物理學(xué)領(lǐng)域在2018年收獲頗豐，從量子通訊到暗物質(zhì)探索，人類在邁向未來的步伐越來越快。12月17日，美國物理學(xué)會旗下的Physics網(wǎng)站發(fā)布《年度高光時刻》，除了前面提到的發(fā)現(xiàn)，今年10家物理學(xué)科研故事還包括石墨烯超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)、國際單位制的重大變革等。

1、石墨烯：超導(dǎo)體家族的新成員

今年3月5日，《自然》連發(fā)2篇以曹原為第一作者的石墨烯重磅論文，揭秘了石墨烯在沒有電阻的情況下導(dǎo)電的方法，破解了困擾物理學(xué)界107年的世界難題。曹原也因此被《自然》稱作是“石墨烯的駕馭者”。

他的團隊發(fā)現(xiàn)，通過堆疊具有小扭曲角的兩個石墨烯片中二維超晶格，產(chǎn)生一種全新的電子態(tài)——超導(dǎo)態(tài)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度小到魔角時(<1.05°)，扭曲的雙層石墨烯中垂直堆疊的原子區(qū)域會形成窄電子能帶，電子相互作用效應(yīng)增項，從而產(chǎn)生非導(dǎo)電的Mott絕緣態(tài)。在Mott絕緣態(tài)情況下加入少量電荷載流子，就可以成功轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。

如汞這類簡單金屬的“傳統(tǒng)”超導(dǎo)性可以用“巴登-庫珀-施里弗”(BCS)理論來解釋，也就是電子配對要歸功于聲子介導(dǎo)的相互吸引作用。但在大多數(shù)人看來，這種理論無法解釋復(fù)雜材料的超導(dǎo)現(xiàn)象，尤其是高溫超導(dǎo)。例如，BCS成功預(yù)測了電子動量各向同性的超導(dǎo)隙，這種情況被稱為“s波”，但在許多高溫超導(dǎo)體中，出現(xiàn)的都是較低對稱性的“d波”隙。

而石墨烯從Mott 絕緣體到超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變，表明其具有和高溫超導(dǎo)體(高Tc)類似的非常規(guī)超導(dǎo)電性，或許可以幫助研究人員完善高溫超導(dǎo)理論。

此外，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的許岑可(音譯)和巴倫思(Leon Balents) 預(yù)測，扭曲石墨烯中的超導(dǎo)電性不僅是非常規(guī)的，而且是拓撲的，這是某些量子計算方案感興趣的性質(zhì)。

2、“上帝粒子”和最重夸克的親密關(guān)系

在6月的歐洲大型強子對撞機(LHC)實驗中，科學(xué)家們?nèi)〉弥卮笸黄?，他們首次觀測到希格斯玻色子(Higgs boson)與最重粒子“頂夸克(Top Quark)”同時在極大能量下生成的情況，了結(jié)了物理學(xué)家對兩者如何互動的疑問。

根據(jù)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質(zhì)量。2012年，歐洲科學(xué)家證實了希格斯玻色子的存在，則希格斯場應(yīng)該也存在，而希格斯機制也可被確認為基本無誤。然而，在此之前，科學(xué)家卻一直找不到希格斯玻色子與最重夸克頂夸克互動的案例。美國國家費米加速實驗室學(xué)者麥克布萊德(Patty McBride)表示：“按理說，作為‘質(zhì)量賦予者(giver of mass)’，希格斯玻色子應(yīng)該非常‘喜歡’頂夸克才對?！?/p>

這次的實驗結(jié)果證實了科學(xué)家之前的預(yù)測，即在非常稀少的情況下希格斯玻色子會與頂夸克同時生成。在LHC質(zhì)子對撞實驗中，每次實驗碰撞超過 1015 個質(zhì)子對，有350萬分之一的幾率同時生成希格斯玻色子與頂夸克。這個結(jié)果解釋了萬物是如何被賦予質(zhì)量的，也是我們存在的根本原因。

3、暗物質(zhì)新發(fā)現(xiàn)

今年的暗物質(zhì)領(lǐng)域可謂發(fā)生了劇變——對WIMP粒子理論的探究結(jié)果令人失望，替代理論借機搶占科學(xué)頭條。作為替代理論之一，太初黑洞(原生黑洞)一度得到大量的關(guān)注。尤其是在美國LIGO、意大利Virgo 2大高精度探測器發(fā)現(xiàn)黑洞融合現(xiàn)象后。

