據(jù)美國(guó)物理學(xué)會(huì)網(wǎng)站，世界已經(jīng)迎來(lái)了嶄新的2014年，在過(guò)去的2013年中，物理學(xué)領(lǐng)域取得了一些重要的進(jìn)展，回顧這一年，物理學(xué)領(lǐng)域取得的這些進(jìn)展產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)的超出了物理學(xué)本身。近日美國(guó)物理學(xué)會(huì)在其刊物《物理學(xué)》(Physics)網(wǎng)站上公布了其評(píng)選出的2013年度最重要物理學(xué)進(jìn)展。

四夸克物質(zhì)

夸克一般為2個(gè)或3個(gè)成對(duì)，這是幾乎所有的實(shí)驗(yàn)給出的結(jié)果。但在2013年夏季，中國(guó)的BESIII實(shí)驗(yàn)和日本的Belle實(shí)驗(yàn)分別報(bào)告稱他們?cè)诟吣苷��?fù)電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到了由4個(gè)夸克組成的神秘粒子。盡管對(duì)這種被稱作Zc(3900)的粒子的性質(zhì)還有其它可能的解釋，但4夸克粒子真實(shí)存在的可能性看來(lái)非常大，因?yàn)樵谀侵�后中�?guó)的研究組又發(fā)現(xiàn)了其它一系列由4夸克組成的物質(zhì)粒子。

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超高能中微子

那些用于監(jiān)測(cè)罕見偶發(fā)事件的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往造價(jià)昂貴，但最終監(jiān)測(cè)數(shù)年而一無(wú)所獲。因此，近期科學(xué)家們對(duì)一個(gè)消息感到振奮鼓舞的心情也就不難理解了：他們?cè)O(shè)立在南極的冰立方探測(cè)器——一臺(tái)專用于監(jiān)測(cè)中微子的巨型設(shè)備，在2013年報(bào)告檢測(cè)到兩個(gè)具有異常高能量的中微子粒子，其能量接近1000TeV(1千萬(wàn)億電子伏特)，這比來(lái)自太陽(yáng)的中微子能量高出近10億倍。隨后南極冰立方望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的科學(xué)家們進(jìn)一步進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析并發(fā)現(xiàn)了另外26個(gè)能量高于30 TeV的中微子�？茖W(xué)家們目前還需要更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)才能嘗試確定這些具有異乎尋常高能量的中微子的來(lái)源，而這樣做將可能需要建造一臺(tái)更大的探測(cè)器。但有一點(diǎn)，他們初步認(rèn)為這些中微子是源自太陽(yáng)系之外的，而自從1987年之后人們就再也沒有在實(shí)驗(yàn)中探測(cè)到如此遙遠(yuǎn)來(lái)源的中微子�？茖W(xué)家們相信這些神秘粒子攜帶著有關(guān)天體物理學(xué)事件，如遙遠(yuǎn)星系中伽馬射線暴的信息。

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難以捉摸的暗物質(zhì)

2013年在暗物質(zhì)研究領(lǐng)域同樣取得了進(jìn)展，一批與之相關(guān)的長(zhǎng)期研究項(xiàng)目陸續(xù)開始公布其結(jié)果，不過(guò)遺憾的是，有關(guān)暗物質(zhì)本質(zhì)的問(wèn)題仍然沒有被揭開。在2013年的4月份，丁肇中教授領(lǐng)銜的，安裝在國(guó)際空間站上的阿爾法磁譜儀項(xiàng)目報(bào)告他們?cè)谟钪嫔渚�中檢測(cè)到正電子的過(guò)量。這可能與空間中暗物質(zhì)粒子的湮滅有關(guān)，但在更高能級(jí)水平上的數(shù)據(jù)還需要排除其它可能的解釋。而另外兩項(xiàng)在地面上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)則從另一個(gè)方向著手，他們?cè)噲D直接捕獲被認(rèn)為構(gòu)成了暗物質(zhì)的候選粒子，即“WIMP”(大質(zhì)量弱相互作用粒子)。這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)分別是美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的“低溫暗物質(zhì)搜尋實(shí)驗(yàn)”(CDMS)以及設(shè)在南達(dá)科他州的“大型地下氙探測(cè)實(shí)驗(yàn)”(LUX)。今年CDMS實(shí)驗(yàn)小組宣布的一個(gè)消息曾經(jīng)引起廣泛關(guān)注，當(dāng)時(shí)研究人員稱他們?cè)陂W爍探測(cè)器信號(hào)中檢測(cè)到一個(gè)可能與WIMP粒子有關(guān)的峰。但很快LUX實(shí)驗(yàn)的探測(cè)結(jié)果就給這一消息澆了一碰冷水，該實(shí)驗(yàn)在更高的精度上進(jìn)行觀測(cè)，但卻并未檢測(cè)到類似的信號(hào)。目前這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組正在相互競(jìng)爭(zhēng)，爭(zhēng)相提升己方的探測(cè)精度，并希望能在未來(lái)給出有關(guān)暗物質(zhì)粒子的確鑿證據(jù)。

