2023年度物理学十大突破｜《物理世界》（2020年度物理学十大突破揭晓）

《物理世界》编辑团队筛选了今年上千项发布在杂志、网站上的科学研究，最终评选出了今年十大科学突破，涉及天文学、医学物理、量子科学和原子物理等多个领域。

评选标准除了《物理世界》在2023年有过报道之外，最主要侧重三点：

1.重大科学理论进展；

2.对理论进展和/或现实应用具有重要意义的科学工作；

3.《物理世界》读者普遍很感兴趣的科学进展。

以下就是《物理世界》评选的2023年度十大突破（按在杂志网站上发布的时间排序）。

01 在活体组织中创造电极

一种复杂的结合：在微电路上测试可注射凝胶

色诺芬·斯特拉科萨斯（Xenofon Strakosas）、汉内·比斯曼斯（Hanne Biesmans）、玛格纳斯·贝里格伦（Magnus Berggren）和他们在瑞典林雪平大学、隆德大学和哥德堡大学的合作者研发了一种直接在活体组织内创造电路的方法。

将神经组织同电子设备结合起来是研究神经系统复杂电信号的一个新方向，我们也可以借助这种方式调节神经回路治疗疾病。然而，坚硬的电子设备与柔软的生物组织很容易出现错配的情况，进而破坏本就脆弱的生物系统。

为了解决这个问题，这个瑞典的科学家团队利用可注射凝胶直接在生物体内创造柔软的电极。这些凝胶注射到活体组织中后，凝胶中的酶会分解生物体内的内源性代谢物，引发凝胶中有机单体的酶聚合，从而将其转化为稳定、柔软的导电电极。

研究人员已经在斑马鱼和药用水蛭中验证了这个过程。他们把凝胶注射到这两种生物的活体组织中后，凝胶都在组织内聚合并生长成电极。

02 利用中微子研究质子结构

美国罗切斯特大学和加拿大约克大学蔡特金（Cai Tejin，音译）和他在费米实验室MINERvA小组中的合作者展示了如何从塑料靶散射的中微子中收集有关质子内部结构的信息。

中微子是一种亚原子粒子，最出名的特征就是很少与物质发生相互作用。因此，当博士后研究员蔡特金提出可以观测塑料中的原子偶尔散射出的中微子时，自然引发了不少怀疑。这个研究团队面临的一大挑战是，如何观测单个质子（氢原子核）散射的中微子的信号——要知道，这种信号淹没在束缚在碳原子核中的质子散射的庞大中微子背景中。

为了解决这个问题，研究团队模拟了碳原子散射中微子的信号，并且小心地从实验数据中减去了这些背景信号。蔡特金领导的这项研究既有助于我们深入了解质子结构，也提供了一种进一步认识中微子与物质作用方式的新技巧。

03 在玻色爱因斯坦凝聚

（BEC）中模拟宇宙膨胀

德国海德堡大学西莉亚·威尔曼（Celia Vermann）、马库斯·奥贝撒勒（Markus Oberthaler），德国耶拿大学斯特藩·弗莱尔欣格（StefanFloerchinger）和他们在西班牙马德里康普顿斯大学、德国波鸿鲁尔大学和比利时布鲁塞尔自由大学的合作者利用一种玻色爱因斯坦凝聚（BEC）系统模拟宇宙膨胀以及其中的量子场。

在这个模拟系统中，凝聚代表宇宙，而在其中穿梭的声子则扮演了量子场的角色。这个研究团队通过改变BEC中原子的散射长度使得“宇宙”按不同速率膨胀，并且研究其中声子密度涨落的变化方式。宇宙学理论预测，类似的效应正是早期宇宙中潜在大规模结构的成因。

因此，这种模拟宇宙可能会提供关于真实宇宙如何变成现在这种样子的有价值信息。

04 时间双缝

伦敦帝国学院的罗曼·蒂罗尔（Romain Tirole）和里卡多·萨皮恩扎（Riccardo Sapienza）及其合作者完成了时间维度上的杨氏双缝干涉实验。

19世纪，托马斯·杨（Thomas Young）的光波干涉实验是物理学史上最有标志性的实验之一，并且在基础层面提供了对光的波动理论的支持。杨氏双缝干涉实验以及其他类似的实验都是利用空间中的一对窄缝实现干涉，而英国等地的这些研究人员证明，完全有可能利用时间尺度上的双缝实现等价效果。

这种时间双缝实验需要固定动量、改变频率。如果在一种材料中，双缝一个接一个迅速出现又消失，就能让进入这种材料的波保持空间上的传播路径但在频率上分散出去。研究人员实现这个效果的具体方法是：快速且连续地开关两次半导体镜面的反射效应，并且沿着镜面反射的光的频率谱记录干涉图样。结果，他们看到不同频率的波（而不是空间上处于不同位置的波）之间发生了干涉。

这项研究成果有多种应用，比如用于信号处理与通信或光计算的光开关。

05 数字桥使得遭受脊髓损伤

的患者能再度自然行走

恢复控制：连接大脑和脊髓的数字桥帮助瘫痪病人重新自然行走

瑞士联邦理工学院（EPFL）的格雷戈尔·库尔蒂纳（Grégoire Courtine），EPFL、洛桑大学医院的约瑟琳·布洛赫（Jocelyne Bloch），CEA-Leti’s Clinatec的纪尧姆·夏尔维（Guillaume Charvet）以及合作者开发了一种连接大脑和脊髓的“数字桥”，使得瘫痪病人能重新站立并行走。

脊髓损伤会切断大脑与负责行走的脊髓区域之间的联系，从而导致永久瘫痪。为了恢复这种联系，这个研究团队开发了一种大脑-脊髓接口，包括两个可植入系统：一个负责记录大脑皮层活动并读出用户想要移动下肢的意图；另一个负责用电作用刺激控制腿部运动的脊髓区域。

