10项突破性进展的评判标准包括:研究的基本重要性;显著的知识进展;理论与实验间的紧密关联;所有物理学家的普遍兴趣。
多信道:两颗中子星并合对引力(见左侧)和物质的影响
1 中子星并合的首次多信道观察
2017年8月17日, LIGO–Virgo 引力波探测器、费米伽马射线太空望远镜和 INTEGRAL伽马射线空间望远镜,几乎同时探测到信号。信号来自两颗中子星的并合——该观察对象现在被称为GW 170817。这是 LIGO–Virgo科学家第一次看到中子星并合,并且5个小时后,他们已经确定了信号源在天空中的位置。在接下来的几个小时和数天里,70多台望远镜对准 GW 170817目标,做出了大量观察,它们涉及:电磁波谱的伽马射线、X射线、可见光、红外和射电信号。天体物理学家也在寻找中微子,但没有被发现。
这些协同观测已经提供了大量的信息:当中子星以所谓的"kilonova"(千颗超新星)能量碰撞时会发生什么。这些观测已经提供了重要的线索:宇宙中的重元素(例如金)是如何产生的。从中子星并合所获得的测量引力波和可见光的能力,也为测量宇宙之膨胀速率提供了一种新的独立的方法。此外,这一观测还解决了一则长期争论,即关于短时、高能之伽马射线暴的起源。
今年的突破奖授予了数千名科学家,他们工作在全世界近50个协作团队。虽然有些奖项,特别是诺贝尔奖,是颁给个人而不是团体的,但这次我们Physics World 强调:科学是一种合作努力。进而,我们认为,GW 170817的多信道观测体现了科学的协作性质。当来自世界各地的人们为了共同的科学事业走到一起时,我们对宇宙的知识才能不断深化,这是光辉的一例。
The Astrophysical Journal Letters 上有一篇关于多信道观察的全面综述,以及一份所有参加协作的科学家和科研团队的完整清单。播客“用引力波探索宇宙”(Exploring the cosmos with gravitational waves)的节目,采访了一些参与引力波观测的科学家。要想更深入地了解这些最新发现的意义,请看电子书“多信道天文学”(Multimessenger Astronomy),这本书可以免费阅读。
下面介绍其他9项突破性进展,排名不分先后。
2 物理学家创建第一台“拓扑”激光器
开发所有的选项:新的拓扑激光器可以有任何形状的激光腔
在圣地亚哥加州大学的Boubacar Kanté和他的同事们,创建了第一台“拓扑激光器”。该装置包含围绕任何形状腔体的光之蛇行线,以至于光不被散射,非常类似于在拓扑绝缘体的表面上电子的运动。激光器在电信波长下工作,并且可能导致更好的光子线路,甚至保护量子信息不受散射。
3 闪电产生放射性同位素
京都大学的Teruaki Enoto及其同事,首次提供了详细的、令人信服的证据:雷击会导致大气中放射性同位素的合成。物理学家已经知道,雷击会产生伽马射线和中子,并且猜测:空气中的这种辐射和氮核之间的相互作用会产生放射性核。Enoto和同事们通过测量伽马射线(核衰变指示)信号,证实了这一点,该信号在雷击后大约1分钟达到峰值。他们说,这是产生放射性核(如氮-13)的证据。
4 将诺贝尔奖获奖技术结合起来,开发出超分辨显微镜
圈饼店: Stefan Hell(左)和同事们
获奖者:Francisco Balzarotti,Yvan Eilers,Klaus Gwosch,Stefan Hell和同事们。在马克斯普朗克生物物理化学研究所、乌普萨拉大学和布宜诺斯艾利斯大学,他们开发了一台新型超高分辨率显微镜,可用于实时跟踪活细胞中的生物分子。新技术被称为最大信息发光激发探测(MINFLUX),它结合了两项诺贝尔奖获奖技术的优点,其中之一是由Stefan Hell发明。MINFLUX达到纳米尺度的分辨率更快,但与先前之可能相比,发射较少光子。
5 无粒子交换的量子通讯在实验室中实现
