伊西多·拉比

伊西多·艾萨克·拉比（Isidor Isaac Rabi，1898年7月29日－1988年1月11日）本名以色列·艾萨克·拉比（Israel Isaac Rabi），是美国犹太人物理学家，因发现核磁共振（NMR）而获得1944年的诺贝尔物理学奖，而核磁共振成像（MRI）就是基于核磁共振技术的。他也是其中一个最早研究多腔磁控管的美国科学家，多腔磁腔管可用于微波雷达和微波炉。

## 生平

拉比生于奥匈帝国境内加利西亚地区的雷马努夫（今属波兰）的一个传统犹太家庭，拉比还是一个婴儿的时候就随家人迁居美国，并在纽约市的下东城长大。他在1916年进入康奈尔大学学习电机工程学，但不久之后就转投化学系，后来他对物理学产生了兴趣。他进入哥伦比亚大学继续学业，并以某些晶体的磁学性质研究获得了博士学位。他在1927年前往欧洲，在那里结识了当时不少最顶尖的物理学家，并和他们一起进行研究。

拉比于1929年回到美国，出任哥伦比亚大学的物理系教员。他与格雷戈里·布莱特共同开发出布莱特-拉比方程，并成功预测到施特恩-格拉赫实验能够通过改良来确认原子核的性质。他所开发的改良科技使用了核磁共振来识别原子的磁矩和核自旋，他亦因此项贡献获得了1944年的诺贝尔物理学奖。核磁共振至今已经成为了核物理与化学的重要工具。而后来由此开发的核磁共振成像使得它对医学也有重大影响。

拉比在第二次世界大战期间曾在麻省理工学院的放射实验室参与过雷达的研发工作，也曾参与过曼哈顿计划。战后，他担任了美国原子能委员会顾问委员会的委员，并在1952年至1956年间担任该委员会的主席。他亦担任过美国防卫动员办公室科学顾问委员会的委员，以及总统德怀特·艾森豪威尔的科学顾问。他在1946年参与组建了美国布鲁克黑文国家实验室，之后出任美国驻联合国教科文组织代表，1952年协助组建欧洲核子研究组织。哥伦比亚大学在1964年开始设立大学教授这个职级，而拉比是第一个晋身此级别的教员。哥伦比亚大学物理系在1985年设立了以他命名的特别教席。他在1967年从日常教学中退休，之后依然活跃于哥伦比亚大学物理系，并担任荣誉教授及特聘讲师，直到去世。

### 早年生活

以色列·艾萨克·拉比在1898年7月29日出生于加利西亚地区雷马努夫（当时属奥匈帝国，今属波兰）的一个波兰犹太人家庭，家里信奉犹太教正统派。父亲大卫·拉比在他出生后不久就移居美国。年幼的拉比和他的母亲谢因德尔（Sheindel）在数月后与父亲在美国汇合，并搬进了曼哈顿下东城的一所两房公寓。在家里他们讲意第绪语。谢因德尔在带拉比去报名入学时对学校职员说，孩子的名字叫以西（Izzy，小以），职员以为那是“以西多”的简称，于是就在报名表上填了“以西多”。自此以后这就成为了他的法定名字。后来他为了抵抗反犹太主义，开始把名字写成较犹太的全名“以西多·艾萨克·拉比”。而在学术界他则署名I·I·拉比。但他的家人和朋友──包括在1903年出生的妹妹格德鲁德──都直接叫他做“拉比”，读作“罗比”（Robby）。他和家人在1907年迁往布鲁克林区的布朗斯维尔 (布鲁克林)，并在那儿开了一家杂货店。

拉比小时候对科学很有兴趣。他不但从图书馆借科学书回家读，而且还自己组装了一台收音机。他上小学时就以电容式麦克风为题，在《现代电子》杂志上发表了他的第一篇科学论文。他在阅读过与哥白尼日心说相关的书籍后，就成为了一名无神论者。他对父母说：“一切都很简单，谁还需要上帝呢？”作为对父母亲的妥协，他在自宅中举办的成人礼中用意第绪语做了有关电灯运作原理的演说。他就读于布鲁克林的手工艺训练中学，并于1916年毕业。他于同年入读了康奈尔大学，本来是修读电子工程学的，但入学不久后就转为修读化学。他在1917年美国参与第一次世界大战后就加入了康奈尔的学生军训练团。他的本科毕业论文中研究了锰的氧化态。他于1919年6月获颁理学士学位，但当时的学术界和化工业者都基本上不喜欢聘请犹太人，因此他在毕业时还没有找到工作。他曾在美国氰胺公司辖下的莱德利（Lederle）实验室短暂工作过，之后还当过簿记员。

