基本结构方面，Giorgio Parisi的工作是必不可少的。在 1979-84 年的另一系列开创性研究中，Giorgio Parisi 引入了复制对称破坏的概念，并将其应用于“spin-glasses”模型（the Sherrington-Kirkpatrick model）。

Helen Rhoda Quinn, 澳大利亚出生的美国粒子物理学家，1977年，Helen Rhoda Quinn与 Roberto Peccei （1942-2020）一起发展了我们现在所知的 Peccei-Quinn 理论，解释了为什么强力不会破坏 CP（电荷平价）对称性，提供了一个 GUT 难题。这项工作导致了对一种称为轴子的新基本粒子的存在的预测，该粒子是暗物质的主要候选者。这种由引力效应间接揭示但尚未直接观察到的宇宙中明显“缺失的物质”仍然是物理学和天文学中未解决的主要问题之一。最后，Helen Rhoda Quinn解释了夸克和强子在足够高能量下的量子场论之间的互补性。尽管这些见解都没有立即使大统一理论的构建成为可能，但它们已被证明是沿着这条道路迈出的重要一步，在它们发表后的几十年里，激励并为进一步有希望的理论和实验方向提供了信息。

Group 6: "for their outstanding contributions to the field of quantum computation and communication"【量子信息和量子通讯】

Charles H. Bennett

IBM, USA

Gilles Brassard

University of Montreal, Canada

Peter Shor

MIT, USA

量子密码学出现在基础科学领域，但在几十年内产生了一种全新的技术，现在可以商业化并被认为是一个新兴的市场。1979 年，当 Charles H. Bennett（他现在留在 IBM 研究院）和 Gilles Brassard（他目前在蒙特利尔大学担任加拿大量子信息科学研究主席）开始合作时，对这个未来没有丝毫设想。量子物理学和计算机科学是分开的，甚至是遥远的领域，关于它们之间联系的任何工作都仅限于既定研究的边缘。然而到 1983 年，Charles H. Bennett 和 Gilles Brassard 提出了一个有趣的结果：一个密码系统。

为了创建量子密码术，Charles H. Bennett 和 Gilles Brassard 利用了量子世界的一种奇怪现象：叠加，简单来说，它使单个粒子可以同时出现在两个或多个位置。量子理论认为，一旦有人观察到粒子，这种双重状态就会消失，然后它会出现在一个位置或另一个位置。如果同一个粒子正在传输中，任何试图入侵的尝试都会破坏叠加，从而警告对话者。Charles H. Bennett 和 Gilles Brassard 的协议，以其发明者和出版年份而被称为 BB84，今天被普遍认为是量子信息科学的第一个实际应用。

麻省理工学院应用数学教授 Peter Shor 发现，标准密码学所基于的所谓难以解决的问题，即大数的质因数分解——即将大数分解为其质因数——将在假设量子的范围内计算机，“Peter Shor 发现量子计算机可以比任何超级计算机更快地分解整数，因此危及传统密码方案的安全性。”Peter Shor 的算法以其作者的名字命名，现在是构成未来量子计算机将使用的快速发展语言的量子算法之一。

Group 7: "for their prediction and discovery of negative refraction"【超材料】

Sir John Brian Pendry

Imperial College London, UK

David Smith

Duke University, USA

一大块黄金显示出某些标志性的特性，包括它的光泽和金色。但事实证明，这些特征是可以改变的。如果科学家将金原子排列成特殊的图案，他们可以使金属看起来是红色或绿色，或者以自然界中不会发生的方式与光相互作用。黄金成为超材料的一个例子—一种具有不寻常和人工设计特性的材料。今年的诺贝尔奖可能会表彰超材料领域的领军人物,最优秀的候选人之一可能是Sir John Brian Pendry和David Smith，他提出超材料可以制造现实生活中的“隐形斗篷”。

超材料的潜在用途远远超出了这种类似哈利波特的应用。例如，它们可能有助于进一步小型化电气和光学设备，或者使工程师能够设计更有效的方法来从太阳中获取能量。超材料还可以以看似不可能的方式与声音或热量相互作用。

Group 8: "for their development of aberration-corrected electron microscopy”【球差校正器】(4选3)

Harald Rose

Ulm University and Technical University of Darmstadt, Germany

Maximilian Haider

CEOS GmbH, Germany

Knut Urban

Forschungszentrum Jülich, Germany

Ondrej Krivanek

Nion Co, UK

Maximilian Haider, Knut Urban, Harald Rose,Ondrej Krivanek 的开创性工作现已催生了研究实验室常规使用的 TEM 和 STEM 仪器。他们专注于电子光学的研究长达半个多世纪之久，是球差校正器的主要发明人。近十多年来，与球差校正相关的软硬件广泛装备于国际上各类电子显微学实验室，是现代材料电子显微分析不可或缺的重要手段，该技术的应用使人们对物质结构的直接观测真正进入到亚埃尺度，他们让人类看到了我们以前看不到的地方。四位科学家曾共同获得Wolf Prize in Physics, Kavli Prize in Nanoscience。

