英國物理學(xué)會旗下的《物理世界》（Physics World）雜志每年都會評選本年度的十大物理學(xué)突破，去年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊因量子隱形傳態(tài)方面的而當(dāng)選2015年度最大突破，那今年呢？2016年物理學(xué)領(lǐng)域的新進(jìn)展，你都知道嗎？
撰文 Tushna Commissariat, Hamish Johnston
編譯 怡若樂
由四位《物理世界》編輯和記者組成的小組挑選出了2016年十大進(jìn)展，評判標(biāo)準(zhǔn)包括：
研究的基本重要性；
知識的重大進(jìn)步；
理論與實(shí)驗之間的密切聯(lián)系；
引起了物理學(xué)家們的廣泛興趣。
今年的第一沒有什么懸念，《物理世界》毫無疑問地將2016年年度最大突破授予了LIGO科學(xué)合作組織，表彰其“引起巨大變革的發(fā)現(xiàn)——有史以來第一次直接探測到了引力波”。
2016年度最大物理學(xué)突破：
LIGO首次探測到引力波，開啟引力波天文學(xué)
在阿爾伯特·愛因斯坦第一次提出廣義相對論假設(shè)的整100年后，美國LIGO科學(xué)合作組織利用先進(jìn)激光干涉引力波天文臺（advanced LIGO，簡稱aLIGO）探測到了兩個獨(dú)立的引力波事件，成為2016年最轟動的科學(xué)大事件。2015年9月14日，就在先進(jìn)LIGO還處于試運(yùn)行的階段，科學(xué)家們探測到了第一個引力波事件，并于今年2月發(fā)表結(jié)果。第二組引力波在2015年12月26日通過了LIGO的探測器，大家稱它為“節(jié)禮日事件”，并在今年6月發(fā)表結(jié)果。引力波是時空的連漪——為了尋找它，科學(xué)家已經(jīng)進(jìn)行了長達(dá)數(shù)十年的觀測。
這些測量意味著引力波真正成為了能夠探測天文事件的手段，標(biāo)志著引力波天文學(xué)和光學(xué)、射電望遠(yuǎn)鏡與引力波相結(jié)合的多信號天文學(xué)時代的開啟。不久以后，全球其他地區(qū)的引力波探測器也將完成，將與LIGO的雙探測器一道形成全球引力波探測器系統(tǒng)。
引力波的的兩個事件都是由遙遠(yuǎn)宇宙的災(zāi)難性事件引起——兩個黑洞的碰撞和最后的并合。在第一個事件中，具有36和29個太陽質(zhì)量的兩個黑洞合并形成一個旋轉(zhuǎn)的，相當(dāng)于62個太陽質(zhì)量的黑洞，這個距我們約13億光年遠(yuǎn)的事件被稱為GW150914。這一事件引起的引力波被當(dāng)時新升級的aLIGO的兩個探測器同時探測到——一個在華盛頓州的漢福德，另一個在路易斯安那州的利文斯頓。事實(shí)上，當(dāng)信號到達(dá)天文臺時，這兩個探測器還在校準(zhǔn)中。盡管如此，GW150914發(fā)出的信號如此強(qiáng)烈清晰，以至于通過肉眼就能以數(shù)據(jù)的形式 “看到”它，并且其統(tǒng)計確定性可以達(dá)到5.1σ。
被稱為GW151226的節(jié)禮日事件中，所探測到的引力波也是由黑洞碰撞產(chǎn)生的。他們重達(dá)14和8個太陽質(zhì)量，合并成一個旋轉(zhuǎn)的，具有21個太陽質(zhì)量的黑洞，距我們約14億光年遠(yuǎn)。2015年10月，LIGO記錄了第三個可能的事件，被稱為LVT151012。雖然統(tǒng)計的數(shù)據(jù)還沒有顯著到能作為一個發(fā)現(xiàn)，但是LIGO團(tuán)隊仍然認(rèn)為這個事件也是源于兩個合并的黑洞。
LIGO在其四個月的觀察中檢測到三個事件，這不是什么特別的事。LIGO的儀器已經(jīng)靈敏到能檢測到其干涉儀臂之間1000個質(zhì)子直徑的長度變化——這是一個令人難以置信的工程壯舉。
LIGO改變了我們對宇宙的看法——它的觀測成為了引力波和黑洞存在的第一個直接證據(jù)。此外，在兩個事件中合并的恒星質(zhì)量黑洞不符合我們目前對黑洞的理解。天文學(xué)家原本認(rèn)為，這樣的雙星根本不會形成，就算可以形成，它們之間離得也太遠(yuǎn)以至于不能合并。LIGO的合作者也認(rèn)為第一次檢測到的信號應(yīng)該是來自于更罕見的雙中子星合并，而不是黑洞的結(jié)合。但最近的發(fā)現(xiàn)中的數(shù)據(jù)表明，雙黑洞合并的速度可能高于之前的預(yù)期。
接下來是其余的九個突破，排名沒有先后之分。
