科技日?qǐng)?bào)訊 （記者張夢(mèng)然）英國《物理世界》雜志12月7日公布2023年度十大突破，范圍從天文學(xué)、醫(yī)學(xué)物理學(xué)研究到量子科學(xué)、原子物理學(xué)等。
在活體組織內(nèi)生長電極、“數(shù)字橋”恢復(fù)脊髓損傷患者行走兩項(xiàng)醫(yī)療相關(guān)成果入選此次榜單。瑞典科學(xué)家開發(fā)了一種直接在活體組織內(nèi)創(chuàng)建電子電路的方法，將神經(jīng)組織與電子設(shè)備連接，提供了一種研究神經(jīng)系統(tǒng)復(fù)雜電信號(hào)或調(diào)節(jié)神經(jīng)回路以治療疾病的方法。另一組瑞士研究團(tuán)隊(duì)在患者大腦和脊髓之間開發(fā)了一座“數(shù)字橋梁”，脊髓損傷的患者在植入手術(shù)后，重新獲得對(duì)腿部運(yùn)動(dòng)的直接控制。
基礎(chǔ)物理方面，中微子探測(cè)質(zhì)子結(jié)構(gòu)、反物質(zhì)的重力探索、時(shí)間的雙縫演示成果入選。美國和加拿大團(tuán)隊(duì)展示了如何從塑料靶散射的中微子中，收集有關(guān)質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，進(jìn)一步闡明中微子如何與物質(zhì)相互作用。歐核中心的ALPHA-g實(shí)驗(yàn)則首次直接觀察到反氫原子對(duì)重力的反應(yīng)與物質(zhì)大致相同，為標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新物理學(xué)打開了大門。英國團(tuán)隊(duì)演示了楊氏雙縫時(shí)間干涉，可應(yīng)用于信號(hào)處理和通信或光計(jì)算的光開關(guān)。
天文學(xué)研究中，在玻色—愛因斯坦凝聚體（BEC）中模擬膨脹宇宙、早期星系改變宇宙“鐵證”入選。德國、西班牙和比利時(shí)團(tuán)隊(duì)使用BEC模擬了膨脹的宇宙及其內(nèi)部的量子場(chǎng)，讓人們了解真實(shí)的宇宙是如何變成今天的樣子的。另一組科學(xué)家利用詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡找到了令人信服的證據(jù)，證明早期星系導(dǎo)致了早期宇宙的再電離。
材料學(xué)領(lǐng)域，首個(gè)原子X射線圖像、材料中的超音速裂紋入選。美國團(tuán)隊(duì)利用同步加速器X射線對(duì)單個(gè)原子進(jìn)行成像，能探測(cè)到極低水平的有毒物質(zhì)。以色列團(tuán)隊(duì)則發(fā)現(xiàn)某些材料中的裂紋傳播速度可超過聲速，這一結(jié)果與之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和基于經(jīng)典理論的預(yù)測(cè)相矛盾。
此外，大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建模塊亦入選。奧地利和法國團(tuán)隊(duì)建造了一個(gè)量子中繼器，并使用它通過標(biāo)準(zhǔn)電信光纖在50公里的距離上傳輸量子信息，從而展示了所有單個(gè)系統(tǒng)中長距離量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵功能。
《Physics World》很高興地公布 2023 年年度十大突破，范圍從天文學(xué)和醫(yī)學(xué)物理學(xué)研究到量子科學(xué)、原子物理學(xué)等。年度物理學(xué)界整體突破將于 12 月 14 日星期四揭曉。
這 10 項(xiàng)突破是由《物理世界》編輯小組選出的，他們篩選了今年在該網(wǎng)站上發(fā)布的數(shù)百項(xiàng)涉及物理所有領(lǐng)域的研究更新。除了已在 2023 年《物理世界》上報(bào)道外 ，入選作品還必須滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：
下面按照《物理 世界》報(bào)道的時(shí)間順序列出了 2023 年十大突破。下周回來看看哪一個(gè)贏得了年度物理學(xué)世界突破獎(jiǎng)。