研究人员在一名38岁男子身上测试了这个系统，这名男子10年前骑自行车时遭遇事故损伤了脊髓。完成植入手术后，数字桥使他能重新凭借直觉控制腿部运动，从而能站立、行走、爬楼梯，甚至穿越较为复杂的区域。

06 大规模量子网络的基本构件

奥地利因斯布鲁克大学本·兰扬（Ben Lanyon）以及其在本校和法国巴黎-萨克雷大学的合作者构筑了一种量子中继器，并且借助它通过标准电信光纤实现跨50千米的量子信息传输，进而实现了在单个系统中囊括长距离量子网络的所有关键功能。

这个研究团队使用一对钙40离子制造他们的量子中继器，这对钙40离子在受到激光脉冲照射后会发射光子。接着，这些光子——每一个都与其“母”离子处于纠缠状态——就被转换成电信波长并沿着互相独立的多根25千米长光纤传输出去。最后，中继器交换两个离子的纠缠状态，使得两个纠缠光子相距50千米——50千米大致就是创建具有多个节点的大规模量子网络需要的距离。

07 第一张单原子X射线图像

美国阿贡国家实验室Saw Wai Hla，沃尔克尔·罗斯（Volker Rose）及其合作者利用同步加速X射线拍摄了单个原子图像。

在此之前，使用同步加速X射线扫描隧道显微镜能够分析的最小样品尺寸是1阿克（1阿克=1*10^-21千克），也就是大约1万个原子的大小。这是因为单个原子产生的X射线信号极其微弱，传统探测器的灵敏度尚不足以探测到如此微弱的信号。

为了解决这个问题，研究团队在传统X射线探测器上增加了一个锋利的金属尖，使用时位置就在待研究的样本上方仅1纳米处。当锋利的金属尖在样本表面移动时，电子穿过金属尖与样本之间的空间，产生电流，这实质上就是检测到了每种元素独有的“指纹”。借助这项技术创新，这个研究团队得以将扫描隧道显微镜的超高空间分辨率同强X射线照明提供的化学灵敏度结合在一起。

这项技术可以在材料设计中得到应用，并且也能在环境科学中发挥作用，比如大大提升追踪有毒物质的能力——即便有毒物质浓度极低，探测装置也能发现。

08 早期星系改变宇宙的确凿证据

EIGER合作团队使用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）找到了证明早期星系引发早期宇宙再电离的有力证据。

再电离发生在大爆炸之后大约10亿年，主要是指氢气的离子化。这就使得如今的望远镜能够看到彼时氢气吸收的光。目前看来，再电离似乎发轫于局部气泡的生长及合并。这些气泡的来源则可能是各种辐射源，它们也可能来自星系中的恒星。

EIGER研究人员使用JWST的近红外照相机查看了古老类星体发出的光。这些光此前穿过了早期宇宙离子化的气泡。这些研究人员发现，星系位置与气泡之间存在关联，这意味着这些早期星系发出的光确实是再电离的成因。

09 材料中的超音速裂纹

以色列耶路撒冷希伯来大学的王萌（Meng Wang，音译）、石松林（Songlin Shi，音译）和杰伊·芬恩伯格（Jay Fineberg）发现某些材料中的裂纹可以以超过声速的速度扩散。

这个结果与此前基于经典理论的实验结果和理论预测相悖——经典理论认为，材料中的裂纹不可能以超音速扩散，因为材料中的声速反映了机械能能以多快的速度穿过这种材料。

这个研究团队的观测结果或许表明，所谓的“超剪切”动力学机制确实存在。美国得克萨斯大学奥斯汀分校的迈克尔·马尔德（Michael Marder）在近20年前提出了这种机制，其背后的物理学原理与经典裂缝背后的原理迥然不同。

10 反物质不会违反引力效应

ALPHA-g的管状闪烁体正在欧洲核子研究中心（CERN）组装

ALPHA合作组织证明反物质回应引力的方式与正常物质非常相似。物理学家使用欧洲核子研究中心（CERN）的ALPHA-g实验装置第一次直接观测到了下落中的反物质原子——由一个反质子和一个反电子构成的反氢原子。

他们在一个长长的圆柱形真空舱室中完成了实验。实验前，研究人员首先在真空舱室中把反氢原子束缚在一个磁阱中。实验开始后，磁阱释放反氢原子，并且允许它们在真空舱室壁上湮灭。

这个研究团队发现，凐灭发生的位置比施放反氢原子的位置低。即便考虑到反氢原子的热运动，还是能得出反氢原子下落的结论。有意思的是，反氢原子的引力加速度大约是正常物质的75%。

当然，这个测量结果的统计学显著性较低，但它仍然打开了标准模型之外全新物理学理论的大门。

荣誉提名 聚变能突破

在美国国家点火装置（NIF，耗资35亿美元）工作的物理学家在2022年年末成功在实验室中实现“点火”。因为当时《物理世界》已经评选出了2022年度十大科学突破，且这项成就显然无法参加今年的评选，所以《物理世界》在此授予其荣誉提名奖。

2022年12月13日，实验室研究人员宣布，受控核聚变反应中产生的能量超过了为使反应发生输入的能量，也即实现“点火”。在2022年12月5日开始的激光轰击中，一种含有两种氢同位素的微小颗粒释放了315万焦耳的能量——而为发射激光输入的能量是205万焦耳。

NIF能净收获能量是激光聚变发展史上的一个里程碑。

资料来源：

Physics World reveals its top 10 Breakthroughs of the Year for 2023

END

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