2017 年，物理學界都發生了哪些大事件？

01-05

本問題已加入知乎圓桌 ?「2017 年度盤點」，更多討論歡迎關注。

元素周期表第七行填滿了：

【解放日報】還記得氫氦鋰鈹硼嗎？

當然，嚴格來說這些元素早就被發現了，只是去年才獲得了認可，今年才把對應的漢字給定下來。

另一個比較尷尬的事情是：雖然合成新元素這件事情已經完全變成了核物理學家的工作，但是負責給這些新元素取名的機構依然是「國際純粹與應用化學聯合會」。

沒辦法，歷史遺留問題。

?「墨子號」-阿里地面站量子隱形傳態實驗現場圖

撰文 | 辛玲李健

責編 | 陳曉雪

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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2017年物理界的頭版，被引力波完美佔據。從VIRGO探測器上線並一舉實現與LIGO的聯合觀測，到LIGO的三位主要科學家毫無懸念地摘取今年的諾貝爾物理學獎，引力波的熱潮一次次被推向高點。尤其是宣布觀測到兩顆中子星的合併，同時探測到短伽馬射線暴，確認了巨新星事件，揭示了重元素形成之謎，一個多信使天文學的時代就此開啟。

有開始就有結束。9月15日，在土星工作了整整13年的卡西尼號探測器燃料耗盡，在向地球發出最後一串信號後加速俯衝入土星大氣層，終結了自己的生命。它一共拍攝並傳回了數十萬張圖片，留下了635GB的科學數據，為人類認識土星、探索太陽系積累了極其寶貴的資料。

如果說引力波和卡西尼是歐美物理學界的驕傲，本年度的中國物理和天文表現也毫不遜色，亮點紛呈。空間科學衛星大放異彩，相繼實現科學目標，取得了世界領先的研究成果。以FAST為首的地面大科學裝置蓄勢待發，直指國際基礎研究最前沿。

中國物理，我們開始看到質的飛躍。

量子通信領跑者

12月19日凌晨，《自然》雜誌發布的2017年度十大人物，盤點在過去一年對科學產生重大影響的十位科學家，中國科大教授潘建偉因為在量子通信領域的突出貢獻赫然在列。

量子通信在理論上有著近乎完美的保密性，有望成為未來通信的基本形式。然而常規光纖或近地自由空間會造成信道損失，導致量子通信的距離一直被限制在百公里量級。由潘建偉擔任首席科學家的全球首顆量子通訊衛星「墨子號」於2016年8月發射，2017年圓滿實現三大科學目標：千公里級星地雙向量子糾纏分發、衛星到地面的量子密鑰分發、及地面到衛星的單光子量子比特的隱形傳態。他們的論文分別作為封面文章發表在《科學》和《自然》雜誌，被《自然》審稿人稱為「十分令人激動的消息」，「證明量子技術已經突破了天空的限制，也是中國在物理科學方面的投資及努力的證明」。

捕捉暗物質

中國科學家在暗物質探測領域正在取得快速進展，或將改寫歷史。

我們所在宇宙的絕大部分是不可見的。其中有25%的物質被科學家們稱為「暗物質」，它們可能由一類未知粒子組成，不受電磁力的影響，僅通過引力場與已知物質發生作用。

為了捕捉暗物質，一種方法是利用在空氣中提純的惰性元素氙（Xe）作為探測媒介來尋找暗物質，以在中國錦屏地下實驗室進行的「熊貓計劃「（PandaX）為代表。2017年8月，該項目負責人、上海交大鴻文講席教授季向東在國際高能粒子天體物理大會上公布了最新暗物質探測實驗結果，第二次刷新了暗物質粒子性質限制的世界記錄。

另外一種是空間利用暗物質碰撞湮滅會同時產生普通物質和反物質（如正負電子對）的原理進行間接探測。2015年底中國發射了「悟空號」暗物質粒子探測衛星。與AMS-02、Fermi等同類項目相比，「悟空」首次觀測了TeV以上的高能宇宙射線，並獲取了目前世界上精度最高的宇宙線探測結果。項目首席科學家、紫金山天文台常進研究員及其團隊11月30日在《自然》雜誌上發表的論文稱，他們還測量到能譜在約1.4 TeV處的一個可疑信號。耗資僅1億美元的「悟空號」目前在軌運行狀態良好，將繼續收集數據，進一步證實該可疑信號的真實性及其是否與暗物質湮滅相關。

FAST初具威力

在中國西南喀斯特地貌中落成的地球上單體直徑最大、靈敏度最高的射電望遠鏡FAST，被媒體渲染為尋找地外生命的利器。

過去的一年，FAST的工程師和科學家們爭分奪秒地開展調試工作，目標是在500米尺度上實現毫米級的測量和控制精度。至今年夏末已完成望遠鏡的功能性調試，包括碟與接收器的聯合工作、首次跟蹤觀測、換源、編製掃描等。

