據(jù)美國物理學(xué)會網(wǎng)站，世界已經(jīng)迎來了嶄新的2014年，在過去的2013年中，物理學(xué)領(lǐng)域取得了一些重要的進展，回顧這一年，物理學(xué)領(lǐng)域取得的這些進展產(chǎn)生的影響遠遠的超出了物理學(xué)本身。近日美國物理學(xué)會在其刊物《物理學(xué)》(Physics)網(wǎng)站上公布了其評選出的2013年度最重要物理學(xué)進展。

四夸克物質(zhì)

夸克一般為2個或3個成對，這是幾乎所有的實驗給出的結(jié)果。但在2013年夏季，中國的BESIII實驗和日本的Belle實驗分別報告稱他們在高能正負電子對撞實驗中檢測到了由4個夸克組成的神秘粒子。盡管對這種被稱作Zc(3900)的粒子的性質(zhì)還有其它可能的解釋，但4夸克粒子真實存在的可能性看來非常大，因為在那之后中國的研究組又發(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)測罕見偶發(fā)事件的監(jiān)測系統(tǒng)往往造價昂貴，但最終監(jiān)測數(shù)年而一無所獲。因此，近期科學(xué)家們對一個消息感到振奮鼓舞的心情也就不難理解了：他們設(shè)立在南極的冰立方探測器——一臺專用于監(jiān)測中微子的巨型設(shè)備，在2013年報告檢測到兩個具有異常高能量的中微子粒子，其能量接近1000TeV(1千萬億電子伏特)，這比來自太陽的中微子能量高出近10億倍。隨后南極冰立方望遠鏡項目的科學(xué)家們進一步進行了數(shù)據(jù)分析并發(fā)現(xiàn)了另外26個能量高于30 TeV的中微子。科學(xué)家們目前還需要更多的觀測數(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源，而這樣做將可能需要建造一臺更大的探測器。但有一點，他們初步認(rèn)為這些中微子是源自太陽系之外的，而自從1987年之后人們就再也沒有在實驗中探測到如此遙遠來源的中微子。科學(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)域同樣取得了進展，一批與之相關(guān)的長期研究項目陸續(xù)開始公布其結(jié)果，不過遺憾的是，有關(guān)暗物質(zhì)本質(zhì)的問題仍然沒有被揭開。在2013年的4月份，丁肇中教授領(lǐng)銜的，安裝在國際空間站上的阿爾法磁譜儀項目報告他們在宇宙射線中檢測到正電子的過量。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。而另外兩項在地面上進行的實驗則從另一個方向著手，他們試圖直接捕獲被認(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)。這兩項實驗分別是美國費米國家實驗室的“低溫暗物質(zhì)搜尋實驗”(CDMS)以及設(shè)在南達科他州的“大型地下氙探測實驗”(LUX)。今年CDMS實驗小組宣布的一個消息曾經(jīng)引起廣泛關(guān)注，當(dāng)時研究人員稱他們在閃爍探測器信號中檢測到一個可能與WIMP粒子有關(guān)的峰。但很快LUX實驗的探測結(jié)果就給這一消息澆了一碰冷水，該實驗在更高的精度上進行觀測，但卻并未檢測到類似的信號。目前這兩個實驗項目組正在相互競爭，爭相提升己方的探測精度，并希望能在未來給出有關(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。這項技術(shù)將有望被應(yīng)用于量子計算，并使用光子進行信息存儲。德國達姆施塔特工業(yè)大學(xué)的一個研究組在2013年的一項實驗中創(chuàng)紀(jì)錄地讓一束光停止了整整一分鐘。這項技術(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)暫時性的變透明，從而可以存儲光子。盡管一分鐘的時長已經(jīng)是該研究組在實驗中所用晶體的理論極限，但未來將很有可能達成更長的光存儲時間：研究人員正在嘗試使用摻銪晶體進行實驗，理論上這將讓光存儲時間延長到數(shù)小時之久。

