公共基礎知識（綜合知識）

 

    英國物理學會旗下的《物理世界》（Physics World）雜志每年都會評選本年度的十大物理學突破，2016年物理學領域的新進展，你都知道嗎？

 

 

    在阿爾伯特·愛因斯坦第一次提出廣義相對論假設的整100年后，美國LIGO科學合作組織利用先進激光干涉引力波天文臺（advanced LIGO，簡稱aLIGO）探測到了兩個獨立的引力波事件，成為2016年最轟動的科學大事件。2015年9月14日，就在先進LIGO還處于試運行的階段，科學家們探測到了第一個引力波事件，并于今年2月發表結果。第二組引力波在2015年12月26日通過了LIGO的探測器，大家稱它為“節禮日事件”，并在今年6月發表結果。引力波是時空的連漪--為了尋找它，科學家已經進行了長達數十年的觀測。

 

    這些測量意味著引力波真正成為了能夠探測天文事件的手段，標志著引力波天文學和光學、射電望遠鏡與引力波相結合的多信號天文學時代的開啟。不久以后，全球其他地區的引力波探測器也將完成，將與LIGO的雙探測器一道形成全球引力波探測器系統。

 

    引力波的的兩個事件都是由遙遠宇宙的災難性事件引起--兩個黑洞的碰撞和最后的并合。在第一個事件中，具有36和29個太陽質量的兩個黑洞合并形成一個旋轉的，相當于62個太陽質量的黑洞，這個距我們約13億光年遠的事件被稱為GW150914。這一事件引起的引力波被當時新升級的aLIGO的兩個探測器同時探測到--一個在華盛頓州的漢福德，另一個在路易斯安那州的利文斯頓。事實上，當信號到達天文臺時，這兩個探測器還在校準中。盡管如此，GW150914發出的信號如此強烈清晰，以至于通過肉眼就能以數據的形式 “看到”它，并且其統計確定性可以達到5.1σ。

 

    被稱為GW151226的節禮日事件中，所探測到的引力波也是由黑洞碰撞產生的。他們重達14和8個太陽質量，合并成一個旋轉的，具有21個太陽質量的黑洞，距我們約14億光年遠。2015年10月，LIGO記錄了第三個可能的事件，被稱為LVT151012。雖然統計的數據還沒有顯著到能作為一個發現，但是LIGO團隊仍然認為這個事件也是源于兩個合并的黑洞。

 

    LIGO在其四個月的觀察中檢測到三個事件，這不是什么特別的事。LIGO的儀器已經靈敏到能檢測到其干涉儀臂之間1000個質子直徑的長度變化--這是一個令人難以置信的工程壯舉。

 

    LIGO改變了我們對宇宙的看法--它的觀測成為了引力波和黑洞存在的第一個直接證據。此外，在兩個事件中合并的恒星質量黑洞不符合我們目前對黑洞的理解。天文學家原本認為，這樣的雙星根本不會形成，就算可以形成，它們之間離得也太遠以至于不能合并。LIGO的合作者也認為第一次檢測到的信號應該是來自于更罕見的雙中子星合并，而不是黑洞的結合。但最近的發現中的數據表明，雙黑洞合并的速度可能高于之前的預期。

 

 

    美國耶魯大學的王晨、羅伯特·舍爾科普夫（Robert Schoelkopf）團隊，與法國國家信息與自動化研究所共同創造了一只可以同時存在于兩個不同的箱子里既死又活的“薛定諤的貓”。薛定諤的貓已經成為量子力學悖論的標志，而在這項新技術中，裝著這只“薛定諤的貓”的“盒子”是兩個糾纏的微波腔，“貓”由存在于每個空腔中的光子集合表示。這些集合可能是兩種量子態（代表“活著”或“死亡”）之一，而實驗團隊成功使整個系統進入一種狀態，即直到測量之前，兩個“箱子”里的“貓”都處于既死又活的狀態。這一工作不僅以新奇的手段實現了同時存在于兩個箱子中的薛定諤的貓，也提供了一種利用糾錯協議存儲量子信息的新方法。

 

 

    來自慕尼黑大學、GSI亥姆霍茲重離子研究中心、美因茨亥姆霍茲研究所以及古騰堡大學的拉爾斯·馮·德溫斯（Lars von der Wense）、彼得·斯若夫（Peter Thirolf）等人探測到了釷-229原子核一種罕見的時鐘躍遷。為了制造出更準確的時鐘，計量學界一直在嘗試將激光器鎖定到罕見的低能量核躍遷上來產生“核時鐘”。因為原子核受來自雜散電磁場的干擾影響較小，所以這樣的“核時鐘”原則上會比常規的原子鐘更加穩定。釷-229中所預測的7.8 eV的躍遷被視為理想的候選--但是物理學家們此前一直未能實際地檢測到它。通過釷-229原子和離子實驗，研究小組表明這樣的躍遷確實存在，其能量處在6.3~18.3eV之間。研究人員下一步的目標是改進測量方法，使得能量可以達到毫電子伏特的精度。如果成功，就可以用激光光譜學來研究該躍遷現象了。

 

 