另外，慢光（Lene Hau）、铁基超导（Hideo Hosono）、高温超导（Yoshinori Tokura）也是有力竞争者。

天体物理四年颁发三回了，今年基本不可能再发了。粒子物理五年没发，但是想来想去也想不到有啥还没发奖但值得发奖的重要成果，所以也没啥戏。原子分子光物理，两年没发，今年再发的话隔得有点短。凝聚态or统计物理，四年没发，一堆成果排着队，所以今年大概率就发给凝聚态了。如果问我押谁的话，，，emmmm凝聚态领域我就只知道Aharonov和Berry（毕竟是绝大多数高等量子力学教科书上都有的人物），就押这两位吧。。。

另外，前面有答主提到了提出宇宙暴胀思想的Alan Guth，我其实也觉得欠Alan Guth还有修改暴胀理论的Andrei Linde二位一个诺奖。不过一方面天体/宇宙这些领域这两年很难再发，另一方面暴胀的实验观测还差最后一环，所以他们可能还得继续等几年。（希望两位老爷子身体健康啊）

2021年的诺贝尔物理学奖将于北京时间10月05日17:45揭晓，在颁奖前的这段时间里，预测诺奖得主就成了大家最为津津乐道的一件事。

留名凭实力，得奖靠运气，诺贝尔物理学奖作为诸多诺奖类型中最难预测的一类，今年的诺贝尔物理学奖会花落谁家？

从国内外的资讯来看，理论凝聚态物理学家John P. Perdew的呼声最大。

事实上，John P. Perdew老爷子已经连续陪跑多年。早在2019年，John P. Perdew就因密度泛函理论（Density functional theory，DFT）领域的相关贡献获得素有“诺奖风向标”之称的引文桂冠奖，被“圈定”为当年诺奖得主的三大候选人。

2020年，美国物理学会（American Institute of Physics，AIP）公开发表文章，再次预测John P. Perdew会获得2020年的诺贝尔物理学奖^[1]。

虽然John P. Perdew老爷子两次与诺奖得主失之交臂，但事情在今年似乎出现了转机，原因在于，密度泛函理论是今年八位诺贝尔物理学奖评委^[2]的交叉研究方向。

在此背景下，John P. Perdew就再度成为了呼声最高的人物。

1. 密度泛函理论的重要意义

密度泛函理论 （英语：density functional theory，简称DFT）是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法。

密度泛函理论在物理和化学上都有广泛的应用，特别是用来研究分子和凝聚态的性质，是凝聚态物理和计算化学领域最常用的方法之一。

该理论与用于描述和预测量子系统行为的薛定谔方程密切相关。理论上，薛定谔方程能够准确的预言和计算所有物质的化学反应过程。然而，对于所谓的多体系统，薛定谔方程变得极其难以计算。

例如，解一个氢原子（单电子）的薛定谔方程需要1微秒，那么，在最理想的情况下，解氯原子（17电子）的薛定谔方程就需要几百亿年^[3]，解20以上电子数的薛定谔方程几乎是不可能的。

而密度泛函理论提供了一种重新思考问题的方法，它为这些系统生成有效的近似值，从而可以高效计算材料的电子和核结构，逐步成为了材料科学和计算物理/化学领域最流行也是最通用的理论之一。

2. John Perdew的贡献

John Perdew是密度泛函理论的早期先驱之一，他最著名的科学贡献也是在密度泛函理论领域。

John Perdew的贡献使得密度泛函理论变得更加精准，进而可用于量子化学、材料科学和地球科学等相关领域问题的计算。

他对交换相关能的精确绝热连接公式、导数不连续性及其对能隙的贡献、线性标度和其他对泛函的精确约束、密度泛函的自相互作用校正、非经验广义梯度校正近似（GGA）等领域也做出了重要贡献。

John Perdew 是世界上被引用次数最多的物理学家之一，他在密度泛函理论领域的工作被引用超过 320,000 次。

一项研究表明^[4]，他可能是 1981 年至 2010 年间发表的文章中被引用次数最多的物理学家。

其中，John Perdew 1996 年发表在《物理评论快报》上的一篇题为“Generalized gradient approximation made simple”的论文，已经被引用超过130,000 次，是 1996-2010 年物理学领域被引用次数最多的论文，其引用量是马克思《资本论》的三倍。

在过去 30 年中被引用次数最多的 10 篇物理学论文中，John Perdew总共占有 5 篇论文。

John Perdew对密度泛函理论的贡献已经得到诸多同行的认可，并已于 2011年当选为美国国家科学院院士。希望在今年的诺贝尔物理学奖的评选中，John Perdew能够如愿以偿摘得桂冠。

以上内容均由ViaX盐趣在线科研教育签约导师CHEN提供

责任编辑：Belle（邮箱：zhihu@viax.org如需交流、转载、供稿、合作请邮箱联系，并注明单位、职位及姓名）

参考

1. ^ https://www.insidescience.org/news/nine-nobel-prize-predictions-2020
2. ^八位评委如下：David Haviland，Professor of Nanostructure Physics；Mats Larsson，Professor of Molecular Physics；Eva Olsson，Professor of Experimental Physics；Thors Hans Hansson (Chair)，Professor of Theoretical Physics；Anders Irbäck，Professor of Computational Biology and Biological Physics；Gunnar Ingelman (Secretary)，Professor of Subatomic Physics;Co-opted members:Ulf Danielsson,Professor of Theoretical Physics;John Wettlaufer,Professor in Geophysics, Mathematics and Physics https://www.nobelprize.org/about/the-nobel-committee-for-physics/
3. ^ https://www.zhihu.com/question/295288932/answer/496005796
4. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/John_Perdew