《物理世界》編輯團(tuán)隊(duì)篩選了今年上千項(xiàng)發(fā)布在雜志、網(wǎng)站上的科學(xué)研究，最終評(píng)選出了今年十大科學(xué)突破，涉及天文學(xué)、醫(yī)學(xué)物理、量子科學(xué)和原子物理等多個(gè)領(lǐng)域。

評(píng)選標(biāo)準(zhǔn)除了《物理世界》在2023年有過報(bào)道之外，最主要側(cè)重三點(diǎn)：

1.重大科學(xué)理論進(jìn)展；

2.對(duì)理論進(jìn)展和/或現(xiàn)實(shí)應(yīng)用具有重要意義的科學(xué)工作；

3.《物理世界》讀者普遍很感興趣的科學(xué)進(jìn)展。

以下就是《物理世界》評(píng)選的2023年度十大突破（按在雜志網(wǎng)站上發(fā)布的時(shí)間排序）。

01 在活體組織中創(chuàng)造電極

一種復(fù)雜的結(jié)合：在微電路上測試可注射凝膠

色諾芬·斯特拉科薩斯（Xenofon Strakosas）、漢內(nèi)·比斯曼斯（Hanne Biesmans）、瑪格納斯·貝里格倫（Magnus Berggren）和他們?cè)?span id="sssssss" class="candidate-entity-word" data-gid="6768897981844463825">瑞典林雪平大學(xué)、隆德大學(xué)和哥德堡大學(xué)的合作者研發(fā)了一種直接在活體組織內(nèi)創(chuàng)造電路的方法。

將神經(jīng)組織同電子設(shè)備結(jié)合起來是研究神經(jīng)系統(tǒng)復(fù)雜電信號(hào)的一個(gè)新方向，我們也可以借助這種方式調(diào)節(jié)神經(jīng)回路治療疾病。然而，堅(jiān)硬的電子設(shè)備與柔軟的生物組織很容易出現(xiàn)錯(cuò)配的情況，進(jìn)而破壞本就脆弱的生物系統(tǒng)。

為了解決這個(gè)問題，這個(gè)瑞典的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用可注射凝膠直接在生物體內(nèi)創(chuàng)造柔軟的電極。這些凝膠注射到活體組織中后，凝膠中的酶會(huì)分解生物體內(nèi)的內(nèi)源性代謝物，引發(fā)凝膠中有機(jī)單體的酶聚合，從而將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、柔軟的導(dǎo)電電極。

研究人員已經(jīng)在斑馬魚和藥用水蛭中驗(yàn)證了這個(gè)過程。他們把凝膠注射到這兩種生物的活體組織中后，凝膠都在組織內(nèi)聚合并生長成電極。

02 利用中微子研究質(zhì)子結(jié)構(gòu)

美國羅切斯特大學(xué)和加拿大約克大學(xué)蔡特金（Cai Tejin，音譯）和他在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室MINERvA小組中的合作者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。

中微子是一種亞原子粒子，最出名的特征就是很少與物質(zhì)發(fā)生相互作用。因此，當(dāng)博士后研究員蔡特金提出可以觀測塑料中的原子偶爾散射出的中微子時(shí)，自然引發(fā)了不少懷疑。這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)面臨的一大挑戰(zhàn)是，如何觀測單個(gè)質(zhì)子（氫原子核）散射的中微子的信號(hào)——要知道，這種信號(hào)淹沒在束縛在碳原子核中的質(zhì)子散射的龐大中微子背景中。

為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)模擬了碳原子散射中微子的信號(hào)，并且小心地從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中減去了這些背景信號(hào)。蔡特金領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究既有助于我們深入了解質(zhì)子結(jié)構(gòu)，也提供了一種進(jìn)一步認(rèn)識(shí)中微子與物質(zhì)作用方式的新技巧。

03 在玻色愛因斯坦凝聚

（BEC）中模擬宇宙膨脹

德國海德堡大學(xué)西莉亞·威爾曼（Celia Vermann）、馬庫斯·奧貝撒勒（Markus Oberthaler），德國耶拿大學(xué)斯特藩·弗萊爾欣格（StefanFloerchinger）和他們?cè)?span id="s0s0s0s" class="candidate-entity-word" data-gid="244668">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)的合作者利用一種玻色愛因斯坦凝聚（BEC）系統(tǒng)模擬宇宙膨脹以及其中的量子場。

在這個(gè)模擬系統(tǒng)中，凝聚代表宇宙，而在其中穿梭的聲子則扮演了量子場的角色。這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)通過改變BEC中原子的散射長度使得“宇宙”按不同速率膨脹，并且研究其中聲子密度漲落的變化方式。宇宙學(xué)理論預(yù)測，類似的效應(yīng)正是早期宇宙中潛在大規(guī)模結(jié)構(gòu)的成因。

