《物理世界》评2016年度十大物理学突破，你知道几个？

撰文 Tushna Commissariat, Hamish Johnston

编译 怡若乐

今年的第一没有什么悬念，《物理世界》毫无疑问地将2016年年度最大突破授予了LIGO科学合作组织，表彰其“引起巨大变革的发现——有史以来第一次直接探测到了引力波”。

踏入白宫，走向人生巅峰：2月24日，国会听证会上的LIGO团队成员们

在阿尔伯特·爱因斯坦第一次提出广义相对论假设的整100年后，美国LIGO科学合作组织利用先进激光干涉引力波天文台（advanced LIGO，简称aLIGO）探测到了两个独立的引力波事件，成为2016年最轰动的科学大事件。2015年9月14日，就在先进LIGO还处于试运行的阶段，科学家们探测到了第一个引力波事件，并于今年2月发表结果。第二组引力波在2015年12月26日通过了LIGO的探测器，大家称它为“节礼日事件”，并在今年6月发表结果。引力波是时空的连漪——为了寻找它，科学家已经进行了长达数十年的观测。

这些测量意味着引力波真正成为了能够探测天文事件的手段，标志着引力波天文学和光学、射电望远镜与引力波相结合的多信号天文学时代的开启。不久以后，全球其他地区的引力波探测器也将完成，将与LIGO的双探测器一道形成全球引力波探测器系统。

引力波的的两个事件都是由遥远宇宙的灾难性事件引起——两个黑洞的碰撞和最后的并合。在第一个事件中，具有36和29个太阳质量的两个黑洞合并形成一个旋转的，相当于62个太阳质量的黑洞，这个距我们约13亿光年远的事件被称为GW150914。这一事件引起的引力波被当时新升级的aLIGO的两个探测器同时探测到——一个在华盛顿州的汉福德，另一个在路易斯安那州的利文斯顿。事实上，当信号到达天文台时，这两个探测器还在校准中。尽管如此，GW150914发出的信号如此强烈清晰，以至于通过肉眼就能以数据的形式 “看到”它，并且其统计确定性可以达到5.1σ。

被称为GW151226的节礼日事件中，所探测到的引力波也是由黑洞碰撞产生的。他们重达14和8个太阳质量，合并成一个旋转的，具有21个太阳质量的黑洞，距我们约14亿光年远。2015年10月，LIGO记录了第三个可能的事件，被称为LVT151012。虽然统计的数据还没有显著到能作为一个发现，但是LIGO团队仍然认为这个事件也是源于两个合并的黑洞。

LIGO在其四个月的观察中检测到三个事件，这不是什么特别的事。LIGO的仪器已经灵敏到能检测到其干涉仪臂之间1000个质子直径的长度变化——这是一个令人难以置信的工程壮举。

LIGO改变了我们对宇宙的看法——它的观测成为了引力波和黑洞存在的第一个直接证据。此外，在两个事件中合并的恒星质量黑洞不符合我们目前对黑洞的理解。天文学家原本认为，这样的双星根本不会形成，就算可以形成，它们之间离得也太远以至于不能合并。LIGO的合作者也认为第一次检测到的信号应该是来自于更罕见的双中子星合并，而不是黑洞的结合。但最近的发现中的数据表明，双黑洞合并的速度可能高于之前的预期。

接下来是其余的九个突破，排名没有先后之分。

同时存在于两个盒子中的“薛定谔的猫”

美国耶鲁大学的王晨、罗伯特·舍尔科普夫（Robert Schoelkopf）团队，与法国国家信息与自动化研究所共同创造了一只可以同时存在于两个不同的箱子里既死又活的“薛定谔的猫”。薛定谔的猫已经成为量子力学悖论的标志，而在这项新技术中，装着这只“薛定谔的猫”的“盒子”是两个纠缠的微波腔，“猫”由存在于每个空腔中的光子集合表示。这些集合可能是两种量子态（代表“活着”或“死亡”）之一，而实验团队成功使整个系统进入一种状态，即直到测量之前，两个“箱子”里的“猫”都处于既死又活的状态。这一工作不仅以新奇的手段实现了同时存在于两个箱子中的薛定谔的猫，也提供了一种利用纠错协议存储量子信息的新方法。

来自慕尼黑大学、GSI亥姆霍兹重离子研究中心、美因茨亥姆霍兹研究所以及古腾堡大学的拉尔斯·冯·德温斯（Lars von der Wense）、彼得·斯若夫（Peter Thirolf）等人探测到了钍-229原子核一种罕见的时钟跃迁。为了制造出更准确的时钟，计量学界一直在尝试将激光器锁定到罕见的低能量核跃迁上来产生“核时钟”。因为原子核受来自杂散电磁场的干扰影响较小，所以这样的“核时钟”原则上会比常规的原子钟更加稳定。钍-229中所预测的7.8 eV的跃迁被视为理想的候选——但是物理学家们此前一直未能实际地检测到它。通过钍-229原子和离子实验，研究小组表明这样的跃迁确实存在，其能量处在6.3~18.3eV之间。研究人员下一步的目标是改进测量方法，使得能量可以达到毫电子伏特的精度。如果成功，就可以用激光光谱学来研究该跃迁现象了。