### 教育经历

拉比于1922年回到康奈尔攻读化学的研究生课程，并开始学习物理。他在1923年结识了并开始追求海伦·纽玛克（Helen Newmark），她是一名从亨特学院来的暑期生。拉比为了能在她回去后能更接近她而转往哥伦比亚大学继续学业，在那里负责指导拉比的导师叫 阿尔伯特·波特·威尔士。拉比在1924年6月获得了一份在纽约市立学院当助教的工作。威尔士的专长为磁学，因此建议拉比采用钠蒸气的磁化率作为博士论文的研究课题。这个课题并不合拉比的心意。当时威廉·劳伦斯·布拉格在哥伦比亚大学举行了一场研习会，内容是一种叫赫顿盐（M2M'(SO4)2(H2O)6或M2M'(SeO4)2(H2O)6）的晶体的电极化率，拉比在听完这场研习会后决定研究这种晶体的磁化率，而威尔士亦同意了指导这项研究。

要量度晶体的磁化率，首先就要培养出这种晶体，而这项简单的工作很多时候会交由中学生来做。之后的预备工作要对晶体进行技术性切割，使各小块的切面与晶体内部结构的方向不一致，然后再用心地测量它们对磁场的反应。拉比趁着等待晶体成长的空档研读了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于1873年所著的《电磁通论》，而这本书启发了一种更简便的测量方法。他把晶体绑在一条连接于扭簧的玻璃纤维上，然后把晶体降入溶液中，而该溶液的磁化率可以透过两个磁极来调校。当磁化率与晶体一致时，开关磁铁也不会扰乱晶体。这种新方法不但比够省工，而且实验结果更加准确。拉比于1926年7月16日将他题为《论晶体的主磁化率》的博士论文寄往《物理评论》。然后次日就与海伦成婚。印度物理学家卡里亚马尼卡姆·克里希南读过这篇论文，并在自己对晶体的研究中用上这套方法，但这篇论文并没有在学术圈引起关注。拉比的结论是除了发表论文之外，他还需要推广自己的研究。

拉比跟其他当时的年轻物理学者一样，都在密切关注着欧洲的各项重大发现。施特恩-格拉赫实验使拉比吃了一惊，同时也让他确信了量子力学的有效性。他与拉夫·克勒尼希、法兰西斯·比特、马克·泽曼斯基和其他人准备一起将薛定谔方程扩展至对称顶分子，并找出这样一个机械系统的能态。但问题是他们没有人能解开所得的二次偏微分方程。拉比从19世纪数学家卡尔·雅可比的著作中找到了答案。那条方程有着超几何函数的形式，而雅可比已经找到了这程方程的答案。克勒尼希和拉比把他们的发现整理成文寄往《物理评论》，并于1927年发表。

### 欧洲

1927年5月，拉比获得巴纳德研究奖学金。奖学金的发放期为1927年9月至1928年6月，总金额为1,500美元（以 年计相当于US美元）US。为了到欧洲留学，拉比迫不及待地向纽约市立学院申请一年的休假。他在申请被拒绝后马上辞职。他原本到苏黎世是希望能得到埃尔温·薛定谔的指导，到达后他结识了两个美国同乡，一个叫朱利叶斯·亚当斯·斯特拉顿，另一个叫莱纳斯·鲍林。他们发现薛定谔准备离开苏黎世，到柏林出任腓特烈·威廉大学的理论物理研究所所长，因此拉比决定到慕尼黑大学去寻求阿诺·索末菲的指导。他在慕尼黑发现了索末菲的门下有两个美国人──霍华得·帕西·罗伯特森和爱德华·康登。索末菲最终决定收拉比为他的博士后学生。当时德国物理学家鲁道夫·佩尔斯和汉斯·贝特也在索末菲的门下，但三个美国人间的关系尤其亲密。

