-
袁岚峰:从2015年国际物理学十大突破看中国的科技实力
关键字: 1物理学家宣称实现了“无漏洞”的贝尔不等式实验。奖给荷兰代尔夫特理工大学的Bas Hensen、Ronald Hanson与同事们,他们进行了既没有局域性漏洞也没有探测性漏洞的贝尔不等式测量。他们的实验涉及位于相距1.28公里的金刚石中的纠缠的自旋,然后测量自旋之间的关联。金刚石之间距离这么远,以及自旋测量相对容易,保证了整个实验是无漏洞的,——实验结果证实了看似怪异的量子力学纠缠概念。注释:贝尔不等式说的是,某些自旋之间的关联在经典力学中必然低于某个上限,而这个上限是量子力学能够达到的。因此如果测量结果违反贝尔不等式,就说明经典力学是错误的,量子力学是正确的。1982年,阿斯佩克特等人做了这样的实验,结果确实违反贝尔不等式。后来又有许多研究组用各种方法重复这个实验,结论大都一致。但以前的实验都存在漏洞,或者是局域性漏洞,或者是探测性漏洞,也就是说,经典力学原则上还是有可能解释实验结果,因此较起真来,结论还不能完全确定。这两种漏洞有某种互补性,缩小一个漏洞就会扩大另一个漏洞,因而以前一直不能同时消灭两者。现在通过巧妙的实验设计和高超的技术手段,第一次同时克服了这两个漏洞,所以可以说是对贝尔不等式测量的盖棺定论。这是一项重大的进步,但如果要问,对大多数科学家的观念有什么影响?回答是没有影响,因为从1930年代以来,绝大部分科学家早就相信量子力学了,都用不着贝尔的不等式和阿斯佩克特的实验。量子力学的纠缠概念对公众来说很怪异,对科学界来说却是老生常谈,否定它才出人意料,肯定它只是再次证实常识。这类实验是以更突出的矛盾、更高的可靠性来检验一个已经被广泛接受的理论。如果结果是否定性的,整个科学界就会轰动,大家需要重新构建物理学大厦了。现在的结果都是肯定性的,量子力学再一次被证明为正确,那对大多数人来说就只是满足好奇心而已。当然,实验在技术上的进步是很重要的,例如在相距这么远的金刚石之间保持纠缠的方法。
首次探测到来自太阳系外行星的可见光。奖给葡萄牙天体物理与空间科学研究院与波尔图大学的Jorge Martins及其在葡萄牙、法国、瑞士、智利的同事们,他们首次测量了由一颗系外行星反射的高分辨率光谱信号。该团队使用了高精度径向速度行星搜寻设备(在欧洲南方天文台下属的La Silla天文台),研究来自51飞马座b星的光,——它是在1995年发现的。利用他们发展的新技术,Martins和同事们能够测量这颗行星的质量、轨道倾角和反射率,这些数据可以用来推断行星表面和大气的成分。按:我们以前只能观测到恒星的光,看不到太阳系外行星的光,也就对系外行星的成分一无所知,甚至连它们是固态、液态还是气态都不清楚。这个项目大大增进了我们对系外行星的了解,说不定能找到适合人类生存的星际移民目的地。
LHCb(“大型强子对撞机的美丽”,Large Hadron Collider beauty)宣称发现两个五夸克态。奖给欧洲核子研究组织(CERN)的LHCb协作组,他们表明五个夸克可以在被称为五夸克态的粒子中被束缚在一起。五夸克态的存在是在1970年代被首次预言的,在21世纪是争议的对象。今年,当两个质量约为4400 MeV/c2的五夸克态从大型强子对撞机的质子碰撞中涌现出来时,这个问题终于解决了。两个信号的统计显著度都超过9σ,远高于粒子物理中确认一个发现的黄金标准5σ。注释:质子和中子这样的重子是由三个夸克组成的,在重子之间传递相互作用的介子是由两个夸克组成的。夸克从来不会单独出现,因为把两个夸克分开时要耗费的能量太大,超过夸克质量对应的能量,于是会产生新的夸克。那么有没有多于三个夸克组成的粒子呢?理论预测了四个和五个夸克组成的粒子,但一直没有被证实。现在终于发现了五夸克态,可喜可贺。
