2018年物理學十大進展

12 月17 日，美國物理學會（The American Physical Society，APS）旗下 Physics 公布了今年的國際物理學領域的十項重大進展（「Highlights of the Year」），回顧了 2018 年頗有代表性的科研故事，涵蓋從開創性研究到詩人為量子物理寫詩。其中，中國潘建偉團隊的首次洲際量子通信項目同樣入圍。

（來源：APS/Alan Stonebraker）

石墨烯：超導家族的新成員

2018 年凝聚態物理領域最引人矚目的一個發現就是雙層石墨烯的超導性。

美國和日本的研究人員報告，他們發現了兩層相對扭曲的石墨烯具有超導性。他們觀察到的超導性類似於高溫超導體的超導性，由此扭曲的石墨烯可作為研究超導性的代表性體系。研究團隊在美國物理學會年會發布該成果時，帶來極大震動。該成果也引起了一系列的理論研究，研究人員試圖解釋這一非常規現象。其中，有一個猜想是扭曲石墨烯的超導性可能也具量子計算機所需要的拓撲性。

探測到希格斯玻色子與最重夸克的相互作用

2012 年，歐洲核子研究組織（CERN）首次探測到希格斯玻色子，但是簡單探測並沒有展示很多信息。

之後，研究重點就聚焦在探測希格斯玻色子具體如何表現。CERN 開展了兩個相關實驗——CMS 和 ATLAS，探測到最重夸克與希格斯玻色子之間的相互作用，達到統計顯著性 5σ水平（5σ意味著信號由本底雜訊導致的概率只有千萬分之三）。通過測試頂夸克和反頂夸克產生希格斯玻色子的頻率，CMS 和 ATLAS 實驗確定了頂夸克與希格斯玻色子之間的相互作用強度。

此外，他們還報道了首次觀測到希格斯玻色子衰變為底夸克。該衰變是希格斯玻色子最具可能性的命運，但這在經典實驗中很難觀察到。截至目前，所有的測試都與粒子物理的標準模型一致，不過存在不確定性。而隨著實驗不確定性的減少，還會有更多的驚喜出現。

暗物質領域的「動蕩」

暗物質領域在 2018 年有很多「動蕩」。WIMP（弱相互作用有質量粒子）是被最廣泛討論的暗物質候選者，但是近來其他候選者逐漸引起注意。

其中，LIGO-Virgo 聯合探測到雙黑洞合併產生引力波之後，原始黑洞得到了廣泛關注。

但是，對超新星統計分析，以及它們都沒有被隱藏的黑洞「引力透鏡」放大或變亮，表明黑洞可能不是暗物質主要組成。在此之後，原始黑洞的關注熱度下降。對於這些現象，理論學家提出猜想：與暗物質相互作用後，氣體被冷卻。一種可能性是暗物質粒子攜帶著非常小的電荷。

首次洲際量子通信：量子加密

中國潘建偉團隊通過「墨子號」中繼，利用衛星鏈路，首次實現與奧地利團隊的量子加密的的洲際視頻會議。數據安全性通過量子密鑰分發（QKD）得以保障。

通過千赫茲的密鑰交換頻率，研究團隊之間的洲際會議持續了 75 分鐘，總數據傳輸量達 2GB。長距離的 QKD 曾經在陸地的光纖網路中有過嘗試，但是纖維中的光失效限制了通訊距離只能在幾百公里之內。而利用天地鏈路，實現了相距 7600 公里的位點之間的通信。這些結果對於那些設想「量子互聯網」的人來說無疑是好消息。

（來源：j.W.Pan/USTC）

中微子難題再次複雜化

費米實驗室的研究人員開展 MnibooNE 實驗，發現了與已知的三個中微子味（電子味、μ子味、τ子味）不相符的信號。

MnibooNE 實驗發現μ中微子可以在非常短短的距離內轉變成電子中微子，而這在傳統的中微子振蕩中是不可能發生的。這一結果也進一步驗證了液體閃爍器中微子探測器（LSND）實驗的早期結果。

MiniBooNE 和 LSND 實驗結果都可以利用第四種中微子——「惰性中微子」相關理論進行解釋。因為與加速器和核反應器中產生的中微子相關研究結果均不一致，所以惰性微中子假設曾幾乎被摒棄。不過，MiniBooNE 的新結果重新點燃了該假設相關爭論。惰性中微子的存在還有可能解釋暗物質以及物質-反物質不對稱性。

600 億 RPM：有史以來最快轉速

你能想像 600 億轉/分鐘（RPM）的轉速嗎？兩個科研團隊均發表相關成果，實現 600 億 RPM 的超高轉速，創造了世界紀錄。

這兩個團隊分別是來自普渡大學、北京大學和清華大學的研究人員構成的合作研究團隊，以及蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊。兩個團隊在設計方法上是相似的，利用圓偏振光（可產生旋轉電場）旋轉納米物體。這樣旋轉頻率下的離心力足以使硅旋轉體分裂，因此該技術可用於納米應力試驗設備，還可以用於研究難於測量的旋轉摩擦的量子形式——Casimir 轉矩（由物體與量子真空中虛擬粒子之間相互作用造成的摩擦效應）。

國際單位制（SI）迎來重要變革

有史以來，測量基準都是基於實物，比如大量水、大塊金屬等。但是，這些實物可能隨著時間或位置發生變化，因此

2018 年 11 月的國際計量大會經表決，決定採用更具通用性的國際單位制。國際單位制基本單位中的 4 個——千克、安培、開爾文、摩爾將分別改由普朗克常數、基本電荷常數、玻爾茲曼常數、阿佛加德羅常數定義。

不過，不必擔憂日常測量儀器涉及的範圍，比如長度和溫度單位。最大的變動是質量單位——千克，將不再是質量標準。

記錄晶體生長過程的「影片」

幾十年前，電子顯微鏡就可以提供很好的原子和分子圖像。原子層上長納米線的視頻（如下所示的視頻），曾在社交媒體上風靡一時，可能是人們覺得好像在看世界上最迷你的 3D 列印過程一樣。為了弄清楚晶體生長過程中原子如何自組裝，法國研究人員利用透射電子顯微鏡進行了實時觀測，採用的是金納米過飽和液滴。

視頻顯示，液滴底部的原子首先「掉落」在液固界面的某個角落，然後以此為起點，在整個界面層鋪展開，隨著更多原子從液滴底部掉落，就形成了晶體層。

針織物相關的數學公式

紗線沒有伸展性，而針織毛衣卻有很好的伸展性，這一矛盾引發了物理學家的好奇心。巴黎高等師範學院的物理學家對針織物的伸展過程進行了研究。

他們對尼龍織物進行不同程度的伸展，找到了一些適用的簡單公式。這些新公式適用於任何編織圖案，並對伸展過程實現量化解釋。研究團隊希望他們的研究成果能夠幫助工程師開發智能織物，比如有熱響應的特殊形狀的織物。

為量子物理寫詩

用合適的語言準確描述量子對象的離奇及其背離邏輯的規律，是一個難題和挑戰。不過，物理學家和藝術家都在不斷努力嘗試。一位名叫 Amy Catanzano 的詩人，想到詩歌或許可以成為一種描述量子物理複雜概念的有效語言。於是，她把自己的想法訴諸實踐，寫了一首關於量子計算機的詩，試圖解釋量子計算機背後的理論。

儘管物理學家是否會用詩作為量子物理的語言仍未可知，但是這首詩的出現為那些非物理專業的人提供了一種認識複雜量子概念的新方式。

來源：量子科學，如有侵權請聯繫刪除

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