拉比在威尔士建议下前往列斯出席英国科学促进会的第95届年度会议，会上拉比听到维尔纳·海森堡介绍自己的一篇量子力学论文。拉比之后到了哥本哈根，自愿为尼尔斯·玻尔研究。虽然玻尔在休假，但是拉比马上就开始计算氢分子的磁化率。玻尔在10月回来之后，他安排了拉比和仁科芳雄去汉堡大学继续研究工作，并接受沃尔夫冈·泡利的指导。

虽然拉比来到了汉堡后接受了泡利的指导，但是他却发现奥托·斯特恩在于两名说英语的博士后研究员进行研究。他们分别叫罗纳德·弗雷泽（Ronald Fraser）和约翰·布拉德肖·泰勒（John Bradshaw Taylor），拉比跟他们交了朋友，并开始对他们的分子束实验产生了兴趣。斯特恩正是凭分子束实验获得了后来1943年的诺贝尔物理学奖。他们的研究用的是不均匀磁场，操作起来不容易，而且很难获得准确的测量结果。拉比提出改为在掠射角非零的情况下使用均匀磁场这个办法，这样做原子就能像光线通过棱镜时那样偏转。这个方案不但操作起来比较容易，而且测量结果更加准确。拉比在斯特恩的鼓励和泰勒的大力支援下成功把方案付诸实行。拉比在斯特恩的建议下写了一封关于这项研究结果的信给《自然》期刊，并于1929年2月获发表，之后他还写了一篇题为《论分子束的偏转法》的论文给《物理期刊》，该论文则于同年4月获发表。

巴纳德奖学金到此时已经到期，拉比和海伦靠着洛克菲勒基金会每月182美元的津贴生活。他们离开了汉堡到莱比锡去，拉比希望在那里能得到海森堡的指导。拉比在莱比锡结识了另一位纽约同乡罗伯特·奥本海默。这是一段一辈子友谊的开始。然而海森堡在1929年3月离开了欧洲前往美国讲学，于是奥本海默和拉比决定前往苏黎世联邦理工学院，泡利当时正在该校担任物理学教授。拉比在那里遇到不少当时物理学的领军人物，这使得他的教育变得更加丰富，他们包括保罗·狄拉克、瓦尔特·海特勒、弗里茨·伦敦、法兰西斯·卢米斯、约翰·冯·诺伊曼、约翰·斯莱特、利奥·西拉德和尤金·维格纳。

### 分子束实验室

拉比于1929年3月获哥伦比亚大学邀请担任讲师，且薪金不俗，年薪为3,000美元。哥伦比亚大学物理系主任乔治·佩格勒姆当时正在寻找一名理论物理学者，负责讲授统计力学，以及新开设量子力学进阶课程，而海森堡就推荐了拉比。海伦当时怀孕了，因此拉比需要一份固定的工作，而这份工作就在纽约。拉比接受了邀请，并于8月乘坐罗斯福总统号蒸气轮船回到美国。拉比成为了当时哥伦比亚大学唯一一名犹太裔教员。

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学生们对拉比的讲课表现反应欠佳。利昂·莱德曼记得以前学生在拉比的课堂后都会前往图书馆尝试搞清楚他到底讲了些什么。欧文·卡普兰把拉比和哈罗德·尤里评为“我这辈子遇过最差的老师”。诺曼·拉姆齐认为拉比的讲课“挺不像话的”，而威廉·尼伦贝格则觉得拉比“实在是一名糟透了的讲员”。虽然讲课是拉比的弱项，但是他对学生有着很大的影响力。他启发了不少学生投身物理学研究，其中有些后来还出了名。

拉比的第一个女儿海伦·伊丽莎白（Helen Elizabeth）生于1929年9月。第二个女儿玛格丽特·祖爱拉（Margaret Joella）则在1934年出生。由于他在哥伦比亚大学的第一年忙于教学及照顾家庭，所以无暇从事研究，因此那年他并没有发表论文，但是在学年终结时他还是被擢升为助理教授。随后在1937年成为了教授。