硫化氢在203 K下是超导温度最高的超导体。奖给马克斯·普朗克化学研究所和约翰尼斯·古腾堡大学(都位于德国美因茨)的Mikhail Eremets和同事们,他们发现了第一种在地球表面能自然出现的温度下超导的材料。该团队发现,150万个大气压的极端压强下的硫化氢直到203 K都是超导体,这个温度比南极洲记录到的最低温度要高19K。虽然还需要进一步的研究来理解为什么这个材料会超导,这项发现可能已经为超导的圣杯即室温超导体铺平了道路。注释:超导体就是电阻为零的材料,在其中传输的电流永远不会衰减,有许多奇妙的应用前景。然而到目前为止,超导都只能在很低的温度下实现,能超过液氮温度(77 K,即零下196摄氏度)就算“高温超导”了。这项工作一下子把超导温度提高了几十度,甚至都超过了地球表面的最低温度,这是个重要的里程碑。当然离实用还很远,因为150万大气压的压强是个严重障碍。2014年,吉林大学的马琰铭和崔田两个研究组各自通过理论计算预测了硫化氢的超导性,马琰铭等人预测H2S在160 GPa的压强下(1 GPa约等于1万大气压)超导温度为80 K,崔田等人预测H3S(H2S与H2的复合物)在200 GPa下超导温度在191 K至204 K之间。Eremets等人大幅引用和致谢了崔田和马琰铭的结果,参见知社学术圈的《Nature: 中国学者预测的203K超导体被实验证实 | 颠覆所有极限!》(http://chuansong.me/n/1848797)和《关于中国学者预测203K超导体被实验证实的补充说明》(http://chuansong.me/n/1851448)。中国科学家对这项发现也有重要贡献,不过由于所用的理论是传统的BCS超导理论,计算的难度并不很大,而实验的难度要大得多,所以实验家的荣誉高于理论家的荣誉。
便携式“战地磁共振影像(MRI)系统”走出实验室。奖给美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Michelle Espy和同事们,他们造出了实用的、便携的、超低磁场的MRI系统。与传统的用超导线圈产生很强磁场的MRI系统(注释:看,这就是超导的用途之一)不同,新系统所用的磁场要弱得多,从远方产生这种磁场就容易多了。然而这意味着该系统必须能够探测弱得多的信号,这一点它是用超导量子干涉仪(SQUID)来实现的(注释:避开了超导的一种用途,又用到超导的另一种用途)。由于有低功耗和轻质量的优点,该团队希望这种原型设计能够尽快部署到发展中国家的医疗中心以及战地医院。按:这是十大物理学突破中唯一跟日常生活直接相关的,可能欧洲物理学会选择它也有这方面的原因。
费米子显微镜露出曙光。奖给美国麻省理工大学的Lawrence Chuck、Martin Zwierlein和同事们,他们制造了第一台“费米子显微镜”——一台能够为超冷气体中多达1000个独立原子成像的设备。对于理解材料中的电子如何相互作用,已经有许多重大的进展。这是通过把费米子原子冷却到超低温度、再用光和磁场精细调节原子间的相互作用来实现的。通过允许物理学家观测单个费米子在气体冷却时的行为,费米子显微镜把这种方法又推进了重要的一步。这项新技术可能很快就会被研究者用于观测原子间的磁相互作用,甚至可能被用于探测体系内的量子纠缠。注释:这项工作的重要性,在于把观测对象从很多原子的集合缩小到单个原子,即大大提高了分辨率。由此我们有可能观察到很多以前想象不到的现象,以后还有可能把对单原子的观测(只是看)升级为控制(不仅看还能动)。想想看,如果我们可以随意观察和操控单个原子,而且这些原子还是处于量子纠缠中的,我们能够看到和造出多少不可思议的东西!