    格拉斯哥大學的吉爾斯·哈蒙德（Giles Hammond）和他的同事們研發了一種既廉價又小型的高靈敏度重力儀。這種小型設備可以對地球重力進行非常精確的測量，并可以配備到無人機飛行器或多傳感器陣列中，以執行包括礦物勘探、土木工程和火山監測的一系列任務。雖然這個重力儀不如目前最好的傳感器那么靈敏，但是它的生產成本只有目前設備的1000分之一，并且明顯地比它們更小且更輕。該設備的核心是“標準質量”（proof mass），它是位于兩個柔性支柱頂部的約10mm長的硅片。它的質量、抗壓構建和框架都使用標準的半導體制造工藝制造。

 

 

    哥倫比亞大學、弗吉尼亞大學、康奈爾大學、日本國家材料科學研究所、沈陽材料科學國家實驗室和IBM的科里·迪安（Cory Dean）、阿維克·高什（Avik Ghosh）等人測量到了石墨烯中電子的負折射。一些人工超材料具有負折射的性質，可以用于制造如理想透鏡之類的新型光學器件。材料中的電子可以表現為波的形式，所以負折射也應當發生在n型和p型半導體（p-n結）之間的界面處。科學家們已經證明了不可能在普通半導體中看到這種現象，因為在p-n結處，大多數電子會被反射。迪安和他的同事們在石墨烯中構造出了p-n結，并確保其界面足夠平滑，以最小化反射現象，來允許他們測量電子的負折射。負折射可以用于將發散的電子束集中到一個點上，這是制造低耗能的電子開關的基礎。

 

 

    “淡紅斑點”團隊在離太陽系最近的恒星--比鄰星的宜居帶中發現了一顆巖石行星的明確證據。這顆系外行星被稱為比鄰星b，質量約為地球的1.3倍，因此很可能是一個具有巖石表面的類地行星。它處于比鄰星的宜居帶內，這意味著，理論上其表面可以存在液態水，甚至可能有大氣層。比鄰星是一顆紅矮星，距離太陽只有4.2光年。雖然比鄰星b表面的紫外線和X射線照射可能比地球更強，但研究小組表示這并不排除大氣層的存在的可能。他們認為，行星上是否存在液態水乃至生命，取決于它究竟是如何形成的。

 

 

    牛津大學的克里斯·巴蘭（Chris Ballance）和美國國家標準技術研究院的廷·雷伊·坦（Ting Rei Tan）等人成功讓不同離子間發生了量子糾纏，并對其進行了測量。兩個研究小組各自獨立完成了這一工作，該研究或將為建造基于兩種以上不同種類的離子的離子量子計算機奠定基礎。在執行特定的量子計算任務時，一些離子比其他離子表現得更好，因此科學家想到，或許混合離子系統可以提高量子計算效率。牛津研究小組使相同元素的兩種不同同位素離子--鈣-40和鈣-43發生量子糾纏，而美國國家標準技術研究院的研究小組則使用鈹-9和鎂-25進行量子糾纏。

 

 

    英國斯特拉思克萊德大學的蓋爾·麥康奈爾（Gail McConnell）、布拉德·阿莫斯（Brad Amos）等人研發出了一個同時擁有大視場和高分辨率的新型顯微鏡鏡頭。這種鏡頭被稱為“mesolens”，能讓共焦顯微鏡對更大的生物樣品形成3D圖像，同時能顯示出亞細胞級別的細節。能在單個圖像中查看整個標本的功能，給很多生物學研究過程帶來了便利，而且可以確保重要的細節不會被忽略掉。研究人員們利用定制的共焦顯微鏡的鏡頭對12.5天大的小鼠胚胎成像。他們能夠成像單個細胞、心肌纖維，呈現亞細胞的細節，而且不只可以在樣品表面成像，還可以在整個胚胎內部成像。

 

 

    奧地利因斯布魯克量子光學和量子信息研究所和因斯布魯克大學的瑞納·布拉特（Reiner Blatt）、彼得·佐勒（Peter Zoller）等人使用量子計算機模擬了基本粒子的相互作用。團隊使用四個被捕獲的離子來模擬電子－正電子對的產生和湮滅。雖然這一過程使用普通的計算機就可以很容易地計算出結果，但是離子增加到30多個的時候，即使是功能最強大的超級計算機也無法解決，不過量子計算機就可以做到。該團隊已經制造出包含許多離子的系統，但進行實際模擬之前，它的性能還需要得到顯著改進--這在十年內是有可能實現的。

 

 

    來自德國美因茨大學的克里安·辛格（Kilian Singer）、約翰內斯·羅斯納格爾（Johannes Rossnagel）等人制造出了基于單個原子的發動機。這是一種熱力發動機，將溫度差轉化為機械功。研究人員將單個鈣原子捕獲到漏斗形捕集器中，接著使用電噪聲加熱原子，隨著溫度增加，它在徑向方向上的振蕩變大，使其對電位較高的區域進行采樣，讓粒子到達捕集器的較大的一端。通過周期性地打開和關閉電噪聲，研究人員使原子在捕集器的兩端之間振蕩，這可以防止原子逃離捕集器--而將原子保留在捕集器中所需的能量是發動機提供的。他們的下一個研究目標是進一步冷卻原子并將其更牢固地限制起來，使得它的行為更像量子波包而非經典粒子，這可能將打破熱力學和量子力學研究之間的隔閡。