因此，這種模擬宇宙可能會(huì)提供關(guān)于真實(shí)宇宙如何變成現(xiàn)在這種樣子的有價(jià)值信息。

04 時(shí)間雙縫

倫敦帝國學(xué)院的羅曼·蒂羅爾（Romain Tirole）和里卡多·薩皮恩扎（Riccardo Sapienza）及其合作者完成了時(shí)間維度上的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。

19世紀(jì)，托馬斯·楊（Thomas Young）的光波干涉實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)史上最有標(biāo)志性的實(shí)驗(yàn)之一，并且在基礎(chǔ)層面提供了對(duì)光的波動(dòng)理論的支持。楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)以及其他類似的實(shí)驗(yàn)都是利用空間中的一對(duì)窄縫實(shí)現(xiàn)干涉，而英國等地的這些研究人員證明，完全有可能利用時(shí)間尺度上的雙縫實(shí)現(xiàn)等價(jià)效果。

這種時(shí)間雙縫實(shí)驗(yàn)需要固定動(dòng)量、改變頻率。如果在一種材料中，雙縫一個(gè)接一個(gè)迅速出現(xiàn)又消失，就能讓進(jìn)入這種材料的波保持空間上的傳播路徑但在頻率上分散出去。研究人員實(shí)現(xiàn)這個(gè)效果的具體方法是：快速且連續(xù)地開關(guān)兩次半導(dǎo)體鏡面的反射效應(yīng)，并且沿著鏡面反射的光的頻率譜記錄干涉圖樣。結(jié)果，他們看到不同頻率的波（而不是空間上處于不同位置的波）之間發(fā)生了干涉。

這項(xiàng)研究成果有多種應(yīng)用，比如用于信號(hào)處理與通信或光計(jì)算的光開關(guān)。

05 數(shù)字橋使得遭受脊髓損傷

的患者能再度自然行走

恢復(fù)控制：連接大腦和脊髓的數(shù)字橋幫助癱瘓病人重新自然行走

瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的格雷戈?duì)枴鞝柕偌{（Grégoire Courtine），EPFL、洛桑大學(xué)醫(yī)院的約瑟琳·布洛赫（Jocelyne Bloch），CEA-Leti’s Clinatec的紀(jì)堯姆·夏爾維（Guillaume Charvet）以及合作者開發(fā)了一種連接大腦和脊髓的“數(shù)字橋”，使得癱瘓病人能重新站立并行走。

脊髓損傷會(huì)切斷大腦與負(fù)責(zé)行走的脊髓區(qū)域之間的聯(lián)系，從而導(dǎo)致永久癱瘓。為了恢復(fù)這種聯(lián)系，這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種大腦-脊髓接口，包括兩個(gè)可植入系統(tǒng)：一個(gè)負(fù)責(zé)記錄大腦皮層活動(dòng)并讀出用戶想要移動(dòng)下肢的意圖；另一個(gè)負(fù)責(zé)用電作用刺激控制腿部運(yùn)動(dòng)的脊髓區(qū)域。

研究人員在一名38歲男子身上測試了這個(gè)系統(tǒng)，這名男子10年前騎自行車時(shí)遭遇事故損傷了脊髓。完成植入手術(shù)后，數(shù)字橋使他能重新憑借直覺控制腿部運(yùn)動(dòng)，從而能站立、行走、爬樓梯，甚至穿越較為復(fù)雜的區(qū)域。

06 大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)件

奧地利因斯布魯克大學(xué)本·蘭揚(yáng)（Ben Lanyon）以及其在本校和法國巴黎-薩克雷大學(xué)的合作者構(gòu)筑了一種量子中繼器，并且借助它通過標(biāo)準(zhǔn)電信光纖實(shí)現(xiàn)跨50千米的量子信息傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)系統(tǒng)中囊括長距離量子網(wǎng)絡(luò)的所有關(guān)鍵功能。

這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)使用一對(duì)鈣40離子制造他們的量子中繼器，這對(duì)鈣40離子在受到激光脈沖照射后會(huì)發(fā)射光子。接著，這些光子——每一個(gè)都與其“母”離子處于糾纏狀態(tài)——就被轉(zhuǎn)換成電信波長并沿著互相獨(dú)立的多根25千米長光纖傳輸出去。最后，中繼器交換兩個(gè)離子的糾纏狀態(tài)，使得兩個(gè)糾纏光子相距50千米——50千米大致就是創(chuàng)建具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模量子網(wǎng)絡(luò)需要的距離。

07 第一張單原子X射線圖像

美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室Saw Wai Hla，沃爾克爾·羅斯（Volker Rose）及其合作者利用同步加速X射線拍攝了單個(gè)原子圖像。

在此之前，使用同步加速X射線掃描隧道顯微鏡能夠分析的最小樣品尺寸是1阿克（1阿克=1*10^-21千克），也就是大約1萬個(gè)原子的大小。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)探測器的靈敏度尚不足以探測到如此微弱的信號(hào)。