硅量子逻辑门是第一步。奖给澳大利亚新南威尔士大学和日本庆应义塾大学的Andrew Dzurak、Menno Veldhorst和同事们,他们造出了第一个硅的量子逻辑器件。他们的控制非(CNOT)门是量子计算机的一个基础元件,以前是用传统的半导体加工工艺制造的。这个器件用电子自旋来存储量子信息,研究者们现在计划把技术扩展到制造完全意义的量子计算机芯片。按:量子计算机在理论上对于某些问题比现在的计算机(经典计算机)快得多。例如对于因子分解,传统算法的计算量随位数的变化是指数增长,而量子算法只是多项式增长。分解一个5000位的数字,在原理上经典算法需要50亿年的时间,量子算法只需要2分钟。可是目前还没有实用意义上的量子计算机,原因之一就是用的材料都不是硅,量子信息只能用硅之外的光子、离子阱、核磁共振等方式来储存。现在可以用硅来储存与操作量子信息,半个多世纪以来半导体技术的丰富积累就有可能用上,大大促进量子计算机的发展。
介绍完十大物理学突破,我们来统计一下有哪些国家出镜,各国参与了多少项工作。中国独占一项(榜首的多自由度量子隐形传态),分享一项(外尔费米子)。美国独占三项(单电子同步辐射、便携式MRI和费米子显微镜),分享一项(外尔费米子)。荷兰独占一项(无漏洞的贝尔实验)。德国独占一项(硫化氢的203 K超导),对此中国科学家做了理论预测。澳大利亚和日本分享一项(硅量子逻辑门),这一项有点奇怪,Andrew Dzurak和Menno Veldhorst的名字看起来都不像日本人,可能以澳大利亚的贡献为主。葡萄牙领衔,和法国、瑞士、智利分享一项(系外行星的光)。欧洲作为整体,有CERN发现的一项(五夸克态)。
按照这个统计,美国共有四项,整体实力是最雄厚的。中国有两项,包括榜首,整体仅次于美国,并且在局部占据制高点。中国的科技正处于爆炸式发展之中(见我的文章《见龙在田:中国科技与世界大势(上)》(http://weibo.com/p/1001603864112261145733),修订后由观察者网转载为《中国科技实力正以多快的加速度逼近美国》(http://www.guancha.cn/YuanLanFeng/2015_08_12_330260.shtml),以及我的另一篇文章《中国的研发投入需要更大幅度的增长》(http://www.guancha.cn/YuanLanFeng/2015_11_13_341140_s.shtml和http://weibo.com/p/1001603908683422639166)),潜力最大,前途不可限量。本文中提到的潘建伟、陆朝阳、方忠、翁红明、戴希、马琰铭和崔田分别出生于1970年、1982年、1970年、1977年、1971年、1972年和1964年,年富力强,充满朝气,他们是中国科技井喷的缩影。欧洲各国加起来共有四项,作为整体仍然是科学中心之一,但由于政治的碎片化,单独一国都不如中美两个超级大国。澳大利亚、日本和智利是中美欧之外仅有的上榜国家,而且只有一项成果是中美欧都未参与的。可以认为,美国、欧洲和中国是目前的三大科学中心。如果把中国扩大到东亚,把日本、韩国甚至澳大利亚都包括进去,那就更是铁板钉钉了。这三大地区之外的国家,如俄罗斯、巴西、印度、印尼,在世界科学版图上都处于边缘地位。
中国科学界在2015年收获了屠呦呦的自然科学诺贝尔奖、科大团队的国际物理学年度突破,2015年必将作为崭露头角的一年被历史铭记。对中国的科学工作者、科普工作者和爱好科学的公众来说,这是最好的时代。对喋喋不休中国人不会创新、永远没希望的逆向民族主义分子来说,这是最坏的时代,我们对他们的无知和偏执感到可怜。
最大的幸福属于年轻学子,你们的面前有崭新的世界,无限的希望!
作者简介:袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员,风云学会会长,微博@中科大胡不归 。
致谢:感谢风云学会研究员郭晓明博士(@西西河氏唵啊吽 )、陈经等人提出的宝贵意见。
本文系观察者网独家稿件,文章内容纯属作者个人观点,不代表平台观点,未经授权,不得转载,否则将追究法律责任。关注观察者网微信guanchacn,每日阅读趣味文章。
-
本文仅代表作者个人观点。
- 请支持独立网站,转发请注明本文链接:
- 责任编辑:陈轩甫
-
嫦娥六号成功发射!开启人类首次月球背面取样之旅 评论 167“美军还没撤,俄军就把这里占了” 评论 198土耳其暂停与以色列所有贸易 评论 131菲律宾称在黄岩岛已越过红线?中方回应 评论 175以色列警告美国:一旦逮捕令下发,我们就对它动手 评论 232最新闻 Hot
-
“这样拆掉中国设备,许多农村就没网了”
-
果然,印度和日本破防了
-
“美军还没撤,俄军就把这里占了”
-
“北约发这种提案,简直疯了”
-
土耳其暂停与以色列所有贸易
-
以色列警告美国:一旦逮捕令下发,我们就对它动手
-
拜登竟称:中俄印日经济“表现不好”,是因为他们“排外”…
-
“白宫‘对华减税派’已被压倒,如今一切为了选举”
-
菲律宾称在黄岩岛已越过红线?中方回应
-
“南方国家赶上美国,杀手锏正是中国电动汽车”
-
马克龙再谈“向乌克兰派兵”
-
涉及俄罗斯,美国又对中企下黑手
-
“美国威胁沙特:保留中国技术,就不帮你发展半导体”
-
德国外长炒作:这两国比我们更能感受到中国“狂风”
-
哥伦比亚要与以色列断交:巴勒斯坦亡了,人类就亡了
-
“这是美国自信心下降的表现”
-