盘点｜物理学10大“年度高光时刻”公布

　　物理学领域在2018年收获颇丰，从量子通讯到暗物质探索，人类在迈向未来的步伐越来越快。12月17日，美国物理学会旗下的Physics网站发布《年度高光时刻》，除了前面提到的发现，今年10家物理学科研故事还包括石墨烯超导体的发现、国际单位制的重大变革等。

　　1、石墨烯：超导体家族的新成员

　　今年3月5日，《自然》连发2篇以曹原为第一作者的石墨烯重磅论文，揭秘了石墨烯在没有电阻的情况下导电的方法，破解了困扰物理学界107年的世界难题。曹原也因此被《自然》称作是“石墨烯的驾驭者”。

　　他的团队发现，通过堆叠具有小扭曲角的两个石墨烯片中二维超晶格，产生一种全新的电子态——超导态。当旋转角度小到魔角时(<1.05°)，扭曲的双层石墨烯中垂直堆叠的原子区域会形成窄电子能带，电子相互作用效应增项，从而产生非导电的Mott绝缘态。在Mott绝缘态情况下加入少量电荷载流子，就可以成功转变为超导态。

　　如汞这类简单金属的“传统”超导性可以用“巴登-库珀-施里弗”(BCS)理论来解释，也就是电子配对要归功于声子介导的相互吸引作用。但在大多数人看来，这种理论无法解释复杂材料的超导现象，尤其是高温超导。例如，BCS成功预测了电子动量各向同性的超导隙，这种情况被称为“s波”，但在许多高温超导体中，出现的都是较低对称性的“d波”隙。

　　而石墨烯从Mott 绝缘体到超导体的转变，表明其具有和高温超导体(高Tc)类似的非常规超导电性，或许可以帮助研究人员完善高温超导理论。

　　此外，加州大学圣巴巴拉分校的许岑可(音译)和巴伦思(Leon Balents) 预测，扭曲石墨烯中的超导电性不仅是非常规的，而且是拓扑的，这是某些量子计算方案感兴趣的性质。

　　2、“上帝粒子”和最重夸克的亲密关系

　　在6月的欧洲大型强子对撞机(LHC)实验中，科学家们取得重大突破，他们首次观测到希格斯玻色子(Higgs boson)与最重粒子“顶夸克(Top Quark)”同时在极大能量下生成的情况，了结了物理学家对两者如何互动的疑问。

　　根据粒子物理学的标准模型，基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。2012年，欧洲科学家证实了希格斯玻色子的存在，则希格斯场应该也存在，而希格斯机制也可被确认为基本无误。然而，在此之前，科学家却一直找不到希格斯玻色子与最重夸克顶夸克互动的案例。美国国家费米加速实验室学者麦克布莱德(Patty McBride)表示：“按理说，作为‘质量赋予者(giver of mass)’，希格斯玻色子应该非常‘喜欢’顶夸克才对。”

　　这次的实验结果证实了科学家之前的预测，即在非常稀少的情况下希格斯玻色子会与顶夸克同时生成。在LHC质子对撞实验中，每次实验碰撞超过 1015 个质子对，有350万分之一的几率同时生成希格斯玻色子与顶夸克。这个结果解释了万物是如何被赋予质量的，也是我们存在的根本原因。

　　3、暗物质新发现

　　今年的暗物质领域可谓发生了剧变——对WIMP粒子理论的探究结果令人失望，替代理论借机抢占科学头条。作为替代理论之一，太初黑洞(原生黑洞)一度得到大量的关注。尤其是在美国LIGO、意大利Virgo 2大高精度探测器发现黑洞融合现象后。

　　然而，加州大学伯克利分校的物理学家们在对截至2014年发现的740颗最亮超新星的统计分析后发现，黑洞理论不能解释所有暗物质的存在，原始黑洞所占宇宙暗物质的比例不超过40%。

　　此外，今年最引人注目的发现来源于宇宙第1颗恒星的间接光。研究人员利用边缘实验，探测被恒星光包围、吸收的氢气所发出的特定无线电信号。他们发现，这个信号的强度几乎是理论预期的2倍，也就是说，氢气比预期的要凉爽。研究作者巴卡纳(Rennan Barkana)教授认为，根据热力学理论，你需要一些冷却器来带走能量，那东西很可能就是暗物质。

　　4、全球首次洲际量子卫星通信

　　继去年我国发射世界首颗量子通信实验卫星“墨子号”、开通世界首条量子保密通信“京沪干线”后，去年9月，在中国科学技术大学潘建伟团队的带领下，我国和奥地利科学家又携手实现了世界首次洲际量子通信，今年1月，国际权威学术期刊《物理评论快报》正式发表论文，披露了首次洲际量子通信的技术细节。

