《物理世界》评2016年度十大物理学突破，你知道几个？

一个由《物理世界》的四名编辑和记者组成的团队选出了2016年的十大发展。标准包括:

研究的基本重要性；

知识的重大进步；

理论与实验的紧密联系；

它引起了物理学家的广泛兴趣。

毫无疑问，今年的第一名将是毫无疑问的。《物理世界》无疑将2016年最大的突破授予了LIGO科学合作组织，因为它的“发现引起了巨大的变化——历史上第一次直接探测到引力波”。

2016年最大的物理突破:

LIGO首次探测到引力波，启动引力波天文学

走进白宫，到达人生的巅峰:2月24日国会听证会上的LIGO团队成员

在阿尔伯特·爱因斯坦首次提出广义相对论假说整整100年后，美国LIGO科学合作组织利用先进的LIGO天文台探测到了两次独立的引力波事件，这在2016年成为最轰动的科学事件。2015年9月14日，当先进的LIGO仍处于试运行阶段时，科学家们探测到了第一次引力波事件，并于今年2月公布了结果。2015年12月26日，第二组引力波通过了LIGO探测器。它们被称为“节礼日活动”，结果于今年6月公布。引力波是空间和时间的涟漪——科学家们观察了几十年才找到它们。

这些测量意味着引力波已经真正成为探测天文事件的一种手段，标志着将引力波天文学与光学、射电望远镜和引力波相结合的多信号天文学时代的开始。不久，世界其他地方的引力波探测器也将建成，与LIGO的双探测器一起形成一个全球引力波探测器系统。

引力波的两个事件都是由遥远宇宙中的灾难性事件引起的——两个黑洞的碰撞和最终合并。在第一个事件中，有36个和29个太阳质量的两个黑洞合并成一个有62个太阳质量的旋转黑洞。这个距离我们大约13亿光年的事件叫做GW150914。由这一事件引起的引力波同时被当时新升级的两个阿利戈探测器探测到——一个在华盛顿的汉福德，另一个在路易斯安那州的利文斯顿。事实上，当信号到达天文台时，两个探测器仍在校准中。然而，来自GW150914的信号是如此强烈和清晰，以至于肉眼可以以数据的形式“看到”，其统计确定性可以达到5.1σ。

在节礼日活动中，探测到的引力波也是由黑洞碰撞产生的。它们重14和8个太阳质量，合并成一个旋转的黑洞，有21个太阳质量，距离我们约14亿光年。2015年10月，LIGO记录了第三个可能的事件，称为LVT151012。尽管统计数据不足以成为一项发现，但LIGO团队仍然认为该事件也起源于两个合并的黑洞。

LIGO在四个月的观察中发现了三起事件，这没什么特别的。LIGO的仪器足够灵敏，能够探测到干涉仪臂之间1000个质子直径的长度变化——这是一项不可思议的工程壮举。

LIGO改变了我们对宇宙的看法——它的观察成为了引力波和黑洞的第一个直接证据。此外，两次事件中合并的恒星质量黑洞不符合我们目前对黑洞的理解。天文学家最初认为这样的双星根本不会形成。即使他们可以，他们相隔太远，无法融合。LIGO的合作者还认为，首次探测到的信号应该来自两颗中子星的罕见合并，而不是黑洞合并。然而，最近发现的数据显示，双黑洞的融合速度可能比先前预期的要快。

其余九项突破紧随其后，没有排名。

两个盒子中的量子薛定谔猫态

两个盒子里的薛定谔猫

耶鲁大学的王晨和罗伯特·肖尔科夫以及法国国家信息和自动化研究所共同创造了一只“薛定谔猫”，它可以同时存在于两个不同的盒子里，既可以是死的也可以是活的。薛定谔的猫已经成为量子力学悖论的象征。在这项新技术中，包含这个“薛定谔猫”的“盒子”是两个纠缠的微波腔，“猫”是由每个腔中存在的光子集合来表示的。这些集合可能是两个量子态之一(代表“活”或“死”)，实验小组成功地将整个系统置于一种状态，在这种状态下，两个“盒子”中的“猫”在测量之前都是死的和活的。这项工作不仅用新的方法实现了两个盒子中的薛定谔猫，而且提供了一种用纠错协议存储量子信息的新方法。

德国科学家探测到钍-229原子核的低能跃迁

来自慕尼黑大学、GSI亥姆霍兹重离子研究中心、美因茨亥姆霍兹研究所和古腾堡大学的拉斯·冯·德·温斯、彼得·蒂尔夫和其他人已经探测到钍-229核的一个罕见的时钟跃迁。为了制造更精确的时钟，计量学界一直试图将激光锁定在一个罕见的低能核跃迁上，以产生一个“核时钟”。因为原子核较少受到杂散电磁场的干扰，这样的“核钟”原则上比传统原子钟更稳定。钍-229中预测的7.8电子伏跃迁被认为是一个理想的候选者——但是物理学家们以前并没有实际探测到它。通过钍-229原子和离子实验，研究小组表明，这种跃迁确实存在，能量范围从6.3到18.3电子伏特。研究人员的下一个目标是改进测量方法，使能量达到毫伏的精度。如果成功的话，激光光谱学可以用来研究跃迁现象。

