《物理世界》編輯團隊篩選了今年上千項發(fā)布在雜志、網(wǎng)站上的科學研究，最終評選出了今年十大科學突破，涉及天文學、醫(yī)學物理、量子科學和原子物理等多個領域。

評選標準除了《物理世界》在2023年有過報道之外，最主要側(cè)重三點：

1.重大科學理論進展；

2.對理論進展和/或現(xiàn)實應用具有重要意義的科學工作；

3.《物理世界》讀者普遍很感興趣的科學進展。

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

01 在活體組織中創(chuàng)造電極

一種復雜的結(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）和他們在瑞典林雪平大學、隆德大學和哥德堡大學的合作者研發(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)組織同電子設備結(jié)合起來是研究神經(jīng)系統(tǒng)復雜電信號的一個新方向，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，堅硬的電子設備與柔軟的生物組織很容易出現(xiàn)錯配的情況，進而破壞本就脆弱的生物系統(tǒng)。

為了解決這個問題，這個瑞典的科學家團隊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，凝膠中的酶會分解生物體內(nèi)的內(nèi)源性代謝物，引發(fā)凝膠中有機單體的酶聚合，從而將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、柔軟的導電電極。

研究人員已經(jīng)在斑馬魚和藥用水蛭中驗證了這個過程。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)

美國羅切斯特大學和加拿大約克大學蔡特金（Cai Tejin，音譯）和他在費米實驗室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，自然引發(fā)了不少懷疑。這個研究團隊面臨的一大挑戰(zhàn)是，如何觀測單個質(zhì)子（氫原子核）散射的中微子的信號——要知道，這種信號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。

為了解決這個問題，研究團隊模擬了碳原子散射中微子的信號，并且小心地從實驗數(shù)據(jù)中減去了這些背景信號。蔡特金領導的這項研究既有助于我們深入了解質(zhì)子結(jié)構(gòu)，也提供了一種進一步認識中微子與物質(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

德國海德堡大學西莉亞·威爾曼（Celia Vermann）、馬庫斯·奧貝撒勒（Markus Oberthaler），德國耶拿大學斯特藩·弗萊爾欣格（StefanFloerchinger）和他們在西班牙馬德里康普頓斯大學、德國波鴻魯爾大學和比利時布魯塞爾自由大學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。這個研究團隊通過改變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。宇宙學理論預測，類似的效應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提供關于真實宇宙如何變成現(xiàn)在這種樣子的有價值信息。

04 時間雙縫

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

19世紀，托馬斯·楊（Thomas Young）的光波干涉實驗是物理學史上最有標志性的實驗之一，并且在基礎層面提供了對光的波動理論的支持。楊氏雙縫干涉實驗以及其他類似的實驗都是利用空間中的一對窄縫實現(xiàn)干涉，而英國等地的這些研究人員證明，完全有可能利用時間尺度上的雙縫實現(xiàn)等價效果。

這種時間雙縫實驗需要固定動量、改變頻率。如果在一種材料中，雙縫一個接一個迅速出現(xiàn)又消失，就能讓進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。研究人員實現(xiàn)這個效果的具體方法是：快速且連續(xù)地開關兩次半導體鏡面的反射效應，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。

這項研究成果有多種應用，比如用于信號處理與通信或光計算的光開關。

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)邦理工學院（EPFL）的格雷戈爾·庫爾蒂納（Grégoire Courtine），EPFL、洛桑大學醫(yī)院的約瑟琳·布洛赫（Jocelyne Bloch），CEA-Leti’s Clinatec的紀堯姆·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。

脊髓損傷會切斷大腦與負責行走的脊髓區(qū)域之間的聯(lián)系，從而導致永久癱瘓。為了恢復這種聯(lián)系，這個研究團隊開發(fā)了一種大腦-脊髓接口，包括兩個可植入系統(tǒng)：一個負責記錄大腦皮層活動并讀出用戶想要移動下肢的意圖；另一個負責用電作用刺激控制腿部運動的脊髓區(qū)域。

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

06 大規(guī)模量子網(wǎng)絡的基本構(gòu)件

奧地利因斯布魯克大學本·蘭揚（Ben Lanyon）以及其在本校和法國巴黎-薩克雷大學的合作者構(gòu)筑了一種量子中繼器，并且借助它通過標準電信光纖實現(xiàn)跨50千米的量子信息傳輸，進而實現(xiàn)了在單個系統(tǒng)中囊括長距離量子網(wǎng)絡的所有關鍵功能。

這個研究團隊使用一對鈣40離子制造他們的量子中繼器，這對鈣40離子在受到激光脈沖照射后會發(fā)射光子。接著，這些光子——每一個都與其“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立的多根25千米長光纖傳輸出去。最后，中繼器交換兩個離子的糾纏狀態(tài)，使得兩個糾纏光子相距50千米——50千米大致就是創(chuàng)建具有多個節(jié)點的大規(guī)模量子網(wǎng)絡需要的距離。

07 第一張單原子X射線圖像

美國阿貢國家實驗室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1萬個原子的大小。這是因為單個原子產(chǎn)生的X射線信號極其微弱，傳統(tǒng)探測器的靈敏度尚不足以探測到如此微弱的信號。

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

這項技術可以在材料設計中得到應用，并且也能在環(huán)境科學中發(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合作團隊使用詹姆斯·韋布空間望遠鏡（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鏡能夠看到彼時氫氣吸收的光。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聯(lián)，這意味著這些早期星系發(fā)出的光確實是再電離的成因。

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散。

這個結(jié)果與此前基于經(jīng)典理論的實驗結(jié)果和理論預測相悖——經(jīng)典理論認為，材料中的裂紋不可能以超音速擴散，因為材料中的聲速反映了機械能能以多快的速度穿過這種材料。

這個研究團隊的觀測結(jié)果或許表明，所謂的“超剪切”動力學機制確實存在。美國得克薩斯大學奧斯汀分校的邁克爾·馬爾德（Michael Marder）在近20年前提出了這種機制，其背后的物理學原理與經(jīng)典裂縫背后的原理迥然不同。

10 反物質(zhì)不會違反引力效應

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)回應引力的方式與正常物質(zhì)非常相似。物理學家使用歐洲核子研究中心（CERN）的ALPHA-g實驗裝置第一次直接觀測到了下落中的反物質(zhì)原子——由一個反質(zhì)子和一個反電子構(gòu)成的反氫原子。

他們在一個長長的圓柱形真空艙室中完成了實驗。實驗前，研究人員首先在真空艙室中把反氫原子束縛在一個磁阱中。實驗開始后，磁阱釋放反氫原子，并且允許它們在真空艙室壁上湮滅。

這個研究團隊發(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動，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%。

當然，這個測量結(jié)果的統(tǒng)計學顯著性較低，但它仍然打開了標準模型之外全新物理學理論的大門。

榮譽提名 聚變能突破

在美國國家點火裝置（NIF，耗資35億美元）工作的物理學家在2022年年末成功在實驗室中實現(xiàn)“點火”。因為當時《物理世界》已經(jīng)評選出了2022年度十大科學突破，且這項成就顯然無法參加今年的評選，所以《物理世界》在此授予其榮譽提名獎。

2022年12月13日，實驗室研究人員宣布，受控核聚變反應中產(chǎn)生的能量超過了為使反應發(fā)生輸入的能量，也即實現(xiàn)“點火”。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)展史上的一個里程碑。

資料來源：

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

END

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