復(fù)雜的混合物正在微制造電路上測(cè)試可注射凝膠。（由托爾·巴爾赫德提供）
感謝Xenofon Strakosas、Hanne Biesmans、Magnus Berggren以及林雪平大學(xué)、隆德大學(xué)和哥德堡大學(xué)的同事開發(fā)了一種直接在活體組織內(nèi)創(chuàng)建電子電路的方法。將神經(jīng)組織與電子器件連接提供了一種研究神經(jīng)系統(tǒng)復(fù)雜電信號(hào)或調(diào)節(jié)神經(jīng)回路以治療疾病的方法。然而，剛性電子設(shè)備和軟組織之間的不匹配可能會(huì)損害脆弱的生命系統(tǒng)。相反，該團(tuán)隊(duì)使用可注射凝膠直接在體內(nèi)創(chuàng)建軟電極。注射到活體組織后，凝膠中的酶分解體內(nèi)的內(nèi)源代謝物，從而引發(fā)凝膠中有機(jī)單體的酶聚合，將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、柔軟的導(dǎo)電電極。研究人員通過將凝膠注射到斑馬魚和藥用水蛭中來驗(yàn)證這一過程，凝膠在斑馬魚和藥用水蛭中聚合并在組織內(nèi)生長電極。
致美國羅切斯特大學(xué)和加拿大約克大學(xué)的蔡特金，以及費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室MINERvA的同事實(shí)驗(yàn)展示如何從塑料靶散射的中微子中收集有關(guān)質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。中微子是亞原子粒子，以很少與物質(zhì)相互作用而聞名。因此，當(dāng)博士后研究員蔡提出可以觀察到塑料中質(zhì)子偶爾散射的中微子時(shí)，人們產(chǎn)生了懷疑。該團(tuán)隊(duì)面臨的巨大挑戰(zhàn)是在更大的中微子背景下觀察從孤立質(zhì)子（氫核）散射的中微子信號(hào)，這些中微子從束縛在碳原子核中的質(zhì)子散射。為了解決這個(gè)問題，他們模擬了碳散射信號(hào)，并小心地將其從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中減去。除了提供對(duì)質(zhì)子結(jié)構(gòu)的見解之外，
致德國海德堡大學(xué)的 Celia Viermann 和Markus Oberthaler以及Stefan Floerchinger德國耶拿大學(xué)以及西班牙馬德里康普頓斯大學(xué)、德國波鴻魯爾大學(xué)和比利時(shí)布魯塞爾自由大學(xué)的同事使用玻色-愛因斯坦凝聚態(tài) (BEC) 來模擬膨脹的宇宙其中的量子場(chǎng)。在這個(gè)模擬系統(tǒng)中，凝聚態(tài)代表了宇宙，而穿過凝聚態(tài)的聲子則扮演了量子場(chǎng)的角色。通過改變 BEC 中原子的散射長度，研究小組使“宇宙”以不同的速率膨脹，并研究了聲子如何在其中傳播密度波動(dòng)。宇宙學(xué)理論預(yù)測(cè)，類似的效應(yīng)導(dǎo)致了早期宇宙中大規(guī)模結(jié)構(gòu)的形成，因此模擬的宇宙可能會(huì)產(chǎn)生有價(jià)值的見解，讓我們了解真實(shí)的宇宙是如何變成今天的樣子的。
致倫敦帝國理工學(xué)院的Romain Tirole和Riccardo Sapienz及其同事演示了楊氏雙縫時(shí)間干涉。托馬斯·楊(Thomas Young) 19 世紀(jì)對(duì)光波干涉的觀察是物理學(xué)史上最具標(biāo)志性的實(shí)驗(yàn)之一，為光的波動(dòng)理論提供了基礎(chǔ)支持。雖然該實(shí)驗(yàn)和其他類似實(shí)驗(yàn)涉及光通過空間中的一對(duì)窄縫的衍射，但英國和其他地方的研究人員表明，使用雙縫在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)等效效果是可能的。時(shí)間模擬涉及固定動(dòng)量但變化的頻率。一種材料中，兩條狹縫迅速出現(xiàn)，然后一個(gè)接一個(gè)地消失，應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致入射波在空間中保持其路徑，但在頻率上擴(kuò)散。研究人員通過快速連續(xù)兩次打開和關(guān)閉半導(dǎo)體鏡的反射率并沿著從鏡反射的光的頻譜記錄干涉條紋來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。他們發(fā)現(xiàn)干擾發(fā)生在不同頻率的波之間，而不是不同的空間位置之間。這項(xiàng)工作可能有多種應(yīng)用，例如用于信號(hào)處理和通信或光計(jì)算的光開關(guān)。