同時處于兩個盒子中的量子薛定諤貓態(tài)
美國耶魯大學(xué)的王晨、羅伯特·舍爾科普夫（Robert Schoelkopf）團(tuán)隊，與法國國家信息與自動化研究所共同創(chuàng)造了一只可以同時存在于兩個不同的箱子里既死又活的“薛定諤的貓”。薛定諤的貓已經(jīng)成為量子力學(xué)悖論的標(biāo)志，而在這項新技術(shù)中，裝著這只“薛定諤的貓”的“盒子”是兩個糾纏的微波腔，“貓”由存在于每個空腔中的光子集合表示。這些集合可能是兩種量子態(tài)（代表“活著”或“死亡”）之一，而實(shí)驗團(tuán)隊成功使整個系統(tǒng)進(jìn)入一種狀態(tài)，即直到測量之前，兩個“箱子”里的“貓”都處于既死又活的狀態(tài)。這一工作不僅以新奇的手段實(shí)現(xiàn)了同時存在于兩個箱子中的薛定諤的貓，也提供了一種利用糾錯協(xié)議存儲量子信息的新方法。
德國科學(xué)家探測到釷-229原子核中的低能躍遷
來自慕尼黑大學(xué)、GSI亥姆霍茲重離子研究中心、美因茨亥姆霍茲研究所以及古騰堡大學(xué)的拉爾斯·馮·德溫斯（Lars von der Wense）、彼得·斯若夫（Peter Thirolf）等人探測到了釷-229原子核一種罕見的時鐘躍遷。為了制造出更準(zhǔn)確的時鐘，計量學(xué)界一直在嘗試將激光器鎖定到罕見的低能量核躍遷上來產(chǎn)生“核時鐘”。因為原子核受來自雜散電磁場的干擾影響較小，所以這樣的“核時鐘”原則上會比常規(guī)的原子鐘更加穩(wěn)定。釷-229中所預(yù)測的7.8 eV的躍遷被視為理想的候選——但是物理學(xué)家們此前一直未能實(shí)際地檢測到它。通過釷-229原子和離子實(shí)驗，研究小組表明這樣的躍遷確實(shí)存在，其能量處在6.3~18.3eV之間。研究人員下一步的目標(biāo)是改進(jìn)測量方法，使得能量可以達(dá)到毫電子伏特的精度。如果成功，就可以用激光光譜學(xué)來研究該躍遷現(xiàn)象了。
英國科學(xué)家研發(fā)出廉價的小型高靈敏度重力儀
格拉斯哥大學(xué)的吉爾斯·哈蒙德（Giles Hammond）和他的同事們研發(fā)了一種既廉價又小型的高靈敏度重力儀。這種小型設(shè)備可以對地球重力進(jìn)行非常精確的測量，并可以配備到無人機(jī)飛行器或多傳感器陣列中，以執(zhí)行包括礦物勘探、土木工程和火山監(jiān)測的一系列任務(wù)。雖然這個重力儀不如目前最好的傳感器那么靈敏，但是它的生產(chǎn)成本只有目前設(shè)備的1000分之一，并且明顯地比它們更小且更輕。 該設(shè)備的核心是“標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量”（proof mass），它是位于兩個柔性支柱頂部的約10mm長的硅片。它的質(zhì)量、抗壓構(gòu)建和框架都使用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造工藝制造。
首次在石墨烯中觀測到電子負(fù)折射現(xiàn)象
哥倫比亞大學(xué)、弗吉尼亞大學(xué)、康奈爾大學(xué)、日本國家材料科學(xué)研究所、沈陽材料科學(xué)國家實(shí)驗室和IBM的科里·迪安（Cory Dean）、阿維克·高什（Avik Ghosh）等人測量到了石墨烯中電子的負(fù)折射。一些人工超材料具有負(fù)折射的性質(zhì)，可以用于制造如理想透鏡之類的新型光學(xué)器件。材料中的電子可以表現(xiàn)為波的形式，所以負(fù)折射也應(yīng)當(dāng)發(fā)生在n型和p型半導(dǎo)體（p-n結(jié)）之間的界面處。科學(xué)家們已經(jīng)證明了不可能在普通半導(dǎo)體中看到這種現(xiàn)象，因為在p-n結(jié)處，大多數(shù)電子會被反射。 迪安和他的同事們在石墨烯中構(gòu)造出了p-n結(jié)，并確保其界面足夠平滑，以最小化反射現(xiàn)象，來允許他們測量電子的負(fù)折射。負(fù)折射可以用于將發(fā)散的電子束集中到一個點(diǎn)上，這是制造低耗能的電子開關(guān)的基礎(chǔ)。
比鄰星的宜居帶發(fā)現(xiàn)小型巖石行星
