《物理世界》發(fā)布2011十大突破性物理成果

1、物理世界發(fā)布 2011 十大突破性物理成果導(dǎo)言：占據(jù) 2011 各大業(yè)內(nèi)媒體頭條的兩個(gè)重要的物理學(xué)話題是問(wèn)題，而不是切實(shí)的科學(xué)結(jié)論，即“中微子比光更快嗎？”和“我們是否已經(jīng)找到了希格斯玻色子”。除此之外，過(guò)去 12 個(gè)月中我們還有其他一些奇妙而令人欣慰的研究，這使得我們物理世界 2011 的最具突破性成果的評(píng)選變得困難。作者 Hamish Johnston 是 的編輯占據(jù) 2011 各大業(yè)內(nèi)媒體頭條的兩個(gè)重要的物理學(xué)話題是問(wèn)題，而不是切實(shí)的科學(xué)結(jié)論，即“中微子比光更快嗎？”和“我們是否已經(jīng)找到了希格斯玻色子”。除此之外，過(guò)去 12 個(gè)月中我們還有其他一些奇妙而令人欣慰的研究，這使得我們物理世界

2、 2011 的最具突破性成果的評(píng)選變得困難。物理世界編輯組在經(jīng)過(guò)一番爭(zhēng)論后，本年度的這一榮譽(yù)的最高獎(jiǎng)項(xiàng)落到了 AephraimSteinberg 及其同事的身上。AephraimSteinberg 來(lái)自加拿大多倫多大學(xué)，這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)影響到了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。他們使用一種稱為“弱測(cè)量”的新興技術(shù)首次跟蹤了單個(gè)光子通過(guò)楊氏雙縫的平均行程。針對(duì)這一結(jié)果，Steinberg 說(shuō)物理學(xué)家們需要好好“洗腦”以更加大膽地思考問(wèn)題。我們也選出了排名第 2 到第 10 的成果（如下）。今年冠亞軍之間的重要性程度相當(dāng)接近，因?yàn)榈诙难芯恳采婕暗饺鯗y(cè)量，該研究將一些光子的波函數(shù)進(jìn)行了映射。但是我們認(rèn)為 Ste

3、inberg 的研究更勝一籌。榜單中的其他突破包括第一件“時(shí)空”斗篷，活細(xì)胞產(chǎn)生的激光，以及一種測(cè)量宇宙尺度的新方法。第一名：改變量子力學(xué)的一般準(zhǔn)則Steinberg 的研究最后勝出是因?yàn)樗麄兊陌l(fā)現(xiàn)對(duì)目前被普遍接受的觀點(diǎn)形成了挑戰(zhàn)，此觀點(diǎn)認(rèn)為：當(dāng)光子穿越兩個(gè)相距極近的狹縫形成干涉圖樣時(shí)，量子力學(xué)“禁止”我們了解各個(gè)光子的行程。如果我們將光視作電磁波，出現(xiàn)此干涉是理所應(yīng)當(dāng)?shù)?。但量子力學(xué)將光作為粒子加以考慮雖然這會(huì)出現(xiàn)古怪的后果：如果我們確定了單個(gè)光子穿越了哪個(gè)狹縫，干涉圖樣將消失。通過(guò)弱測(cè)量，Steinberg 及其同事能夠在保留干涉圖樣的前提下獲得一些光子經(jīng)過(guò)的行程的信息。在實(shí)驗(yàn)中，雙縫被分光

4、器和一對(duì)光導(dǎo)纖維所取代。一個(gè)單獨(dú)的光子撞擊在分光器上，然后進(jìn)入左側(cè)或右側(cè)的光纖。在從平行光纖的放置得很近的末端飛出后，在檢測(cè)器屏幕上創(chuàng)造出干涉圖樣。弱測(cè)量過(guò)程需要使飛出的光子穿過(guò)一塊方解石，從而使光子產(chǎn)生輕微的偏振旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的大小取決于光子行進(jìn)的方向，換句話說(shuō)，光子的動(dòng)量。然后光子根據(jù)在屏幕上的撞擊位置被“后選擇”，這使得研究人員可以確定到達(dá)此處的光子的平均行進(jìn)方向。此實(shí)驗(yàn)表明，（舉例來(lái)說(shuō)）衍射圖樣右側(cè)檢測(cè)到的一個(gè)光子，更有可能是從右側(cè)光纖（而不是左側(cè)光纖）飛出。此推斷不違反量子力學(xué)的原則，Steinberg 說(shuō)：“在以前，物理學(xué)家會(huì)認(rèn)為在檢測(cè)到光子之前詢問(wèn)其具體位置是不妥當(dāng)?shù)摹Ｒ稽c(diǎn)一滴的，人

5、們開始詢問(wèn)以往被視作禁忌的問(wèn)題?！彼€認(rèn)為，自己的團(tuán)隊(duì)完成的實(shí)驗(yàn)將推動(dòng)物理學(xué)家觀念的轉(zhuǎn)變。第二名：測(cè)量波函數(shù)第二名的研究來(lái)自另一個(gè)提出了“禁忌問(wèn)題”的團(tuán)隊(duì)。加拿大渥太華國(guó)家研究委員會(huì)一個(gè)由Jeff Lundeen（Steinberg曾經(jīng)的同事）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)使用弱測(cè)量映射了一組具有相同狀態(tài)的光子的波函數(shù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有摧毀光子。與之相對(duì)，量子層析可以在損壞狀態(tài)的條件下映射波函數(shù)。此技術(shù)增進(jìn)了我們對(duì)量子力學(xué)的基本法則的理解，并且在不能使用層析方法的情況下能大派用場(chǎng)。第三名：時(shí)空斗篷排在第三位的是兩個(gè)團(tuán)隊(duì)一個(gè)團(tuán)隊(duì)來(lái)自美國(guó)的康奈爾大學(xué)，由 AlexanderGaeta 領(lǐng)導(dǎo)，另一個(gè)團(tuán)隊(duì)來(lái)自倫敦帝國(guó)理工學(xué)院