然而，加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家們在對截至2014年發(fā)現(xiàn)的740顆最亮超新星的統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，黑洞理論不能解釋所有暗物質(zhì)的存在，原始黑洞所占宇宙暗物質(zhì)的比例不超過40%。

此外，今年最引人注目的發(fā)現(xiàn)來源于宇宙第1顆恒星的間接光。研究人員利用邊緣實驗，探測被恒星光包圍、吸收的氫氣所發(fā)出的特定無線電信號。他們發(fā)現(xiàn)，這個信號的強度幾乎是理論預(yù)期的2倍，也就是說，氫氣比預(yù)期的要涼爽。研究作者巴卡納(Rennan Barkana)教授認為，根據(jù)熱力學(xué)理論，你需要一些冷卻器來帶走能量，那東西很可能就是暗物質(zhì)。

4、全球首次洲際量子衛(wèi)星通信

繼去年我國發(fā)射世界首顆量子通信實驗衛(wèi)星“墨子號”、開通世界首條量子保密通信“京滬干線”后，去年9月，在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊的帶領(lǐng)下，我國和奧地利科學(xué)家又攜手實現(xiàn)了世界首次洲際量子通信，今年1月，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》正式發(fā)表論文，披露了首次洲際量子通信的技術(shù)細節(jié)。

“墨子號”向北京附近的興隆地面站和維也納附近的格拉茨(Graz)地面站進行了量子密鑰分發(fā)，與2個地面站間各自產(chǎn)生一段密鑰。接著，按照地面指令，“墨子號”給2段密鑰進行逐位異或運算，將結(jié)果發(fā)送給其中1個地面站，由此，中歐2個距離長達7600公里的位點之間建立了密碼。

北京向維也納發(fā)送了一張大小5.34kB的“墨子號”照片，而維也納則向北京發(fā)送了一張大小4.9kB的薛定諤照片，通過量子密鑰進行加密。此外，中國科學(xué)院還與奧地利科學(xué)院進行了洲際量子保密視頻會議，采用128位高級加密標(biāo)準(zhǔn)。中奧雙方用560kbit密鑰支持了75分鐘的視頻會議，共傳輸約2GB數(shù)據(jù)。

從量子力學(xué)理論可知，處于量子糾纏態(tài)的兩個粒子，改變其中一個的狀態(tài)，另一個則瞬間根據(jù)前一個狀態(tài)的改變而改變。據(jù)此原理，如傳輸?shù)牧孔有畔⑻幱诩m纏態(tài)，當(dāng)有人試圖監(jiān)聽信息，對發(fā)往接受者手里的量子態(tài)進行干擾，那么發(fā)送者立刻即會知曉。同時，信息的內(nèi)容亦會因干擾而變化，如此一來，監(jiān)聽者得到的將是完全無用的信息。

5、中微子之謎又復(fù)雜了

中微子是1種亞原子粒子，是微宇宙的幽靈，能夠在沒有相互作用的情況下穿過地球，因為這種粒子很可能牽涉到暗物質(zhì)研究，所以一直是物理學(xué)領(lǐng)域熱點之一。在很長時間內(nèi)，人們普遍認為世界上只有3種中微子——電子中微子、μ中微子和τ中微子，它們可以通過稱為中微子振蕩的過程來轉(zhuǎn)換身份。

但在上世紀(jì)90年代，物理學(xué)家在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的液體中微子探測器(LSND)實驗中發(fā)現(xiàn)，實驗帶來的中微子數(shù)量多于預(yù)期，因此他們假設(shè)了第4種中微子的存在。根據(jù)實驗特征，這種粒子被稱為“惰性中微子”，與普通的中微子不同，它不受中微子間弱力作用，但確實參與了中微子振蕩。它可能很重，這意味著它是暗物質(zhì)的理想候選者。

從那以后，物理學(xué)家們進行了多次實驗，希望重現(xiàn)惰性中微子的身影，然而都已失敗告終。因此，部分人認為，LSND實驗結(jié)果出現(xiàn)了異常，惰性中微子根本不存在。然而，當(dāng)大多數(shù)人放棄尋找之際，美國費米國家加速器實驗室卻在6月的MiniBooNE實驗中，又發(fā)現(xiàn)了蛛絲馬跡。

在MiniBooNE實驗中，研究人員朝一個巨大的油箱發(fā)射一束μ中微子。在前往油箱的途中，有一些μ中微子會轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮又形⒆?，其轉(zhuǎn)化率由兩者之間的質(zhì)量差異所決定。MiniBooNE會監(jiān)測電子中微子的到達，當(dāng)它們罕見的與石油分子相互作用時會產(chǎn)生特有的輻射閃光。在運行的15年期間，MiniBooNE記錄了比預(yù)期中多出幾百個的電子中微子。

但這又帶來了新的問題：有的實驗看到了，有的實驗卻無法看到，這是否意味著宇宙中發(fā)生了什么奇怪的事情，使人類建造的最先進的物理實驗相互矛盾?