凍結(jié)光線一分鐘

在真空中，光以每秒30萬(wàn)公里的速度傳播，但物理學(xué)家們知道如何讓光的速度降低，甚至讓它完全停止。這項(xiàng)技術(shù)將有望被應(yīng)用于量子計(jì)算，并使用光子進(jìn)行信息存儲(chǔ)。德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的一個(gè)研究組在2013年的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)紀(jì)錄地讓一束光停止了整整一分鐘。這項(xiàng)技術(shù)可以造成一種名為“電磁誘導(dǎo)透明”的現(xiàn)象，在這一現(xiàn)象中，一束受控激光可以讓一種不透明介質(zhì)暫時(shí)性的變透明，從而可以存儲(chǔ)光子。盡管一分鐘的時(shí)長(zhǎng)已經(jīng)是該研究組在實(shí)驗(yàn)中所用晶體的理論極限，但未來(lái)將很有可能達(dá)成更長(zhǎng)的光存儲(chǔ)時(shí)間：研究人員正在嘗試使用摻銪晶體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，理論上這將讓光存儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)到數(shù)小時(shí)之久。

古老宇宙光線的扭曲

宇宙微波背景輻射(CMB)是宇宙創(chuàng)生大爆炸的余暉，這是我們窺視宇宙初生時(shí)期狀態(tài)的最好窗口。2013年中，科學(xué)家們正忙著分析3月份由普朗克探測(cè)器傳回的全天宇宙微波背景輻射地圖，但從地面上卻意外傳來(lái)了一項(xiàng)宇宙學(xué)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展：南極望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目組的科學(xué)家們?cè)谟钪嫖⒉ū尘拜椛湫盘?hào)中檢測(cè)到微弱的扭曲，即所謂B-模偏振現(xiàn)象。之所以會(huì)發(fā)生這種扭曲，是因?yàn)闃?gòu)成CMB信號(hào)的光線在穿越宇宙抵達(dá)地球的途中遭遇大質(zhì)量體引力透鏡效應(yīng)而引發(fā)的。這一進(jìn)展未來(lái)將幫助科學(xué)家們反演宇宙中物質(zhì)的分布狀況，其中包括難以捉摸的暗物質(zhì)。

聲波激光

聲波和光波之間存在諸多相似性，事實(shí)上許多光學(xué)領(lǐng)域的概念也同樣可以被應(yīng)用于聲學(xué)領(lǐng)域。在2013年的3月份，日本電報(bào)電話公司(NTT)基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)小組展示了世界上首個(gè)完全實(shí)現(xiàn)的“聲波激光”。

氫原子波函數(shù)的直接成像

打開任何一本一年級(jí)的量子力學(xué)課本，你一定會(huì)看到一些描述氫原子電子軌道的示意圖，球形的，啞鈴型的，或是三葉草型的。但在今年以前，所有這些都還只是理論上的，沒有任何人曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上直接“觀察”到它們。但就是在2013年，荷蘭原子和分子物理學(xué)研究所(AMOL)的研究人員和合作者們?cè)O(shè)計(jì)了一種“量子顯微鏡”，其原理是首先使用光將氫原子電離，隨后使用靜電透鏡構(gòu)建一種逃逸電子的干涉模式。科學(xué)家們通過(guò)這種方法獲得干涉圖像，并重構(gòu)出原始的電子軌道。

復(fù)雜設(shè)備小型化

2013年，科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了對(duì)一些大型且昂貴設(shè)備小型化方面的一系列重要進(jìn)展，從而可以將它們?nèi)�都安放進(jìn)本就擁擠的實(shí)驗(yàn)室里。2013年，美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們制作成功一臺(tái)可以放在桌面上的小型中子源，其強(qiáng)度和聚焦能力足以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料缺陷探查等功能。這種設(shè)備的原理是利用強(qiáng)大的激光束與固體靶標(biāo)之間的相互作用來(lái)產(chǎn)生中子，其應(yīng)用領(lǐng)域包括測(cè)試中子探測(cè)器，或用于分析材料遭受的輻射損傷。相似的，另一個(gè)來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)的小組，以及兩個(gè)德國(guó)的研究組——馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所小組以及朗根-紐倫堡弗里德里�！�亞歷山大大學(xué)小組，他們?cè)谥圃煸靸r(jià)更加低廉，結(jié)構(gòu)更緊湊的小型X射線源方面取得重要進(jìn)展。這幾個(gè)研究組發(fā)現(xiàn)他們可以借助納米光柵加速電子，這種做法要比傳統(tǒng)粒子加速器中使用的射頻技術(shù)所用設(shè)備體積要小得多。

