物理学在“看不见的世界”前行

简介:回顾2012年的物理学，无论是粒子研究的突破、材料研究的“跨界”还是宇宙中黑洞的描述，都是普通人“看不见的世界”中物理学家与科学研究之间的“纠缠”。有时候，结果并不一定重要，因为它代表着一个事件的结束，就像物理学一样。物理学是自然科学中最基础的学科之一。物理学家将提出试图表达自然现象和规律的物理理论。一个全新研究成果的诞生必将改变人类对世界的认识。

回顾2012年的物理学，无论是粒子研究的突破、材料研究的“跨界”还是对宇宙中黑洞的描述，都是物理学家与普通人“看不见的世界”中科学研究的“纠缠”。

高能物理学:揭开粒子世界的奥秘

2012年3月8日，大亚湾中微子实验国际合作小组发言人王在京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量了其振荡概率。物理学家测量了中微子以接近光速的速度相互转换的不可预测过程中的最后一个参数。一些物理学家评论说，这可能是中国实验物理学的最大成就。

2003年，中国科学院高能物理研究所的研究人员提出了利用中国大亚湾核电站产生的大量中微子发现中微子第三次振荡的想法。中国科学院院士、中国高能物理学会主席赵光达说:“如果这个值足够大，我们就可以进行下一代实验，测量中微子振荡中的宇称和电荷对称性破坏，从而了解宇宙中的物质-反物质不对称现象，即宇宙中的“反物质消失之谜”。否则，我们将不知道如何进行下一代实验。”

结果表明，中微子物理将在未来几十年变得更加复杂，正如每个物理学家所预期的那样。甚至中微子也有可能帮助回答诸如“宇宙是如何包含如此多的物质而只有如此少的反物质进化的？”

2012年12月20日，美国《科学》杂志宣布了2012年全球科学的10项突破，中国科学家在名单上发现了第三个中微子振荡。科学指出，国际中微子实验合作小组发现了中微子的第三次振荡并测量了它的振荡概率，这个值是全世界高能物理学家十多年来一直梦想精确测量的。

这一重要成就对于宇宙起源和演化之谜的最终解决具有重要意义。这份世界著名的出版物还认为，如果物理学家在希格斯玻色子之外找不到新的粒子，中微子物理学可能代表粒子物理学的未来。

另一项让全世界科学家兴奋的实验是发现希格斯玻色子。

2012年7月4日，当欧洲粒子物理研究所宣布发现一种与“上帝粒子”一致的亚原子粒子时，希格斯说“难以置信”。

“这是一项里程碑式的研究成果。新粒子的发现是探索微观世界的一大进步。”中国科学院高能物理研究所的研究员陈国明说。

关于高能物理的未来趋势，中国科学院院士贺作秀在接受《中国科学日报》采访时表示，高能物理将逐渐走向真空。真空属于粒子物理学和高能物理学。所有量子场论的基态都是“真空”。所有“粒子”都是真空“场”的量子激发。目前，当代物理学家普遍认为真空不是“空的”。进入真空将成为高能物理的趋势和方向。

材料物理学:金属和绝缘体的“跨界”

拓扑绝缘体是近年来凝聚态物理的一个热点领域，它涉及许多重要的物理现象和机理，具有广阔的应用前景。例如，通过研究拓扑绝缘体中电子自旋的运动模式，我们可以尝试控制和识别电子自旋。

拓扑绝缘体是一种具有奇异量子性质的新物质状态，是近年来物理学的重要科学热点和前沿之一。它完全不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”。它是一种具有内部绝缘和允许电荷移动的界面的材料。

换句话说，拓扑绝缘体的体电子态是具有能隙的绝缘体，而它的表面是没有能隙的金属态。由于其特殊的物理性质，研究拓扑绝缘体对于理解凝聚态物质和基础物理具有重要意义。

拓扑绝缘体的概念是由中国科学家齐和提出的。许多中国科学家和中国科学家在拓扑绝缘体的研究方面走在世界的前列。我相信他们的研究将为深入理解许多基础物理问题带来更多的机会。

2012年3月，上海交通大学物理系的贾金峰和钱东利用各自在薄膜制备技术和原位表征方面的优势，在拓扑绝缘体/超导体界面的研究上取得了突破性进展。这项工作被《科学》杂志的评论家评价为“材料科学的突破”和“伟大的实验成就”。

拓扑绝缘体研究之初，大块单晶材料主要用于国际实验探索。人们还没有获得高质量的薄膜。然而，薄膜是器件应用的关键。在这方面，中国物理学家在拓扑绝缘体的研究中发挥了非常重要的作用。

2009年，清华大学薛启坤教授和贾金峰教授领导的实验组率先采用分子束外延技术制备了高质量的薄膜样品，并对样品的表面态和朗道能级进行了实验观察。目前，许多国际研究小组已经能够生长高质量的拓扑绝缘体薄膜。然而，由于界面反应和晶格适应等问题，很难在拓扑绝缘体和超导体之间制备高质量的界面。

目前，半导体器件只利用电子的电荷性质，越来越小的电路元件使得电子的量子效应越来越明显。摩尔定律似乎已经结束了。为了获得更大的信息处理能力，利用电子的另一种特性——自旋是一个非常明智的选择。

此外，材料中自旋的运动可能涉及量子力学和广义相对论的基本问题，并且可能模拟宇宙中暗能量的产生原理，这为重力和其他力的相互统一、宇宙的组成和演化以及困扰粒子物理学家多年的其他问题提供了实际的参考案例和实验材料。

天体物理学:窥视宇宙的边缘

在人们眼里，黑洞这个词神秘而特殊，而在天体物理学家眼里，黑洞是一个极好的研究对象。

2012年5月，中国科学院云南天文台研究员王带领的研究团队在超大质量黑洞周围物理现象的研究上取得了进展。他们发现在AGNs的物质传输中存在着奇怪的现象，它们的射电核呈现出一种负宇宙演化模式。

王团队收集了1000多个放射性活动星系核，并研究了它们的放射性波瓣和原子核。人们发现，射电核和叶具有不同的演化模式，这表明在物质从中心向外传播的过程中存在一种奇怪的现象。

研究人员的分析表明，当AGN中心的超大质量黑洞有大量吸积物质时，它“不愿意”喷射喷射喷射物质，而在低吸积物质的情况下，它“慷慨地”喷射喷射喷射物质并产生强的无线电发射。

中国科学院高能物理研究所研究员、粒子天体物理中心主任张双南表示，计划于2014年发射的中国空间实验室天宫二号将搭载世界上首台专用高灵敏度伽马射线爆发偏振测量仪。

中瑞合作的“伽马射线偏振探测项目”(Polar)是中国空间天文学“黑洞探测器”项目的一部分。该计划使用极端天体(如黑洞)作为恒星和星系演化的探测器，以了解宇宙的极端物理过程和规律，并解决宇宙的组成和演化。此外，中国空间天文学界也提出了“天体脉动”和“天体肖像”计划。

张双南表示，“中国空间站空间天文探测计划”还包括“宇宙灯塔计划”，该计划计划利用空间站作为天文观测和物理实验平台，探索和实验利用宇宙中遥远的X射线脉冲星信号作为宇宙中的灯塔信号，实现航天器的自主定位和导航，捕捉宇宙中各种天体快速变化的信号，研究宇宙中剧烈和极端的物理现象。

根据计划，中国将在2015年左右发射第一架太空望远镜。这是中国自己的“硬X射线调制望远镜”(HXMT)天文卫星，它聚焦于像黑洞和中子星这样的致密物体。