6、，由 MartinMcCall 領(lǐng)導(dǎo)。在 2011 年初，McCall 的團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇文章，對(duì)如何將發(fā)生在時(shí)空中的事件加以遮蓋進(jìn)行了理論分析，之后不久他又以物理世界的風(fēng)格進(jìn)行了專門闡述。數(shù)月后，Gaeta 及其同事設(shè)計(jì)了一種使用兩個(gè)“分時(shí)透鏡”的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程。除了改變了我們對(duì)能夠遮蓋和不能遮蓋的事物的看法外，時(shí)空斗篷當(dāng)然也可以用于完美的銀行劫案，至少在理論上如此。第四名：使用黑洞測(cè)量宇宙榜單的第四名要授予丹麥哥本哈根大學(xué)的 DarachWatson 和他的同事，以及澳大利亞的昆士蘭大學(xué)。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種方法，可通過(guò)使用特大質(zhì)量的黑洞（能量活躍的星系核心，AGN）作為燭光，來(lái)對(duì)宇宙尺度進(jìn)行

7、精確測(cè)量。這項(xiàng)工作的重要意義在于，宇宙中的AGN 隨處可見，與當(dāng)前使用超新星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光的方法不同，AGN 發(fā)出的光持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。第五名：變暗為光瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的 Christopher Wilson 及 其同事，與日本、澳大利亞及美國(guó)的物理學(xué)家一起獲得我們?cè)u(píng)選的第五名，因?yàn)樗麄兪状卧趯?shí)驗(yàn)室中觀察到了動(dòng)態(tài)卡西米爾效應(yīng)。此效應(yīng)是指當(dāng)有鏡子在真空中快速移動(dòng)時(shí)，成對(duì)的虛光子（始終在不斷產(chǎn)生和湮滅）會(huì)被分離并釋放出能被檢測(cè)到的真實(shí)光子。這一成果除了讓我們對(duì)卡西米爾效應(yīng)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)之外，研究團(tuán)隊(duì) 將超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID) 用作鏡子的方法也為類似實(shí)驗(yàn)提供了新鮮思路。第六名：測(cè)量宇宙早期的溫

8、度大爆炸剛剛結(jié)束后，宇宙是一碗自由夸克和膠子攪在一起的濃湯，這些粒子結(jié)合在一起，最終形成了我們今天所知的質(zhì)子和中子。獲得第六名的是由美國(guó)、印度和中國(guó)的物理學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)，他們算出了迄今為止最精確的凝聚溫度：兩萬(wàn)億開氏度（2×1012）。這一成果除了為我們提供了早期宇宙的重要信息外，也加深了我們對(duì)量子色動(dòng)力學(xué)的理解（量子色動(dòng)力學(xué)主要研究質(zhì)子中子和其他強(qiáng)子的特性）。第七名：捕捉中微子震蕩的“味道”第七名頒給在日本進(jìn)行東海-神岡實(shí)驗(yàn)的國(guó)際物理團(tuán)隊(duì)。研究人員在地下300km的地方將一束介子中微子轟擊到檢測(cè)器上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有6個(gè)中微子發(fā)生了改變，或稱為發(fā)生“振蕩”，轉(zhuǎn)變成了電子中微子。這一測(cè)量結(jié)

9、果不足以表明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了“介子-電子”中微子振蕩，但可以證明一種“味道”的中微子會(huì)振蕩為另一種。第八名：活體激光這是一項(xiàng)神奇的生物物理學(xué)成果：美國(guó)哈佛醫(yī)學(xué)院的 MalteGather和 Seok Hyun Yun 因首次使用活體生物細(xì)胞生成激光而共獲第八名。通過(guò)將藍(lán)色強(qiáng)光照射到胚胎腎臟細(xì)胞的綠色熒光蛋白分子上，該分子生成了單色且方向性很好的強(qiáng)光。該細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)后仍然存活，這一令人驚奇的現(xiàn)象有望用于癌細(xì)胞和健康細(xì)胞的辨別。第九名：在單塊芯片上制成量子計(jì)算機(jī)第九名要頒給加州大學(xué)圣巴巴拉分校的 MatteoMariantoni 和他的同事，他們首次在PC上實(shí)現(xiàn)了“馮·諾依曼”結(jié)構(gòu)的量子化版本。基于超導(dǎo)線圈和單芯片的整合結(jié)構(gòu)，此新式設(shè)備能夠執(zhí)行兩個(gè)重要的量子運(yùn)算算法。這一成果使我們向制造出能夠解決實(shí)際問(wèn)題的量子計(jì)算機(jī)的最終目標(biāo)又邁進(jìn)了一步。第十名：發(fā)現(xiàn)大爆炸的純粹殘骸加州大學(xué)的 MicheleFumagalli 和 Xavier Prochaska，佛蒙特州圣麥克大學(xué)的