納米線的馬約拉納費(fèi)米子湮滅

物理學(xué)家們一直致力于搜尋馬約拉納費(fèi)米子的存在，這種粒子的自旋為1/2，這意味著其反粒子是其本身。此前有關(guān)發(fā)現(xiàn)這種神秘粒子的消息都仍然存在問(wèn)題，2013年，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的研究人員在連接到超導(dǎo)態(tài)鉛棒上的納米線兩端成功獲得兩個(gè)準(zhǔn)粒子(quasiparticle)，并應(yīng)用磁場(chǎng)誘導(dǎo)這兩個(gè)粒子相互湮滅，這一點(diǎn)完全符合預(yù)期。在固體中發(fā)現(xiàn)馬約拉納態(tài)的案例對(duì)于未來(lái)開發(fā)量子計(jì)算機(jī)并加強(qiáng)其對(duì)抗噪音的能力意義重大。

量子學(xué)高歌猛進(jìn)

2013年是量子學(xué)領(lǐng)域高歌猛進(jìn)的一年，成果豐碩，但量子計(jì)算機(jī)仍然尚未面世。

我們何時(shí)才能擁有量子計(jì)算機(jī)，它們的性能是否真的能勝過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)？一家加拿大公司“D-Wave Systems”報(bào)告稱他們今日解決了一項(xiàng)量子計(jì)算機(jī)方面的重要困難并取得進(jìn)展。但很多專家對(duì)這家公司所言并不信服，他們指出該公司研發(fā)的由大約100個(gè)超導(dǎo)元素構(gòu)成的設(shè)備可以被稱作量子計(jì)算機(jī)，并且其性能表現(xiàn)也并無(wú)法戰(zhàn)勝傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。因此量子計(jì)算機(jī)的研制可能還需要多年的努力，但在過(guò)去的2013年內(nèi)科學(xué)家們的確在解決量子信息存儲(chǔ)以及通訊協(xié)議等方面取得了一系列的重要進(jìn)展。在量子加密方面，密碼學(xué)專家們將最終擊敗黑客，就在2013年，全球有兩個(gè)研究組展示了一項(xiàng)量子加密技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的問(wèn)世將讓信息竊取成為不可能。

另外兩項(xiàng)進(jìn)展則與量子糾纏有關(guān)。這是賦予量子技術(shù)戰(zhàn)勝經(jīng)典技術(shù)的關(guān)鍵因素之一，科學(xué)家們驗(yàn)證了這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)可以對(duì)抗噪音與耗散。來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究組證明，在一個(gè)安全的量子通訊信道內(nèi)，使用者將能獲取糾纏帶來(lái)的益處，即便是在其被噪音打破之后也是如此。而另一個(gè)來(lái)自德國(guó)柏林自由大學(xué)，丹麥尼爾斯·玻爾研究所以及慕尼黑理工大學(xué)的科學(xué)家組成的研究組則發(fā)現(xiàn)，借助一項(xiàng)名為量子照明的技術(shù)，耗散過(guò)程可以被工程師利用，并借此構(gòu)建更為強(qiáng)健的量子態(tài)。

黑洞防火墻

2012年，美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校的一組物理學(xué)家提出，一個(gè)假想中掉進(jìn)黑洞的觀察者將會(huì)被位于視界附近的防火墻摧毀。他們認(rèn)為，如果這種防火墻的確存在，那將幫助解決黑洞模型理論中現(xiàn)存的一些問(wèn)題，但這一假設(shè)在理論物理學(xué)界引發(fā)了激烈的爭(zhēng)議，因?yàn)檫@一防火墻的想法違背了愛因斯坦提出并已廣泛為物理學(xué)界所接受的等效原理，其基本表述是：觀測(cè)者不能在局部的區(qū)域內(nèi)分辨出由加速度所產(chǎn)生的慣性力或由物體所產(chǎn)生的引力，因而當(dāng)其跨過(guò)視界時(shí)，其本身并不可能意識(shí)到這一點(diǎn)。而在2013年，當(dāng)初的兩名防火墻理論支持者重新點(diǎn)燃了爭(zhēng)論的大火。這兩名作者發(fā)展了一套理論模型來(lái)描述黑洞的內(nèi)部，并提出這樣一名觀察者將會(huì)遭遇具有任意高的能量的量子海洋，而這正是一道“防火墻”。