6、每分鐘600億轉(zhuǎn)

今年7月，來自瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院和美國普渡大學(xué)的2個獨立團隊同時在“物理評論快報”上發(fā)表了他們的研究成果，實現(xiàn)了一種轉(zhuǎn)速高達每分鐘 600 億圈，比牙醫(yī)使用的鉆頭轉(zhuǎn)速快 10 萬倍的納米級旋轉(zhuǎn)裝置。

其中，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授諾沃特尼(Lukas Novotny) 及其團隊采用了一塊比人的一根頭發(fā)還要小 1000 倍，長只有一百納米的玻璃;而普渡大學(xué)的李統(tǒng)藏團隊則使用了一塊約 170 納米寬，320 納米長的二氧化硅小啞鈴作為旋轉(zhuǎn)物體。

這種測量對納米研究來說極為重要，因為納米材料的性質(zhì)與宏觀物體的性質(zhì)有時會相差甚遠(源于納米材料的高純度和低缺陷)。而目前人們也無法用宏觀物體做出如此高的旋轉(zhuǎn)頻率，所以此項研究也具有著一定的實際意義。此外，研究人員認為，這個既可以旋轉(zhuǎn)又可以振動的轉(zhuǎn)子，可用于研究不同材料生存的極端條件，測量微小的力和扭矩，比如引力常數(shù)和密度。由于它必須在真空里運行，因而也可以研究真空奇異的摩擦力和重力。

7、國際單位制迎來了新的“千克”

前不久，第26屆國際計量大會(CGPM)經(jīng)過投票表決，全票通過了關(guān)于“修訂國際單位制(SI)”的建議。從明年5月20日開始，質(zhì)量單位“千克”、電流單位“安培”、溫度單位“開爾文”、物質(zhì)的量單位“摩爾”4個國際單位制(SI)基本單位的定義都將做出更改。

SI共有7個基本單位以及許多導(dǎo)出單位，基本單位除了“千克”“開爾文”“安培”“摩爾”外，還有“秒”“米”，以及發(fā)光強度單位“坎德拉”。SI必須確保所有日常使用的測量單位，在全球都是可比的、一致的。

過去，這些基本測量單位都是基于實物或物質(zhì)的特性來定義的，例如，“1千克”指的就是128年1個直徑與高度都為39毫米的鉑銥合金圓柱體重量，這個圓柱體也被稱作“國際千克原器”(IPK)，現(xiàn)被保存在法國的國際計量局中。

但是實物有一個問題：它們會隨時間或環(huán)境改變而變化?！半m然IPK被嚴格保存，但只要落上一粒塵埃，就會對全世界的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生變化?！苯鼛啄?，人們發(fā)現(xiàn)，各國復(fù)制品的平均水平與IPK平均已經(jīng)出現(xiàn)了50微克偏差。為解決這一問題，全球科學(xué)家經(jīng)研究，決定用基本物理常數(shù)“普朗克常數(shù)(h)”來重新定義千克。

除此以外，根據(jù)此次SI的修訂，其它3個基本單位，安培將用電子電荷(e)定義，開爾文將用玻爾茲曼常數(shù)(k)定義，摩爾將用阿伏伽德羅常數(shù)(NA)定義。

8、“拍下”納米晶體“生長”過程

幾十年前，電子顯微鏡就能提供令人驚嘆的微觀世界圖像，不過，直到今天，美輪美奐的納米晶體生長視頻還是會在社交媒體上收獲贊譽。10月，法國科學(xué)家們就用電子顯微鏡捕捉到新原子層在生長中的納米晶體表面形成并擴散的過程。