拉比于1931年再度从事分子束实验的研究。他与格雷戈里·布莱特共同开发出布莱特-拉比方程，并成功预测到施特恩-格拉赫实验能够通过改良来确认原子核的性质。而研究的下一步就是将这项改良付诸实行。拉比在维克托·科恩（Victor W. Cohen）的帮助下制作了哥伦比亚大学第一台分子束仪器。他们希望能探测到钠的核自旋，其办法是放弃使用强磁场，而改用弱磁场来进行探测。实验得出四条小分子束，由此推论钠的核自旋为3。

拉比的分子束实验室开始吸引各方人才加入，当中包括以锂作为博士研究课题的研究生西德尼·米尔曼（Sidney Millman）.。另一位则是杰罗德·萨卡利亚斯，而他则认为钠原子太难懂了，因为提议研究最简单的元素氢。它的同位素氘在不久前才被同校的尤里发现，他亦因1931年的此项研究获得了1934年的诺贝尔物理学奖。尤里能够为他们的实验提供重水和氘气。尽管氢的实验比较简单，但斯特恩在汉堡的研究团队已经透过观测意识到氢的性质与预测不一致。尤里还在其他方面提供了协助；他把诺贝尔奖金的一半给了拉比，作为分子束实验室的专款。其他在分子束实验室开始物理生涯的科学家还包括诺曼·拉姆齐、朱利安·施温格、杰罗德·克洛格（Jerome Kellogg）和波利卡普·库施。那些科学家全部都是男性；拉比并不相信女性能当物理学家。他一生都没有收过女性作博士或博士后学生，而且基本上反对女性申请教员职位。

研究团队在科内利斯·霍尔特的建议下尝试使用振荡场进行实验。这就成为了核磁共振法的基础。拉比、库施、米尔曼和萨卡利亚斯在1939年使用了这种方法和分子束量度了多种锂化合物的磁矩，当中包括了LiCl、LiF和二锂。他们把这种实验法应用于氢，并发现质子的磁矩为2.785±0.02核磁子，不是当时理论所预测的1，而氘的磁矩结果则为0.855±0.006核磁子。拉比团队的实验结果比之前斯特恩团队的更为准确，也比自己团队1934年时的确认用结果更为准确。由于氘是由相同自旋方向的一个质子和一个中子组成，所以中子磁矩可由氘磁矩减去质子磁矩所得。所得之值非零，并且正负与质子相反。拉比基于这些准确结果中奇妙的蛛丝马迹提出氘的电矩为四极。这项发现意味着氘的物理形状非对称，亦对束缚核子的核力性质提供了宝贵的启发。拉比因开创了分子束磁共振探测法而获颁1944年的诺贝尔物理学奖。

### 第二次世界大战

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从英国来的台柴特委员会在1940年9月把一些最新的科技带到美国，其中包括了多腔磁控管，一种使用电子流和磁场的相互作用来产生微波的高功率装置。这个装置有希望彻底改革雷达，因此粉碎了美国对欧洲科技领先地位作的所有玩笑。美国国家防卫研究委员会的阿尔弗莱德·李·卢米斯决定在麻省理工学院建立一家开发这种雷达科技的实验室。他选择了“麻省理工学院放射实验室”这个名字，一来这个名字够低调，二来亦是向伯克利放射实验室致敬。卢米斯聘请了李·杜布里奇担任实验室主任。

卢米斯和杜布里奇在1940年10月于一场在麻省理工学院举行的应用核物理研讨会中招聘实验室物理人员。拉比是当时其中一名自荐的。他的任务就是研究多腔磁控管，而当时这个装置仍是机密，因此要放在保险箱里。放射实验室科学家们把目标定为在1941年1月6日制造出微波雷达，以及在3月前把雷达的试制品装到A-20浩劫攻击机上去。这两个目标都达成了；技术上的难关逐渐被攻破了，亦生产出能够运作的雷达装置。开发出的多腔磁控管能将波长从150厘米降至15厘米，之后再降至3厘。实验室还继续开发出探测潜艇用的空对地雷达、火控用的SCR-584雷达，以及远程无线电导航系统劳兰。实验室在拉比的煽动下于哥伦比亚大学开设了分所，由拉比担任主管。