英国科学家研制出廉价的微型高灵敏度重力仪

新型重力仪

格拉斯哥大学的贾尔斯·哈蒙德和他的同事们开发了一种低成本、小型且高度灵敏的重力仪。这种小型设备可以非常精确地测量地球的重力，并且可以配备无人驾驶飞行器或多传感器阵列来执行一系列任务，包括矿产勘探、土木工程和火山监测。虽然这种重力仪不如目前最好的传感器灵敏，但它的生产成本只有现有设备的1/1000，而且显然比它们更小更轻。该设备的核心是“检测质量块”，它是一个10毫米长的硅晶片，位于两个柔性支柱的顶部。其质量、压缩结构和框架均采用标准半导*造工艺制造。

负电子折射首先在石墨烯中观察到

哥伦比亚大学、弗吉尼亚大学、康奈尔大学、*家材料科学研究所、沈阳国家材料科学实验室和IBM的科里迪安、阿维克戈什和其他人已经测量了石墨烯中电子的负折射。一些人造超材料具有负折射特性，可用于制造新的光学器件，如理想透镜。材料中的电子可以以波的形式出现，因此负折射也应该出现在N型和P型半导体(p-n结)的界面上。科学家已经证明，在普通半导体中不可能看到这种现象，因为大多数电子在p-n结被反射。迪安和他的同事们在石墨烯上构建了一个p-n结，并确保其界面足够光滑，以减少反射，从而使他们能够测量电子的负折射。负折射可用于将发散的电子束集中在一点，这是制造低能耗电子开关的基础。

在半人马座比邻星的可居住区发现的小型岩石行星

勇敢的新世界:艺术家对比邻星的想象

“微红斑点”小组在半人马座比邻星的可居住区发现了一颗岩石行星的清晰证据，这是离太阳系最近的恒星。这颗系外行星被称为比邻星B，它的质量大约是地球的1.3倍，所以它很可能是一颗类地行星，表面布满岩石。它位于半人马座比邻星的可居住区，这意味着理论上它的表面可能有液态水，甚至有大气层。半人马座比邻星是一颗红矮星，距离太阳只有4.2光年。尽管比邻星B表面的紫外线和X射线辐射可能比地球上的强，研究小组说这并不排除大气的存在。他们认为地球上是否有液态水甚至生命取决于它是如何形成的。

两种不同的离子之间发生量子纠缠。

牛津大学的Chris Ballance和国家标准技术研究所的Ting Rei Tan成功地将不同的离子纠缠在一起并测量了它们。这两个研究小组已经独立完成了这项工作。该研究将为基于两种以上不同离子的离子量子计算机的构建奠定基础。当执行某些量子计算任务时，一些离子比其他离子表现得更好，所以科学家认为混合离子系统也许可以提高量子计算效率。牛津团队将同一元素的两种不同同位素离子——钙-40和钙-43——纠缠在一起，而NIST团队使用铍-9和镁-25进行量子纠缠。

一种新型大视场高分辨率显微镜头

英国斯特拉斯克莱德大学的盖尔·麦康奈尔和布拉德·阿莫斯开发了一种新型显微镜镜头，既有大视场又有高分辨率。这种透镜被称为“中间透镜”，允许共焦显微镜在显示亚细胞水平细节的同时形成较大生物样本的三维图像。在一张图像中观察整个样本的功能的能力给许多生物学研究过程带来了便利，并确保重要的细节不会被忽略。研究人员使用定制的共焦显微镜镜头对12.5天大的小鼠胚胎进行成像。它们可以对单个细胞和心肌纤维成像，显示亚细胞细节，不仅可以对样品表面成像，还可以对整个胚胎内部成像。

量子计算机首次被成功地用于模拟高能物理实验。

奥地利因斯布鲁克的量子光学和量子信息研究所、莱因尔·布拉特、彼得·佐勒和因斯布鲁克大学的其他人利用量子计算机模拟了基本粒子的相互作用。该团队使用四个俘获离子来模拟电子-正电子对的产生和湮灭。虽然这个过程可以用普通计算机轻松计算，但是当离子数量增加到30以上时，即使是最强大的超级计算机也不能解决这个问题，但是量子计算机可以做到。该团队已经生产了一个包含许多离子的系统，但是在进行实际模拟之前，它的性能需要显著提高——这在十年内是可能的。

德国物理学家制造单原子引擎

热设备:捕获钙原子的实验装置

德国美因茨大学的基利安·辛格、约翰内斯·罗斯纳格尔和其他人已经创造了基于单个原子的发动机。这是一台热力发动机，它将温差转化为机械功。研究人员将单个钙原子困在漏斗状的陷阱中，然后用电噪声加热该原子。随着温度的升高，它在径向上的振荡变得更大，导致它对具有更高电势的区域进行采样，从而允许粒子到达阱的较大端。通过周期性地打开和关闭电噪声，研究人员使原子在阱的两端之间振荡，这可以防止原子逃离阱——而将原子保留在阱中所需的能量由引擎提供。他们的下一个研究目标是进一步冷却原子并更严格地限制它，使它的行为更像量子波包，而不是经典粒子，这可能会打破热力学和量子力学研究之间的鸿沟。

作者:tushna commissariat，hamish Johnston