新型重力仪

格拉斯哥大学的吉尔斯·哈蒙德（Giles Hammond）和他的同事们研发了一种既廉价又小型的高灵敏度重力仪。这种小型设备可以对地球重力进行非常精确的测量，并可以配备到无人机飞行器或多传感器阵列中，以执行包括矿物勘探、土木工程和火山监测的一系列任务。虽然这个重力仪不如目前最好的传感器那么灵敏，但是它的生产成本只有目前设备的1000分之一，并且明显地比它们更小且更轻。 该设备的核心是“标准质量”（proof mass），它是位于两个柔性支柱顶部的约10mm长的硅片。它的质量、抗压构建和框架都使用标准的半导体制造工艺制造。

哥伦比亚大学、弗吉尼亚大学、康奈尔大学、日本国家材料科学研究所、沈阳材料科学国家实验室和IBM的科里·迪安（Cory Dean）、阿维克·高什（Avik Ghosh）等人测量到了石墨烯中电子的负折射。一些人工超材料具有负折射的性质，可以用于制造如理想透镜之类的新型光学器件。材料中的电子可以表现为波的形式，所以负折射也应当发生在n型和p型半导体（p-n结）之间的界面处。科学家们已经证明了不可能在普通半导体中看到这种现象，因为在p-n结处，大多数电子会被反射。 迪安和他的同事们在石墨烯中构造出了p-n结，并确保其界面足够平滑，以最小化反射现象，来允许他们测量电子的负折射。负折射可以用于将发散的电子束集中到一个点上，这是制造低耗能的电子开关的基础。

美丽新世界：艺术家对比邻星的设想

 “淡红斑点”团队在离太阳系最近的恒星——比邻星的宜居带中发现了一颗岩石行星的明确证据。这颗系外行星被称为比邻星b，质量约为地球的1.3倍，因此很可能是一个具有岩石表面的类地行星。它处于比邻星的宜居带内，这意味着，理论上其表面可以存在液态水，甚至可能有大气层。比邻星是一颗红矮星，距离太阳只有4.2光年。虽然比邻星b表面的紫外线和X射线照射可能比地球更强，但研究小组表示这并不排除大气层的存在的可能。他们认为，行星上是否存在液态水乃至生命，取决于它究竟是如何形成的。

牛津大学的克里斯·巴兰（Chris Ballance）和美国国家标准技术研究院的廷·雷伊·坦（Ting Rei Tan）等人成功让不同离子间发生了量子纠缠，并对其进行了测量。两个研究小组各自独立完成了这一工作，该研究或将为建造基于两种以上不同种类的离子的离子量子计算机奠定基础。在执行特定的量子计算任务时，一些离子比其他离子表现得更好，因此科学家想到，或许混合离子系统可以提高量子计算效率。牛津研究小组使相同元素的两种不同同位素离子——钙-40和钙-43发生量子纠缠，而美国国家标准技术研究院的研究小组则使用铍-9和镁-25进行量子纠缠。

小鼠胚胎的放大图

英国斯特拉思克莱德大学的盖尔·麦康奈尔（Gail McConnell）、布拉德·阿莫斯（Brad Amos）等人研发出了一个同时拥有大视场和高分辨率的新型显微镜镜头。这种镜头被称为“mesolens”，能让共焦显微镜对更大的生物样品形成3D图像，同时能显示出亚细胞级别的细节。能在单个图像中查看整个标本的功能，给很多生物学研究过程带来了便利，而且可以确保重要的细节不会被忽略掉。研究人员们利用定制的共焦显微镜的镜头对12.5天大的小鼠胚胎成像。他们能够成像单个细胞、心肌纤维，呈现亚细胞的细节，而且不只可以在样品表面成像，还可以在整个胚胎内部成像。

奥地利因斯布鲁克量子光学和量子信息研究所和因斯布鲁克大学的瑞纳·布拉特（Reiner Blatt）、彼得·佐勒（Peter Zoller）等人使用量子计算机模拟了基本粒子的相互作用。团队使用四个被捕获的离子来模拟电子－正电子对的产生和湮灭。虽然这一过程使用普通的计算机就可以很容易地计算出结果，但是离子增加到30多个的时候，即使是功能最强大的超级计算机也无法解决，不过量子计算机就可以做到。该团队已经制造出包含许多离子的系统，但进行实际模拟之前，它的性能还需要得到显著改进——这在十年内是有可能实现的。

炙热的设备：捕获钙原子的实验装置

来自德国美因茨大学的克里安·辛格（Kilian Singer）、约翰内斯·罗斯纳格尔（Johannes Rossnagel）等人制造出了基于单个原子的发动机。这是一种热力发动机，将温度差转化为机械功。研究人员将单个钙原子捕获到漏斗形捕集器中，接着使用电噪声加热原子，随着温度增加，它在径向方向上的振荡变大，使其对电位较高的区域进行采样，让粒子到达捕集器的较大的一端。通过周期性地打开和关闭电噪声，研究人员使原子在捕集器的两端之间振荡，这可以防止原子逃离捕集器——而将原子保留在捕集器中所需的能量是发动机提供的。他们的下一个研究目标是进一步冷却原子并将其更牢固地限制起来，使得它的行为更像量子波包而非经典粒子，这可能将打破热力学和量子力学研究之间的隔阂。