奥本海默于1942年尝试委任拉比和罗伯特·巴彻到洛斯阿拉莫斯从事一项秘密计划。他们认为科学研究需要是公民事务，因此认为奥本海默的军事实验室计划不会成功，并成功说服了奥本海默。为此计划受到了修改，新开设的实验室为公营实验室，按战争部的合同由加州大学运作。拉比到最后还是没有到美国西部去，但就同意了担任曼哈顿计划的顾问。拉比出席了1945年7月的三位一体核试。在核试那里工作的科学家设立了竞猜核试威力的彩券，预测从完全失败到4万5千吨黄色炸药爆炸当量不等。拉比迟到后发现彩券只剩1万8千吨一张，于是他买了。他戴着焊工护目镜，等候拉姆齐和恩里科·费米的结果。爆炸威力估算结果为1万8千6百吨，因此拉比胜出了这次的竞猜。

### 晚年

美国物理教师协会为纪念其中一名创办人弗洛伊德·里克特迈耶，自1941年起每年都会举办里克特迈耶纪念讲座。拉比在主讲1945年的讲座时，提出原子的核磁共振有可能成为时钟的核心技术。威廉·L·劳伦斯为《纽约时报》把讲稿整理成文，标题为《时钟的“宇宙钟摆”计划》。萨卡利亚斯和拉姆齐在不久之后就制造出了这样的一台原子钟。拉比在1960年代之前还积极从事核磁共振的研究，但之后仍继续出席研讨会及讲座，直到去世。

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拉比在1945年至1949年间担任哥伦比亚大学的物理系主任，期间系上共有两名诺贝尔物理学奖得主（拉比和恩里科·费米）及十一名未来得主，当中有教员七人（波利卡普·库施、威利斯·兰姆、玛丽亚·格佩特-梅耶、詹姆斯·雷恩沃特、诺曼·拉姆齐、查尔斯·汤斯和汤川秀树），研究员一人（奥格·玻尔），访问教授一人（汉斯·贝特），博士生一人（利昂·莱德曼）和本科生一人（利昂·库珀）。而拉比自己的博生生马丁·佩尔则获得了1995年的诺贝尔奖。哥伦比亚大学在1964年开始设立大学教授这个职级，而拉比是第一个晋身此级别的教员。这意味着他能够自由选择自己的研究或讲课课题。他在1967年从日常教学中退休，之后依然活跃于哥伦比亚大学物理系，并担任荣誉教授及特聘讲师，直到去世。哥伦比亚大学物理系在1985年设立了以他命名的特别教席。

曼哈顿计划为美国留下了美国能源部国家实验室网络，但它在美国东岸并没有据点。拉比与拉姆齐组织了一些纽约区的大学为筹建他们的国家实验室进行游说工作。现在转到了麻省理工学院的萨卡利亚斯在听到这个消息后就在麻省理工学院和哈佛大学成立了一个竞争小组。拉比与曼哈顿计划的负责人小莱斯利·格罗夫斯中将讨论过，得出的是对方愿意兴建新的国家实验室，但只限一座。加上曼哈顿计划虽然仍有拨款，但是当新机构成立后可以预期曼哈顿计划这个战时机构就会被逐步解散。在拉比和其他人的谈判及游说下，两组人于1946年合成一组。最终集结了九家大学（哥伦比亚、康奈尔、哈佛、约翰霍普金斯、麻省理工、普林斯顿、宾夕法尼亚、罗彻斯特和耶鲁），并于1947年1月31日与取代曼哈顿计划的新机构原子能委员会签订了协议，成立布鲁克黑文国家实验室。

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拉比向意大利物理学家爱德华多·阿马尔迪提议，布鲁克黑文可能是一个欧洲能够仿效的模式。拉比把科学视为一种启发及团结战后欧洲的方式。当拉比在1950年成为了美国驻联合国教科文组织（UNESCO）代表时，机会就来了。他在1950年6月一次于佛罗伦萨旧宫的联合国教科文组织会议中提倡成立区域实验室。这项努力得到了成果；十一个国家的代表于1952年共同创建了欧洲核子研究组织（CERN）。拉比收到了一封由玻尔、海森堡、阿马尔迪和其他物理学家署名的信，对他努力的丰硕成果表示祝贺。他把这封信装裱起来，并挂在自己家中办公室的墙上。

