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LHCb(“大型強子對撞機的美麗”,Large Hadron Collider beauty)宣稱發現兩個五誇克態。獎給歐洲核子研究組織(CERN)的LHCb協作組,他們表明五個誇克可以在被稱為五誇克態的粒子中被束縛在一起。五誇克態的存在是在1970年代被首次預言的,在21世紀是爭議的對象。今年,當兩個質量約為4400 MeV/c2的五誇克態從大型強子對撞機的質子碰撞中湧現出來時,這個問題終於解決了。兩個信號的統計顯著度都超過9σ,遠高於粒子物理中確認一個發現的黃金標準5σ。註釋:質子和中子這樣的重子是由三個誇克組成的,在重子之間傳遞相互作用的介子是由兩個誇克組成的。誇克從來不會單獨出現,因為把兩個誇克分開時要耗費的能量太大,超過誇克質量對應的能量,於是會產生新的誇克。那麼有沒有多於三個誇克組成的粒子呢?理論預測了四個和五個誇克組成的粒子,但一直沒有被證實。現在終於發現了五誇克態,可喜可賀。
硫化氫在203 K下是超導溫度最高的超導體。獎給馬克斯·普朗克化學研究所和約翰尼斯·古騰堡大學(都位於德國美因茨)的Mikhail Eremets和同事們,他們發現了第一種在地球表面能自然出現的溫度下超導的材料。該團隊發現,150萬個大氣壓的極端壓強下的硫化氫直到203 K都是超導體,這個溫度比南極洲記錄到的最低溫度要高19K。雖然還需要進一步的研究來理解為什麼這個材料會超導,這項發現可能已經為超導的聖杯即室溫超導體鋪平了道路。註釋:超導體就是電阻為零的材料,在其中傳輸的電流永遠不會衰減,有許多奇妙的應用前景。然而到目前為止,超導都只能在很低的溫度下實現,能超過液氮溫度(77 K,即零下196攝氏度)就算“高溫超導”了。這項工作一下子把超導溫度提高了幾十度,甚至都超過了地球表面的最低溫度,這是個重要的裏程碑。當然離實用還很遠,因為150萬大氣壓的壓強是個嚴重障礙。2014年,吉林大學的馬琰銘和崔田兩個研究組各自通過理論計算預測了硫化氫的超導性,馬琰銘等人預測H2S在160 GPa的壓強下(1 GPa約等於1萬大氣壓)超導溫度為80 K,崔田等人預測H3S(H2S與H2的復合物)在200 GPa下超導溫度在191 K至204 K之間。Eremets等人大幅引用和致謝了崔田和馬琰銘的結果,參見知社學術圈的《Nature: 中國學者預測的203K超導體被實驗證實 | 顛覆所有極限!》和《關於中國學者預測203K超導體被實驗證實的補充說明》。中國科學家對這項發現也有重要貢獻,不過由於所用的理論是傳統的BCS超導理論,計算的難度並不很大,而實驗的難度要大得多,所以實驗家的榮譽高於理論家的榮譽。
便攜式“戰地磁共振影像(MRI)系統”走出實驗室。獎給美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Michelle Espy和同事們,他們造出了實用的、便攜的、超低磁場的MRI系統。與傳統的用超導線圈產生很強磁場的MRI系統(註釋:看,這就是超導的用途之一)不同,新系統所用的磁場要弱得多,從遠方產生這種磁場就容易多了。然而這意味著該系統必須能夠探測弱得多的信號,這一點它是用超導量子干涉儀(SQUID)來實現的(註釋:避開了超導的一種用途,又用到超導的另一種用途)。由於有低功耗和輕質量的優點,該團隊希望這種原型設計能夠盡快部署到發展中國家的醫療中心以及戰地醫院。按:這是十大物理學突破中唯一跟日常生活直接相關的,可能歐洲物理學會選擇它也有這方面的原因。
費米子顯微鏡露出曙光。獎給美國麻省理工大學的Lawrence Chuck、Martin Zwierlein和同事們,他們制造了第一臺“費米子顯微鏡”——一臺能夠為超冷氣體中多達1000個獨立原子成像的設備。對於理解材料中的電子如何相互作用,已經有許多重大的進展。這是通過把費米子原子冷卻到超低溫度、再用光和磁場精細調節原子間的相互作用來實現的。通過允許物理學家觀測單個費米子在氣體冷卻時的行為,費米子顯微鏡把這種方法又推進了重要的一步。這項新技術可能很快就會被研究者用於觀測原子間的磁相互作用,甚至可能被用於探測體系內的量子糾纏。註釋:這項工作的重要性,在於把觀測對象從很多原子的集合縮小到單個原子,即大大提高了分辨率。由此我們有可能觀察到很多以前想象不到的現象,以後還有可能把對單原子的觀測(只是看)升級為控制(不僅看還能動)。想想看,如果我們可以隨意觀察和操控單個原子,而且這些原子還是處於量子糾纏中的,我們能夠看到和造出多少不可思議的東西!