“淡紅斑點(diǎn)”團(tuán)隊在離太陽系最近的恒星——比鄰星的宜居帶中發(fā)現(xiàn)了一顆巖石行星的明確證據(jù)。這顆系外行星被稱為比鄰星b，質(zhì)量約為地球的1.3倍，因此很可能是一個具有巖石表面的類地行星。它處于比鄰星的宜居帶內(nèi)，這意味著，理論上其表面可以存在液態(tài)水，甚至可能有大氣層。比鄰星是一顆紅矮星，距離太陽只有4.2光年。雖然比鄰星b表面的紫外線和X射線照射可能比地球更強(qiáng)，但研究小組表示這并不排除大氣層的存在的可能。他們認(rèn)為，行星上是否存在液態(tài)水乃至生命，取決于它究竟是如何形成的。
兩種不同離子間發(fā)生量子糾纏
牛津大學(xué)的克里斯·巴蘭（Chris Ballance）和美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的廷·雷伊·坦（Ting Rei Tan）等人成功讓不同離子間發(fā)生了量子糾纏，并對其進(jìn)行了測量。兩個研究小組各自獨(dú)立完成了這一工作，該研究或?qū)榻ㄔ旎趦煞N以上不同種類的離子的離子量子計算機(jī)奠定基礎(chǔ)。在執(zhí)行特定的量子計算任務(wù)時，一些離子比其他離子表現(xiàn)得更好，因此科學(xué)家想到，或許混合離子系統(tǒng)可以提高量子計算效率。牛津研究小組使相同元素的兩種不同同位素離子——鈣-40和鈣-43發(fā)生量子糾纏，而美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的研究小組則使用鈹-9和鎂-25進(jìn)行量子糾纏。
擁有大視場、高分辨率的新型顯微鏡頭
英國斯特拉思克萊德大學(xué)的蓋爾·麥康奈爾（Gail McConnell）、布拉德·阿莫斯（Brad Amos）等人研發(fā)出了一個同時擁有大視場和高分辨率的新型顯微鏡鏡頭。這種鏡頭被稱為“mesolens”，能讓共焦顯微鏡對更大的生物樣品形成3D圖像，同時能顯示出亞細(xì)胞級別的細(xì)節(jié)。能在單個圖像中查看整個標(biāo)本的功能，給很多生物學(xué)研究過程帶來了便利，而且可以確保重要的細(xì)節(jié)不會被忽略掉。研究人員們利用定制的共焦顯微鏡的鏡頭對12.5天大的小鼠胚胎成像。他們能夠成像單個細(xì)胞、心肌纖維，呈現(xiàn)亞細(xì)胞的細(xì)節(jié)，而且不只可以在樣品表面成像，還可以在整個胚胎內(nèi)部成像。
首次利用量子計算機(jī)成功模擬高能物理實(shí)驗
奧地利因斯布魯克量子光學(xué)和量子信息研究所和因斯布魯克大學(xué)的瑞納·布拉特（Reiner Blatt）、彼得·佐勒（Peter Zoller）等人使用量子計算機(jī)模擬了基本粒子的相互作用。團(tuán)隊使用四個被捕獲的離子來模擬電子－正電子對的產(chǎn)生和湮滅。雖然這一過程使用普通的計算機(jī)就可以很容易地計算出結(jié)果，但是離子增加到30多個的時候，即使是功能最強(qiáng)大的超級計算機(jī)也無法解決，不過量子計算機(jī)就可以做到。該團(tuán)隊已經(jīng)制造出包含許多離子的系統(tǒng)，但進(jìn)行實(shí)際模擬之前，它的性能還需要得到顯著改進(jìn)——這在十年內(nèi)是有可能實(shí)現(xiàn)的。
德國物理學(xué)家制造出單原子引擎
來自德國美因茨大學(xué)的克里安·辛格（Kilian Singer）、約翰內(nèi)斯·羅斯納格爾（Johannes Rossnagel）等人制造出了基于單個原子的發(fā)動機(jī)。這是一種熱力發(fā)動機(jī)，將溫度差轉(zhuǎn)化為機(jī)械功。研究人員將單個鈣原子捕獲到漏斗形捕集器中，接著使用電噪聲加熱原子，隨著溫度增加，它在徑向方向上的振蕩變大，使其對電位較高的區(qū)域進(jìn)行采樣，讓粒子到達(dá)捕集器的較大的一端。通過周期性地打開和關(guān)閉電噪聲，研究人員使原子在捕集器的兩端之間振蕩，這可以防止原子逃離捕集器——而將原子保留在捕集器中所需的能量是發(fā)動機(jī)提供的。他們的下一個研究目標(biāo)是進(jìn)一步冷卻原子并將其更牢固地限制起來，使得它的行為更像量子波包而非經(jīng)典粒子，這可能將打破熱力學(xué)和量子力學(xué)研究之間的隔閡。
原文鏈接：
http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/dec/12/ligo-gravitational-wave-discovery-is-physics-world-2016-breakthrough-of-the-year
轉(zhuǎn)載請先聯(lián)系newmedia@huanqiukexue.com。