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了一項宇宙學(xué)領(lǐng)域的突破性進展：南極望遠鏡項目組的科學(xué)家們在宇宙微波背景輻射信號中檢測到微弱的扭曲，即所謂B-模偏振現(xiàn)象。之所以會發(fā)生這種扭曲，是因為構(gòu)成CMB信號的光線在穿越宇宙抵達地球的途中遭遇大質(zhì)量體引力透鏡效應(yīng)而引發(fā)的。這一進展未來將幫助科學(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，日本電報電話公司(NTT)基礎(chǔ)研究實驗室的一個小組展示了世界上首個完全實現(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的量子力學(xué)課本，你一定會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)在實驗上直接“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設(shè)計了一種“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�？茖W(xué)家們通過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)家們實現(xiàn)了對一些大型且昂貴設(shè)備小型化方面的一系列重要進展，從而可以將它們?nèi)�都安放進本就擁擠的實驗室里。2013年，美國洛斯阿拉莫斯實驗室的科學(xué)家們制作成功一臺可以放在桌面上的小型中子源，其強度和聚焦能力足以實現(xiàn)對材料缺陷探查等功能。這種設(shè)備的原理是利用強大的激光束與固體靶標(biāo)之間的相互作用來產(chǎn)生中子，其應(yīng)用領(lǐng)域包括測試中子探測器，或用于分析材料遭受的輻射損傷。相似的，另一個來自美國斯坦福大學(xué)的小組，以及兩個德國的研究組——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，他們在制造造價更加低廉，結(jié)構(gòu)更緊湊的小型X射線源方面取得重要進展。這幾個研究組發(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米子湮滅

物理學(xué)家們一直致力于搜尋馬約拉納費米子的存在，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題，2013年，美國伊利諾伊大學(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準(zhǔn)粒子(quasiparticle)，并應(yīng)用磁場誘導(dǎo)這兩個粒子相互湮滅，這一點完全符合預(yù)期。在固體中發(fā)現(xiàn)馬約拉納態(tài)的案例對于未來開發(fā)量子計算機并加強其對抗噪音的能力意義重大。

量子學(xué)高歌猛進

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

我們何時才能擁有量子計算機，它們的性能是否真的能勝過傳統(tǒng)計算機？一家加拿大公司“D-Wave Systems”報告稱他們今日解決了一項量子計算機方面的重要困難并取得進展。但很多專家對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個超導(dǎo)元素構(gòu)成的設(shè)備可以被稱作量子計算機，并且其性能表現(xiàn)也并無法戰(zhàn)勝傳統(tǒng)計算機。因此量子計算機的研制可能還需要多年的努力，但在過去的2013年內(nèi)科學(xué)家們的確在解決量子信息存儲以及通訊協(xié)議等方面取得了一系列的重要進展。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，全球有兩個研究組展示了一項量子加密技術(shù)，這項技術(shù)的問世將讓信息竊取成為不可能。

另外兩項進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)家們驗證了這項技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)可以對抗噪音與耗散。來自美國麻省理工學(xué)院的一個研究組證明，在一個安全的量子通訊信道內(nèi)，使用者將能獲取糾纏帶來的益處，即便是在其被噪音打破之后也是如此。而另一個來自德國柏林自由大學(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)，借助一項名為量子照明的技術(shù)，耗散過程可以被工程師利用，并借此構(gòu)建更為強健的量子態(tài)。

黑洞防火墻

2012年，美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校的一組物理學(xué)家提出，一個假想中掉進黑洞的觀察者將會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)存的一些問題，但這一假設(shè)在理論物理學(xué)界引發(fā)了激烈的爭議，因為這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)其跨過視界時，其本身并不可能意識到這一點。而在2013年，當(dāng)初的兩名防火墻理論支持者重新點燃了爭論的大火。這兩名作者發(fā)展了一套理論模型來描述黑洞的內(nèi)部，并提出這樣一名觀察者將會遭遇具有任意高的能量的量子海洋，而這正是一道“防火墻”。