當(dāng)每個原子落在特定的位置，形成有序結(jié)構(gòu)時，晶體就會生長。物理學(xué)家們用原子級的細節(jié)記錄，描繪了納米晶體在液滴下生長的過程。在視頻中，液滴底部的原子先掉落在六邊形晶體的一個角上，以此為起點，原子逐漸在表面上擴散，隨著液滴的增加，晶體層逐漸成型。用簡單的理論解釋原子擴散的步驟，有助于研究人員更好地理解其他情況下的結(jié)晶過程。

這項試驗由法國國家科學(xué)研究中心和巴黎薩克萊大學(xué)的物理學(xué)家完成。視頻中所用的液滴成分是液態(tài)黃金，其中含有過飽和的鎵和砷。這兩種元素逐漸從溶液中析出，形成砷化鎵納米晶體，該團隊使用透射電子顯微鏡連續(xù)成像。

9、幫AI找到織衣服的公式

針織是一種有著千年歷史的古老工藝，但關(guān)于它的彈性力學(xué)，至今還沒有出現(xiàn)令人滿意的解釋。紗線是抗拉伸的，但拉扯1條針織毛巾，它的長度卻有可能增加1倍。巴黎高等師范學(xué)院和里昂高等師范學(xué)院的物理學(xué)家們對這種現(xiàn)象很感興趣，他們專門開展了一項研究，探索尼龍針織面料的拉伸過程，并用數(shù)學(xué)形式將其展示出來。

研究人員首先在20厘米寬的尼龍針織物上做了一些簡單的拉伸實驗。這種針織物由1個51×51針組成的網(wǎng)格構(gòu)成，是一種常見的針織模式。研究人員在織物2端夾緊材料，并使用攝像機記錄織物拉伸時每針的位置和形狀的變化。視頻顯示，在受到拉伸時，織物2側(cè)針腳呈水平方向移動，中間針腳則呈垂直方向移動，整體上，織物呈現(xiàn)出彎曲的沙漏形狀，類似于拉伸固體彈性材料(如橡膠片)時觀察到的情況。

基于觀察到的情形，研究人員建立了1個模型，將每1針視為一個4邊的“細胞”，對應(yīng)于織物中的可見環(huán)。當(dāng)織物處于靜止?fàn)顟B(tài)時，每個單元格具有相同的形狀，但當(dāng)施加張力時，該模型預(yù)測給定針腳的形狀將如何因其在網(wǎng)格中的位置及其與相鄰單元格的關(guān)系而發(fā)生變化。有了這些假設(shè)，團隊就能計算出當(dāng)織物拉伸時每一針的反應(yīng)以及織物的最終形狀。他們的預(yù)測與他們對尼龍織物的觀察相符。

這項研究的意義在于，他們將所有織法的原理數(shù)字化了。研究小組希望他們的研究結(jié)果能對工程師開發(fā)所謂的智能面料有所幫助，或許，未來的智能面料可以根據(jù)溫度變化采用特定的形狀。

10、用詩描述量子物理

量子物理領(lǐng)域的邏輯和現(xiàn)實世界是不同的。例如，當(dāng)一個量子對象處于分叉路徑時，根本無需思考“向左轉(zhuǎn)還是向右轉(zhuǎn)”這種問題，因為其可以在兩條路徑上同時行進。這種情況在我們這些“分身乏術(shù)”的凡人看來，是很難理解的。

為了改變物理學(xué)家和正常人“雞同鴨講”的窘迫狀況，1位名叫卡坦薩諾(Amy Catanzano)的詩人決定，用詩歌創(chuàng)造新型語言，用以準(zhǔn)確描述那不可名狀的量子世界。他在近期推出了首個作品：《World Lines: A Quantum Supercomputer Poem(世界線：量子超級計算機之歌)》。

這首詩被設(shè)計成擁有4個“量子比特”，每個“量子比特”中都有2個“anyons(任意子)”。在預(yù)先設(shè)定的順序中，相鄰的“任意子”會通過交換位置來執(zhí)行運算，輸出結(jié)果包含在了任意子的交織路徑里，也就是所謂的“結(jié)(knots)”和“辮子(braids)”。

用人話說，這首詩擁有4組對句;這些句子會共用部分單詞，于是我們便有了多條“閱讀路徑”，且它們是同時存在的，不存在折損或丟失?？ㄌ顾_諾認為，詩歌對于量子理論來說，是一種非常友好的兼容語言：這種語言形式可以讓每個單詞突破固有的簡單釋義;整體上可以突破過往的閱讀框架，描述一些超出想象的存在。