　　“墨子号”向北京附近的兴隆地面站和维也纳附近的格拉茨(Graz)地面站进行了量子密钥分发，与2个地面站间各自产生一段密钥。接着，按照地面指令，“墨子号”给2段密钥进行逐位异或运算，将结果发送给其中1个地面站，由此，中欧2个距离长达7600公里的位点之间建立了密码。

　　北京向维也纳发送了一张大小5.34kB的“墨子号”照片，而维也纳则向北京发送了一张大小4.9kB的薛定谔照片，通过量子密钥进行加密。此外，中国科学院还与奥地利科学院进行了洲际量子保密视频会议，采用128位高级加密标准。中奥双方用560kbit密钥支持了75分钟的视频会议，共传输约2GB数据。

　　从量子力学理论可知，处于量子纠缠态的两个粒子，改变其中一个的状态，另一个则瞬间根据前一个状态的改变而改变。据此原理，如传输的量子信息处于纠缠态，当有人试图监听信息，对发往接受者手里的量子态进行干扰，那么发送者立刻即会知晓。同时，信息的内容亦会因干扰而变化，如此一来，监听者得到的将是完全无用的信息。

　　5、中微子之谜又复杂了

　　中微子是1种亚原子粒子，是微宇宙的幽灵，能够在没有相互作用的情况下穿过地球，因为这种粒子很可能牵涉到暗物质研究，所以一直是物理学领域热点之一。在很长时间内，人们普遍认为世界上只有3种中微子——电子中微子、μ中微子和τ中微子，它们可以通过称为中微子振荡的过程来转换身份。

　　但在上世纪90年代，物理学家在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的液体中微子探测器(LSND)实验中发现，实验带来的中微子数量多于预期，因此他们假设了第4种中微子的存在。根据实验特征，这种粒子被称为“惰性中微子”，与普通的中微子不同，它不受中微子间弱力作用，但确实参与了中微子振荡。它可能很重，这意味着它是暗物质的理想候选者。

　　从那以后，物理学家们进行了多次实验，希望重现惰性中微子的身影，然而都已失败告终。因此，部分人认为，LSND实验结果出现了异常，惰性中微子根本不存在。然而，当大多数人放弃寻找之际，美国费米国家加速器实验室却在6月的MiniBooNE实验中，又发现了蛛丝马迹。

　　在MiniBooNE实验中，研究人员朝一个巨大的油箱发射一束μ中微子。在前往油箱的途中，有一些μ中微子会转变为电子中微子，其转化率由两者之间的质量差异所决定。MiniBooNE会监测电子中微子的到达，当它们罕见的与石油分子相互作用时会产生特有的辐射闪光。在运行的15年期间，MiniBooNE记录了比预期中多出几百个的电子中微子。

　　但这又带来了新的问题：有的实验看到了，有的实验却无法看到，这是否意味着宇宙中发生了什么奇怪的事情，使人类建造的最先进的物理实验相互矛盾?

　　6、每分钟600亿转

　　今年7月，来自瑞士联邦理工学院和美国普渡大学的2个独立团队同时在“物理评论快报”上发表了他们的研究成果，实现了一种转速高达每分钟 600 亿圈，比牙医使用的钻头转速快 10 万倍的纳米级旋转装置。

　　其中，苏黎世联邦理工学院教授诺沃特尼(Lukas Novotny) 及其团队采用了一块比人的一根头发还要小 1000 倍，长只有一百纳米的玻璃;而普渡大学的李统藏团队则使用了一块约 170 纳米宽，320 纳米长的二氧化硅小哑铃作为旋转物体。

　　这种测量对纳米研究来说极为重要，因为纳米材料的性质与宏观物体的性质有时会相差甚远(源于纳米材料的高纯度和低缺陷)。而目前人们也无法用宏观物体做出如此高的旋转频率，所以此项研究也具有着一定的实际意义。此外，研究人员认为，这个既可以旋转又可以振动的转子，可用于研究不同材料生存的极端条件，测量微小的力和扭矩，比如引力常数和密度。由于它必须在真空里运行，因而也可以研究真空奇异的摩擦力和重力。

　　7、国际单位制迎来了新的“千克”

　　前不久，第26届国际计量大会(CGPM)经过投票表决，全票通过了关于“修订国际单位制(SI)”的建议。从明年5月20日开始，质量单位“千克”、电流单位“安培”、温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”4个国际单位制(SI)基本单位的定义都将做出更改。

　　SI共有7个基本单位以及许多导出单位，基本单位除了“千克”“开尔文”“安培”“摩尔”外，还有“秒”“米”，以及发光强度单位“坎德拉”。SI必须确保所有日常使用的测量单位，在全球都是可比的、一致的。

　　过去，这些基本测量单位都是基于实物或物质的特性来定义的，例如，“1千克”指的就是128年1个直径与高度都为39毫米的铂铱合金圆柱体重量，这个圆柱体也被称作“国际千克原器”(IPK)，现被保存在法国的国际计量局中。