获奖者:布里斯托尔大学的Hatim Salih和中国科学技术大学的潘建伟以及同事们。他们在理论和实验两方面实现了,在没有任何粒子交换的情况下利用量子物理传输信息。四年前,Salih和他的同事们提出了一种新的量子通信方案,不需要任何物理粒子的传输。尽管一些物理学家对此持怀疑态度,但今年由潘建伟领导的团队在实验室中创建了这样一个系统;并使用它传输一个简单的图像,过程中几乎没有光子发送。这项技术又被称为“反现实成像”(counterfactual imaging),该技术可以方便地用于精美古代艺术品(这些艺术品不能暴露在直射光下)的成像。
6 超高能宇宙射线具有超星系起源
注视天空:位于阿根廷的切伦科夫探测器
获奖者:Pierre Auger Observatory collaboration(天文台协作组)。他们证明,超高能宇宙射线来自银河系之外。几十年来,天体物理学家一直认为,能量大于1 EeV(1018 eV)的宇宙射线可能来自这些粒子到达的方向。这与低能量宇宙射线不同,低能粒子在被银河系磁场偏转后,接收时似乎来自各个方向。现在,位于阿根廷的Pierre Auger 1600切伦科夫粒子探测器已经揭示,超高能宇宙射线的到达率(就半个天穹而言)比此前认为的更大。更重要的是,多出来的高能粒子其来向远离银河系的中心——这表明宇宙射线有超星系起源。
7 在实验室中构建”时间晶体”
获奖者:马里兰大学的Christopher Monroe和哈佛大学的Mikhail Lukin,以及同事们。他们独立地创造了“时间晶体”(time crystals)。就像传统的晶体一样,自发地破缺平移对称性;时间晶体也自发地破缺离散时间对称性。时间晶体最初是在五年前被预言,现在两个以自旋为基础的系统已经被创建,系统具有类似于时间晶体的性质。Lukin使用金刚石缺陷中的自旋,而Monroe的自旋是被捕获的离子。
8 无需功率输入超构材料增进自然冷却
冷却用薄膜:由玻璃和聚合物超构材料辊压而成
获奖者:科罗拉多博尔德大学的Ronggui Yang 和 Xiaobo Yin,以及同事们。他们创造了一种新的超构材料薄膜,这种薄膜可以提供冷却功能,而无需电功率输入。这种材料由玻璃微球、聚合物和银制成,材料采用被动辐射冷却,将薄膜覆盖于物体使其散热。物体以红外辐射的形式发射能量,该能量可以穿透大气层(碰巧辐射波长与大气窗口匹配),最终进入太空。这种超构薄膜还反射阳光,这意味着它白天和黑夜都在工作。但或许最重要的是,它能够以工业规模廉价生产。
9 终于测得了三光子相干
获奖者:滑铁卢大学的Sascha Agne 和 Thomas Jennewein,牛津大学的Stefanie Barz, Steve Kolthammer 和 Ian Walmsley,以及同事们。他们独立地测量了涉及三个光子的量子干涉。要看到该效应是非常困难的,因为它需要能够同时将三个不可区分的光子递送到相同的位置,并且还要确保从测量中消除单光子和双光子干涉效应。实验也为量子力学的基本原理提供了深入的见解;同时,三光子相干也可以被用于量子密码术和量子模拟器。
10 μ子探测到埃及金字塔内隐藏有巨大空隙
什么在里边:使用虚拟现实探究胡夫金字塔
获奖者:ScanPyramids协作组。研究者通过使用宇宙射线μ子,在埃及吉萨的胡夫金字塔内部发现:存在有迄今未知的巨大空隙之证据。在金字塔内部和周围放置不同类型的μ子探测器,研究组测量了:μ子群当它们流过这个巨大的结构时,是如何衰减的。计算机算法对数据进行了分析,发现金字塔深处有一个意想不到的巨大的空隙。
(中国科学院理化技术研究所 戴闻 编译自Hamish Johnston, Physics World, Dec 11, 2017)
本文选自《物理》2018年第1期
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