為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)X射線探測器上增加了一個(gè)鋒利的金屬尖，使用時(shí)位置就在待研究的樣本上方僅1納米處。當(dāng)鋒利的金屬尖在樣本表面移動(dòng)時(shí)，電子穿過金屬尖與樣本之間的空間，產(chǎn)生電流，這實(shí)質(zhì)上就是檢測到了每種元素獨(dú)有的“指紋”。借助這項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)得以將掃描隧道顯微鏡的超高空間分辨率同強(qiáng)X射線照明提供的化學(xué)靈敏度結(jié)合在一起。

這項(xiàng)技術(shù)可以在材料設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，并且也能在環(huán)境科學(xué)中發(fā)揮作用，比如大大提升追蹤有毒物質(zhì)的能力——即便有毒物質(zhì)濃度極低，探測裝置也能發(fā)現(xiàn)。

08 早期星系改變宇宙的確鑿證據(jù)

EIGER合作團(tuán)隊(duì)使用詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）找到了證明早期星系引發(fā)早期宇宙再電離的有力證據(jù)。

再電離發(fā)生在大爆炸之后大約10億年，主要是指氫氣的離子化。這就使得如今的望遠(yuǎn)鏡能夠看到彼時(shí)氫氣吸收的光。目前看來，再電離似乎發(fā)軔于局部氣泡的生長及合并。這些氣泡的來源則可能是各種輻射源，它們也可能來自星系中的恒星。

EIGER研究人員使用JWST的近紅外照相機(jī)查看了古老類星體發(fā)出的光。這些光此前穿過了早期宇宙離子化的氣泡。這些研究人員發(fā)現(xiàn)，星系位置與氣泡之間存在關(guān)聯(lián)，這意味著這些早期星系發(fā)出的光確實(shí)是再電離的成因。

09 材料中的超音速裂紋

以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)的王萌（Meng Wang，音譯）、石松林（Songlin Shi，音譯）和杰伊·芬恩伯格（Jay Fineberg）發(fā)現(xiàn)某些材料中的裂紋可以以超過聲速的速度擴(kuò)散。

這個(gè)結(jié)果與此前基于經(jīng)典理論的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)測相?！?jīng)典理論認(rèn)為，材料中的裂紋不可能以超音速擴(kuò)散，因?yàn)椴牧现械穆曀俜从沉藱C(jī)械能能以多快的速度穿過這種材料。

這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的觀測結(jié)果或許表明，所謂的“超剪切”動(dòng)力學(xué)機(jī)制確實(shí)存在。美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的邁克爾·馬爾德（Michael Marder）在近20年前提出了這種機(jī)制，其背后的物理學(xué)原理與經(jīng)典裂縫背后的原理迥然不同。

10 反物質(zhì)不會(huì)違反引力效應(yīng)

ALPHA-g的管狀閃爍體正在歐洲核子研究中心（CERN）組裝

ALPHA合作組織證明反物質(zhì)回應(yīng)引力的方式與正常物質(zhì)非常相似。物理學(xué)家使用歐洲核子研究中心（CERN）的ALPHA-g實(shí)驗(yàn)裝置第一次直接觀測到了下落中的反物質(zhì)原子——由一個(gè)反質(zhì)子和一個(gè)反電子構(gòu)成的反氫原子。

他們?cè)谝粋€(gè)長長的圓柱形真空艙室中完成了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前，研究人員首先在真空艙室中把反氫原子束縛在一個(gè)磁阱中。實(shí)驗(yàn)開始后，磁阱釋放反氫原子，并且允許它們?cè)谡婵张撌冶谏?span id="ssssss8" class="candidate-entity-word" data-gid="6061558954939290607">湮滅。

這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，凐滅發(fā)生的位置比施放反氫原子的位置低。即便考慮到反氫原子的熱運(yùn)動(dòng)，還是能得出反氫原子下落的結(jié)論。有意思的是，反氫原子的引力加速度大約是正常物質(zhì)的75%。

當(dāng)然，這個(gè)測量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性較低，但它仍然打開了標(biāo)準(zhǔn)模型之外全新物理學(xué)理論的大門。

榮譽(yù)提名 聚變能突破

在美國國家點(diǎn)火裝置（NIF，耗資35億美元）工作的物理學(xué)家在2022年年末成功在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”。因?yàn)楫?dāng)時(shí)《物理世界》已經(jīng)評(píng)選出了2022年度十大科學(xué)突破，且這項(xiàng)成就顯然無法參加今年的評(píng)選，所以《物理世界》在此授予其榮譽(yù)提名獎(jiǎng)。

2022年12月13日，實(shí)驗(yàn)室研究人員宣布，受控核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的能量超過了為使反應(yīng)發(fā)生輸入的能量，也即實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”。在2022年12月5日開始的激光轟擊中，一種含有兩種氫同位素的微小顆粒釋放了315萬焦耳的能量——而為發(fā)射激光輸入的能量是205萬焦耳。

NIF能凈收獲能量是激光聚變發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。

資料來源：

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

END

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