《物理世界》发布2011十大突破性物理成果

1、物理世界发布 2011 十大突破性物理成果导言：占据 2011 各大业内媒体头条的两个重要的物理学话题是问题，而不是切实的科学结论，即“中微子比光更快吗？”和“我们是否已经找到了希格斯玻色子”。除此之外，过去 12 个月中我们还有其他一些奇妙而令人欣慰的研究，这使得我们物理世界 2011 的最具突破性成果的评选变得困难。作者 Hamish Johnston 是 的编辑占据 2011 各大业内媒体头条的两个重要的物理学话题是问题，而不是切实的科学结论，即“中微子比光更快吗？”和“我们是否已经找到了希格斯玻色子”。除此之外，过去 12 个月中我们还有其他一些奇妙而令人欣慰的研究，这使得我们物理世界

2、 2011 的最具突破性成果的评选变得困难。物理世界编辑组在经过一番争论后，本年度的这一荣誉的最高奖项落到了 AephraimSteinberg 及其同事的身上。AephraimSteinberg 来自加拿大多伦多大学，这个研究团队的实验影响到了量子力学的基础。他们使用一种称为“弱测量”的新兴技术首次跟踪了单个光子通过杨氏双缝的平均行程。针对这一结果，Steinberg 说物理学家们需要好好“洗脑”以更加大胆地思考问题。我们也选出了排名第 2 到第 10 的成果（如下）。今年冠亚军之间的重要性程度相当接近，因为第二名的研究也涉及到弱测量，该研究将一些光子的波函数进行了映射。但是我们认为 Ste

3、inberg 的研究更胜一筹。榜单中的其他突破包括第一件“时空”斗篷，活细胞产生的激光，以及一种测量宇宙尺度的新方法。第一名：改变量子力学的一般准则Steinberg 的研究最后胜出是因为他们的发现对目前被普遍接受的观点形成了挑战，此观点认为：当光子穿越两个相距极近的狭缝形成干涉图样时，量子力学“禁止”我们了解各个光子的行程。如果我们将光视作电磁波，出现此干涉是理所应当的。但量子力学将光作为粒子加以考虑虽然这会出现古怪的后果：如果我们确定了单个光子穿越了哪个狭缝，干涉图样将消失。通过弱测量，Steinberg 及其同事能够在保留干涉图样的前提下获得一些光子经过的行程的信息。在实验中，双缝被分光

4、器和一对光导纤维所取代。一个单独的光子撞击在分光器上，然后进入左侧或右侧的光纤。在从平行光纤的放置得很近的末端飞出后，在检测器屏幕上创造出干涉图样。弱测量过程需要使飞出的光子穿过一块方解石，从而使光子产生轻微的偏振旋转。旋转的大小取决于光子行进的方向，换句话说，光子的动量。然后光子根据在屏幕上的撞击位置被“后选择”，这使得研究人员可以确定到达此处的光子的平均行进方向。此实验表明，（举例来说）衍射图样右侧检测到的一个光子，更有可能是从右侧光纤（而不是左侧光纤）飞出。此推断不违反量子力学的原则，Steinberg 说：“在以前，物理学家会认为在检测到光子之前询问其具体位置是不妥当的。一点一滴的，人

5、们开始询问以往被视作禁忌的问题。”他还认为，自己的团队完成的实验将推动物理学家观念的转变。第二名：测量波函数第二名的研究来自另一个提出了“禁忌问题”的团队。加拿大渥太华国家研究委员会一个由Jeff Lundeen（Steinberg曾经的同事）领导的团队使用弱测量映射了一组具有相同状态的光子的波函数，实验过程没有摧毁光子。与之相对，量子层析可以在损坏状态的条件下映射波函数。此技术增进了我们对量子力学的基本法则的理解，并且在不能使用层析方法的情况下能大派用场。第三名：时空斗篷排在第三位的是两个团队一个团队来自美国的康奈尔大学，由 AlexanderGaeta 领导，另一个团队来自伦敦帝国理工学院

6、，由 MartinMcCall 领导。在 2011 年初，McCall 的团队发表了一篇文章，对如何将发生在时空中的事件加以遮盖进行了理论分析，之后不久他又以物理世界的风格进行了专门阐述。数月后，Gaeta 及其同事设计了一种使用两个“分时透镜”的装置来实现上述过程。除了改变了我们对能够遮盖和不能遮盖的事物的看法外，时空斗篷当然也可以用于完美的银行劫案，至少在理论上如此。第四名：使用黑洞测量宇宙榜单的第四名要授予丹麦哥本哈根大学的 DarachWatson 和他的同事，以及澳大利亚的昆士兰大学。他们设计了一种方法，可通过使用特大质量的黑洞（能量活跃的星系核心，AGN）作为烛光，来对宇宙尺度进行

7、精确测量。这项工作的重要意义在于，宇宙中的AGN 随处可见，与当前使用超新星作为标准烛光的方法不同，AGN 发出的光持续时间更长。第五名：变暗为光瑞典查尔姆斯理工大学的 Christopher Wilson 及 其同事，与日本、澳大利亚及美国的物理学家一起获得我们评选的第五名，因为他们首次在实验室中观察到了动态卡西米尔效应。此效应是指当有镜子在真空中快速移动时，成对的虚光子（始终在不断产生和湮灭）会被分离并释放出能被检测到的真实光子。这一成果除了让我们对卡西米尔效应有了进一步的认识之外，研究团队 将超导量子干涉仪(SQUID) 用作镜子的方法也为类似实验提供了新鲜思路。第六名：测量宇宙早期的温

8、度大爆炸刚刚结束后，宇宙是一碗自由夸克和胶子搅在一起的浓汤，这些粒子结合在一起，最终形成了我们今天所知的质子和中子。获得第六名的是由美国、印度和中国的物理学家组成的团队，他们算出了迄今为止最精确的凝聚温度：两万亿开氏度（2×1012）。这一成果除了为我们提供了早期宇宙的重要信息外，也加深了我们对量子色动力学的理解（量子色动力学主要研究质子中子和其他强子的特性）。第七名：捕捉中微子震荡的“味道”第七名颁给在日本进行东海-神冈实验的国际物理团队。研究人员在地下300km的地方将一束介子中微子轰击到检测器上，结果发现有6个中微子发生了改变，或称为发生“振荡”，转变成了电子中微子。这一测量结

9、果不足以表明已经发现了“介子-电子”中微子振荡，但可以证明一种“味道”的中微子会振荡为另一种。第八名：活体激光这是一项神奇的生物物理学成果：美国哈佛医学院的 MalteGather和 Seok Hyun Yun 因首次使用活体生物细胞生成激光而共获第八名。通过将蓝色强光照射到胚胎肾脏细胞的绿色荧光蛋白分子上，该分子生成了单色且方向性很好的强光。该细胞在实验后仍然存活，这一令人惊奇的现象有望用于癌细胞和健康细胞的辨别。第九名：在单块芯片上制成量子计算机第九名要颁给加州大学圣巴巴拉分校的 MatteoMariantoni 和他的同事，他们首次在PC上实现了“冯·诺依曼”结构的量子化版本。基于超导线圈和单芯片的整合结构，此新式设备能够执行两个重要的量子运算算法。这一成果使我们向制造出能够解决实际问题的量子计算机的最终目标又迈进了一步。第十名：发现大爆炸的纯粹残骸加州大学的 MicheleFumagalli 和 Xavier Prochaska，佛蒙特州圣麦克大学的