　　但是实物有一个问题：它们会随时间或环境改变而变化。“虽然IPK被严格保存，但只要落上一粒尘埃，就会对全世界的质量标准产生变化。”近几年，人们发现，各国复制品的平均水平与IPK平均已经出现了50微克偏差。为解决这一问题，全球科学家经研究，决定用基本物理常数“普朗克常数(h)”来重新定义千克。

　　除此以外，根据此次SI的修订，其它3个基本单位，安培将用电子电荷(e)定义，开尔文将用玻尔兹曼常数(k)定义，摩尔将用阿伏伽德罗常数(NA)定义。

　　8、“拍下”纳米晶体“生长”过程

　　几十年前，电子显微镜就能提供令人惊叹的微观世界图像，不过，直到今天，美轮美奂的纳米晶体生长视频还是会在社交媒体上收获赞誉。10月，法国科学家们就用电子显微镜捕捉到新原子层在生长中的纳米晶体表面形成并扩散的过程。

　　当每个原子落在特定的位置，形成有序结构时，晶体就会生长。物理学家们用原子级的细节记录，描绘了纳米晶体在液滴下生长的过程。在视频中，液滴底部的原子先掉落在六边形晶体的一个角上，以此为起点，原子逐渐在表面上扩散，随着液滴的增加，晶体层逐渐成型。用简单的理论解释原子扩散的步骤，有助于研究人员更好地理解其他情况下的结晶过程。

　　这项试验由法国国家科学研究中心和巴黎萨克莱大学的物理学家完成。视频中所用的液滴成分是液态黄金，其中含有过饱和的镓和砷。这两种元素逐渐从溶液中析出，形成砷化镓纳米晶体，该团队使用透射电子显微镜连续成像。

　　9、帮AI找到织衣服的公式

　　针织是一种有着千年历史的古老工艺，但关于它的弹性力学，至今还没有出现令人满意的解释。纱线是抗拉伸的，但拉扯1条针织毛巾，它的长度却有可能增加1倍。巴黎高等师范学院和里昂高等师范学院的物理学家们对这种现象很感兴趣，他们专门开展了一项研究，探索尼龙针织面料的拉伸过程，并用数学形式将其展示出来。

　　研究人员首先在20厘米宽的尼龙针织物上做了一些简单的拉伸实验。这种针织物由1个51×51针组成的网格构成，是一种常见的针织模式。研究人员在织物2端夹紧材料，并使用摄像机记录织物拉伸时每针的位置和形状的变化。视频显示，在受到拉伸时，织物2侧针脚呈水平方向移动，中间针脚则呈垂直方向移动，整体上，织物呈现出弯曲的沙漏形状，类似于拉伸固体弹性材料(如橡胶片)时观察到的情况。

　　基于观察到的情形，研究人员建立了1个模型，将每1针视为一个4边的“细胞”，对应于织物中的可见环。当织物处于静止状态时，每个单元格具有相同的形状，但当施加张力时，该模型预测给定针脚的形状将如何因其在网格中的位置及其与相邻单元格的关系而发生变化。有了这些假设，团队就能计算出当织物拉伸时每一针的反应以及织物的最终形状。他们的预测与他们对尼龙织物的观察相符。

　　这项研究的意义在于，他们将所有织法的原理数字化了。研究小组希望他们的研究结果能对工程师开发所谓的智能面料有所帮助，或许，未来的智能面料可以根据温度变化采用特定的形状。

　　10、用诗描述量子物理

　　量子物理领域的逻辑和现实世界是不同的。例如，当一个量子对象处于分叉路径时，根本无需思考“向左转还是向右转”这种问题，因为其可以在两条路径上同时行进。这种情况在我们这些“分身乏术”的凡人看来，是很难理解的。

　　为了改变物理学家和正常人“鸡同鸭讲”的窘迫状况，1位名叫卡坦萨诺(Amy Catanzano)的诗人决定，用诗歌创造新型语言，用以准确描述那不可名状的量子世界。他在近期推出了首个作品：《World Lines: A Quantum Supercomputer Poem(世界线：量子超级计算机之歌)》。

　　这首诗被设计成拥有4个“量子比特”，每个“量子比特”中都有2个“anyons(任意子)”。在预先设定的顺序中，相邻的“任意子”会通过交换位置来执行运算，输出结果包含在了任意子的交织路径里，也就是所谓的“结(knots)”和“辫子(braids)”。

　　用人话说，这首诗拥有4组对句;这些句子会共用部分单词，于是我们便有了多条“阅读路径”，且它们是同时存在的，不存在折损或丢失。卡坦萨诺认为，诗歌对于量子理论来说，是一种非常友好的兼容语言：这种语言形式可以让每个单词突破固有的简单释义;整体上可以突破过往的阅读框架，描述一些超出想象的存在。