恢復(fù)控制大腦和脊髓之間的數(shù)字橋梁幫助癱瘓者自然行走。（由 CHUV/吉爾斯·韋伯提供）
感謝洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 的Grégoire Courtine 、洛桑大學(xué)醫(yī)院和 EPFL 的Jocelyne Bloch 、 CEA-Leti's Clinatec 的Guillaume Charvet以及同事們?cè)诖竽X和脊髓之間建立了一座“數(shù)字橋梁”這使得癱瘓的人能夠自然站立和行走。脊髓損傷會(huì)斷開大腦和負(fù)責(zé)行走的脊髓區(qū)域之間的通訊，從而導(dǎo)致永久性癱瘓。為了恢復(fù)這種通信，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種腦-脊柱接口，包括兩個(gè)可植入系統(tǒng)：一個(gè)用于記錄皮質(zhì)活動(dòng)并解碼用戶移動(dòng)下肢的意圖；另一個(gè)用于記錄大腦活動(dòng)并解碼用戶移動(dòng)下肢的意圖。另一個(gè)用于電刺激控制腿部運(yùn)動(dòng)的脊髓區(qū)域。該團(tuán)隊(duì)在一名 38 歲的男子身上測(cè)試了該系統(tǒng)，該男子 10 年前因自行車事故造成脊髓損傷。植入手術(shù)后，這座橋使參與者能夠重新獲得對(duì)腿部運(yùn)動(dòng)的直觀控制，使他能夠站立、行走、爬樓梯和穿越復(fù)雜的地形。
致本·蘭寧以及奧地利因斯布魯克大學(xué)和法國巴黎薩克雷大學(xué)的同事建造了一個(gè)量子中繼器，并使用它通過標(biāo)準(zhǔn)電信光纖在 50 公里的距離上傳輸量子信息，從而展示了量子中繼器的所有關(guān)鍵功能單個(gè)系統(tǒng)中的長距離量子網(wǎng)絡(luò)。該團(tuán)隊(duì)利用一對(duì)被捕獲的鈣 40 離子創(chuàng)建了量子中繼器，這些離子在受到激光脈沖照射后會(huì)發(fā)射光子。這些光子中的每一個(gè)都與其“母”離子糾纏在一起，然后被轉(zhuǎn)換為電信波長并沿著單獨(dú)的 25 公里長的光纖發(fā)送。最后，中繼器交換兩個(gè)離子上的糾纏，使兩個(gè)糾纏光子相距 50 公里——大約是創(chuàng)建具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)所需的距離。
美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的Saw Wai Hla和Volker Rose及其同事利用同步加速器 X 射線對(duì)單個(gè)原子進(jìn)行成像。直到最近，使用同步加速器 X 射線掃描隧道顯微鏡可以分析的最小樣本量為阿克，約為 10,000 個(gè)原子。這是因?yàn)閱蝹€(gè)原子產(chǎn)生的 X 射線信號(hào)極其微弱，傳統(tǒng)探測(cè)器的靈敏度不足以檢測(cè)到它。為了解決這個(gè)問題，該團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)的 X 射線探測(cè)器上添加了一個(gè)鋒利的金屬尖端，該探測(cè)器放置在待研究樣品上方僅 1 nm 處。當(dāng)尖銳的尖端在樣品表面移動(dòng)時(shí)，電子穿過尖端和樣品之間的空間，產(chǎn)生電流，這本質(zhì)上檢測(cè)到每個(gè)元素獨(dú)特的“指紋”。這使得該團(tuán)隊(duì)能夠?qū)呙杷淼里@微鏡的超高空間分辨率與強(qiáng) X 射線照明提供的化學(xué)靈敏度結(jié)合起來。