矽量子邏輯門是第一步。獎給澳大利亞新南威爾士大學和日本慶應義塾大學的Andrew Dzurak、Menno Veldhorst和同事們,他們造出了第一個矽的量子邏輯器件。他們的控制非(CNOT)門是量子計算機的一個基礎元件,以前是用傳統的半導體加工工藝制造的。這個器件用電子自旋來存儲量子信息,研究者們現在計劃把技術擴展到制造完全意義的量子計算機芯片。按:量子計算機在理論上對於某些問題比現在的計算機(經典計算機)快得多。例如對於因子分解,傳統算法的計算量隨位數的變化是指數增長,而量子算法只是多項式增長。分解一個5000位的數字,在原理上經典算法需要50億年的時間,量子算法只需要2分鐘。可是目前還沒有實用意義上的量子計算機,原因之一就是用的材料都不是矽,量子信息只能用矽之外的光子、離子阱、核磁共振等方式來儲存。現在可以用矽來儲存與操作量子信息,半個多世紀以來半導體技術的豐富積累就有可能用上,大大促進量子計算機的發展。
介紹完十大物理學突破,我們來統計一下有哪些國家出鏡,各國參與了多少項工作。中國獨占一項(榜首的多自由度量子隱形傳態),分享一項(外爾費米子)。美國獨占三項(單電子同步輻射、便攜式MRI和費米子顯微鏡),分享一項(外爾費米子)。荷蘭獨占一項(無漏洞的貝爾實驗)。德國獨占一項(硫化氫的203 K超導),對此中國科學家做了理論預測。澳大利亞和日本分享一項(矽量子邏輯門),這一項有點奇怪,Andrew Dzurak和Menno Veldhorst的名字看起來都不像日本人,可能以澳大利亞的貢獻為主。葡萄牙領銜,和法國、瑞士、智利分享一項(系外行星的光)。歐洲作為整體,有CERN發現的一項(五誇克態)。
按照這個統計,美國共有四項,整體實力是最雄厚的。中國有兩項,包括榜首,整體僅次於美國,並且在局部占據制高點。中國的科技正處於爆炸式發展之中,潛力最大,前途不可限量。本文中提到的潘建偉、陸朝陽、方忠、翁紅明、戴希、馬琰銘和崔田分別出生於1970年、1982年、1970年、1977年、1971年、1972年和1964年,年富力強,充滿朝氣,他們是中國科技井噴的縮影。歐洲各國加起來共有四項,作為整體仍然是科學中心之一,但由於政治的碎片化,單獨一國都不如中美兩個超級大國。澳大利亞、日本和智利是中美歐之外僅有的上榜國家,而且只有一項成果是中美歐都未參與的。可以認為,美國、歐洲和中國是目前的三大科學中心。如果把中國擴大到東亞,把日本、韓國甚至澳大利亞都包括進去,那就更是鐵板釘釘了。這三大地區之外的國家,如俄羅斯、巴西、印度、印尼,在世界科學版圖上都處於邊緣地位。
中國科學界在2015年收獲了屠呦呦的自然科學諾貝爾獎、科大團隊的國際物理學年度突破,2015年必將作為嶄露頭角的一年被歷史銘記。對中國的科學工作者、科普工作者和愛好科學的公眾來說,這是最好的時代。對喋喋不休中國人不會創新、永遠沒希望的逆向民族主義分子來說,這是最壞的時代,我們對他們的無知和偏執感到可憐。
最大的幸福屬於年輕學子,你們的面前有嶄新的世界,無限的希望!
作者簡介:袁嵐峰,中國科學技術大學化學博士,中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室副研究員,風雲學會會長,微博@中科大胡不歸 。致謝:感謝風雲學會研究員郭曉明博士(@西西河氏唵啊吽 )、陳經等人提出的寶貴意見。
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