创建原子能委员会的1946年原子能法案同时亦规定成立由九人组成的顾问委员会，负责就科学及技术的议题向委员会提供意见。拉比于1946年被任命为委员会成员。顾问委员会在1940年代后期有着庞大的影响力，但委员会在1950年一致反对开发氢弹。而拉比比其他委员更进一步，他与费米一起在道德及技术的层面上反对氢弹。然而，总统哈里·杜鲁门推翻了委员会的决议，并下令开始研发。拉比后来说：

奥本海默在1952年顾问委员会任期届满时并没有获得下一届的任命，而拉比则继任了他的主席职务，任期至1956年。拉比后来在1954年原子能委员会具争议性的安全聆讯上为奥本海默作出有利的供词，但在这次聆讯后奥本海默接触机密的特权遭到免除。不少证人都支持奥本海默，但没有人比拉比更加有力：因此对我来说似乎并不需要动用这种程序……去对付一位像奥本海默博士这样有如此成就的人物。他的纪录是实实在在的……我们有原子弹，一系列的原子弹，我们还有一系列的超级炸弹，那你们还想要什么，美人鱼吗？

拉比于1952年被任命为美国防卫动员办公室科学顾问委员会的委员，并于1956年至1957年间担任主席。任期内适逢发生了史普尼克危机。总统德怀特·艾森豪威尔为此于1957年10月15日与科学顾问委员会会面，寻求美方对俄方卫星成功的应变对策。在艾森豪威尔担任哥伦比亚大学校长时就认识他的拉比最先发言，并提出一系列的方案，其中一项就是强化委员会，使它能为总统提供及时的意见。这项建议获得了执行，委员会在数星期后就成为了总统科学顾问委员会。他也成为了艾森豪威尔的科学顾问。拉比在1956年出席了诺布斯卡计划反潜作战研讨会，那里的讨论由海洋学到核武器都有。他在“软件工程”一词新造出来的时期担任北大西洋公约组织科学委员会的美国代表。他在担任这个职位期间对于不少大型软件计划出现延误一事感到痛惜。这点引起了讨论，并因此促成了一个学习小组，而这个小组还组织了首次的软件工程研讨会。

拉比一生中除了诺贝尔奖外还获得了许多荣誉。它们包括1942年由富兰克林研究所颁发的艾略特·克雷森奖章、1948年的美国功勋奖章和由英国颁发的英皇自由事业服务勋章、1956年法国荣誉军团官佐勋章、1960年由哥伦比亚大学颁发的巴纳德科学功绩奖章、1967年的尼尔斯·玻尔国际金质奖章、1982年由美国物理教师协会颁发的奥斯特奖章、1985年由罗斯福机构颁发的四大自由奖中的免除恐惧自由奖和由美国国家科学院颁发的公益奖章、1986年由美国国家科学基金会颁发的万尼瓦尔·布希奖。他是美国物理学会会士，并于1950年担任会长，他还是美国国家科学会、美国哲学会、美国文理科学院的会员。他的国际荣誉还包括日本学士院和巴西科学院的海外会籍，以及在1950年获任命为以色列魏茨曼科学研究学院校董会成员。

拉比在1988年1月11日因癌症于曼哈顿河边街 (曼哈顿)的家中逝世。他的遗孀海伦于2005年6月18日逝世，享年102岁医生在他最后的日子里用核磁共振成像为他检查，由于这项技术的基础就是他具开创性的核磁共振研究，因此这让他想起了他一生最大的成就。那台机器的内侧恰巧为反光表面，于是拉比说：“我从那台机器中看到了自己……我从来没有想过我的研究会变成这样。”

## 基本资料

- 日语原文：伊西多·拉比、Isidor Rabi
- 出生：以色列·拉比（Isreal Rabi）
- 出生日期：1898年7月29日
- 出生地：奥匈帝国加利西亚雷马努夫
- 国籍：美国
- 逝世日期：1988年1月11日
- 逝世地：美国纽约州纽约市
- 研究领域：物理学家
- 机构：哥伦比亚大学、麻省理工学院
- 母校：康奈尔大学、哥伦比亚大学
- 博士导师：阿尔伯特·威尔斯
- 博士生：朱利安·施温格

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、诺曼·拉姆齐

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、马丁·佩尔

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- 知名于：核磁共振、拉比周期
- 获奖：诺贝尔物理学奖（1944年）