前往艾格峰合作使用詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡 (JWST) 找到了令人信服的證據(jù)，證明早期星系導(dǎo)致了早期宇宙的再電離。再電離發(fā)生在大爆炸后約 10 億年，涉及氫氣的電離。這使得原本被氫吸收的光能夠傳播到今天的望遠(yuǎn)鏡。再電離似乎是隨著局部氣泡的生長和合并而開始的。這些氣泡可能是由輻射源產(chǎn)生的，一種可能性是它來自星系中的恒星。艾格峰研究人員使用 JWST 的近紅外相機(jī)來觀察穿過電離氣泡的古代類星體發(fā)出的光。他們發(fā)現(xiàn)星系位置和氣泡之間存在相關(guān)性，
感謝以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)的Meng Wang、Songlin Shi 和Jay Fineberg ，他們發(fā)現(xiàn)某些材料中的裂紋傳播速度可以超過聲速。這一結(jié)果與之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和基于經(jīng)典理論的預(yù)測(cè)相矛盾，經(jīng)典理論認(rèn)為超音速裂紋擴(kuò)展是不可能的，因?yàn)椴牧现械穆曀俜从沉藱C(jī)械能穿過材料的速度。該團(tuán)隊(duì)的觀察結(jié)果可能表明存在所謂的“超剪切”動(dòng)力學(xué)，其受不同于引導(dǎo)經(jīng)典裂縫的原理的控制，正如美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的邁克爾·馬德(Michael Marder) 近 20 年前所預(yù)測(cè)的那樣。
向下：ALPHA-g 的筒狀閃爍體正在歐洲核子研究中心組裝。（由歐洲核子研究組織提供）
前往ALPHA 合作以證明反物質(zhì)對(duì)引力的反應(yīng)與物質(zhì)的反應(yīng)方式大致相同。物理學(xué)家利用 CERN 的 ALPHA-g 實(shí)驗(yàn)首次直接觀察到自由落體的反物質(zhì)原子——反氫原子，由與反電子結(jié)合的反質(zhì)子組成。這是在一個(gè)高的圓柱形真空室中完成的，其中反氫首先被保存在磁阱中。反氫從陷阱中釋放出來并在室壁上湮滅。研究小組發(fā)現(xiàn)，釋放點(diǎn)下方發(fā)生的湮滅事件多于釋放點(diǎn)上方發(fā)生的事件。在考慮了反氫的熱運(yùn)動(dòng)后，研究小組得出結(jié)論，反物質(zhì)會(huì)下落。令人著迷的是，反氫因重力而產(chǎn)生的加速度約為正常物質(zhì)所經(jīng)歷的加速度的 75%。盡管該測(cè)量的統(tǒng)計(jì)顯著性較低，
今年的前十名中，值得一提的是在美國造價(jià) 35 億美元的國家點(diǎn)火裝置(NIF) 工作的物理學(xué)家，他們?nèi)ツ昴甑自谖覀冞x出 2022 年獲獎(jiǎng)?wù)吆笤谠搶?shí)驗(yàn)室進(jìn)行了工作（因此錯(cuò)過了也是我們 2023 年突破性的選擇）。2022 年 12 月 13 日，該實(shí)驗(yàn)室宣布，受控核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量超過了反應(yīng)所需的能量。2022 年 12 月 5 日進(jìn)行的激光射擊從含有兩種氫同位素的微小顆粒中釋放了 315 萬焦耳 (MJ) 的能量，而這些激光傳遞到目標(biāo)的能量為 2.05 MJ。這次凈能量增益的演示標(biāo)志著激光聚變的一個(gè)重要里程碑。
1901年至2023年間，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)共授予225位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者117次。約翰·巴丁是唯一一位曾于1956年和1972年兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得者。這意味著共有224人獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。曾獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。單擊鏈接以獲取更多信息。