目前，FAST已累計試觀測1440小時，超額完成500小時的計劃觀測任務，發現優質脈衝星候選體17顆，其中通過國際認證9顆。

「FAST的成功來得有點太快了，讓世界措手不及」，德國馬普學會射電天文研究所所長Michael Kramer說。FAST發現的脈衝星將在精確測量、未來導航技術、探測超大質量黑洞合併引起的引力波等方面起到關鍵作用。

然而，令人遺憾的是，在成果公布之前的9月15日，耗盡畢生心血建成FAST的首席科學家、總工程師南仁東，因病逝世。

12米望遠鏡之爭

關係中國天文學下一代科研平台的12米光學紅外望遠鏡建設方案之爭，引起軒然大波。

中國目前擁有的最大通用型光學望遠鏡僅為一台2.4米口徑、隸屬於雲南天文台的「歐洲製造」，無法滿足迅速增長的國內使用需求。在發改委年初公布的國家重大科技基礎設施建設「十三五」規劃中，「大型光學紅外望遠鏡」赫然在列，並高居第二的位置。

計劃中的12米口徑光學/紅外望遠鏡不僅能大大減輕我國對國外大望遠鏡的依賴，如能儘快建成，還可趕在下一代30米級望遠鏡之前成為世界最大。然而，關於到底該採取哪種技術方案，卻在關鍵時候產生了分歧。

以南京天光所為首、有著郭守敬望遠鏡設計建造經驗的團隊主張採用四鏡系統，以提高成像質量，推動技術創新。另一派卻質疑包含未驗證技術的四鏡系統的可靠性，強烈主張採用國際通行的簡單、成熟的三鏡系統。雙方各執一詞，互不相讓。兩次專家評審的結果大行徑庭，越發加劇業內爭論。隨著國內外媒體對此事的曝光和熱烈討論，12米望遠鏡項目目前處於擱置狀態，前途未卜。

凝聚態物理穩步推進

中國在凝聚態物理，尤其是高溫超導電性、量子反常霍爾效應、拓撲材料與物態等重要領域走在國際前沿。

2017年，中國科學家繼續積極探尋極端條件下的微觀世界。實驗方面，穩態強磁場實驗裝置於9月底在合肥通過驗收，使我國成為世界第五個擁有穩態強磁場的國家。同期，綜合極端條件實驗裝置在北京懷柔動工，以期在實驗室更好地達成低溫度、高磁場、高壓強等極端物理條件。理論方面，除了進一步發展已有的辦法，如密度矩陣重整化群和蒙特卡羅方法，中國物理學家也開始嘗試新的途徑，如利用機器學習演算法來嘗試解決量子多體問題。

展望2018

展望2018，期待嫦娥四號能按原計劃升空，首次實現月球背面軟著陸；期待12米望遠鏡塵埃落定，已完成概念設計的環形對撞機紮實穩健推進。第二批空間科學衛星正在路上，值得關注。

天地之大，比我們能想像到的還多得多。在認識世界的道路上，我們正在不斷前進。

製版編輯：許逸｜

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未完待更

寫在前面：

還記得今年年初關於「電荷」的那場全民大討論嗎？

儘管最終被證明是一場鬧劇，但究其傳播力和影響力，這恐怕也能算得上是一次「諾獎級別」的「物理學大事件」了。

現在，我們重發一篇舊文《電荷的本質是什麼》，一起來看看「電荷」這個司空見慣的概念背後，還有多少秘密等待我們的探索和研究。

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電荷的本質是什麼？

作者：@葛自勇

審校：@sym cheng @QWERTY

核心提示：有了量子場論，人們才能從某種程度上說真正理解了電荷的本質。

我們或許在很小的時候就知道，這個世界有正負兩種電荷，帶同種電荷的物體相斥，帶異種電荷的物體相吸。我們還知道，電子帶負電荷，質子帶正電荷。但事實上，對於電荷的本質，可能大多數人並不清楚。雖然電荷的概念已經有了數百年，但是直到上個世紀中期，有了量子場論，人們才能從某種程度上說真正理解了電荷的本質。而今天的主題就是揭開這個我們既熟悉又陌生的電荷的真正面紗。

一、寫在前面

在正式討論電荷的本質之前，我們有必要先闡述關於現代物理學研究的一個基本思想：現代物理學在評判一個理論的正確性或成功性時，最重要的標準是該理論本身的自洽性和能否很好地解釋實驗規律，因此，即使該理論違背了直覺或一些早已在人們心中根深蒂固的「事實」，那也在很大一部分程度上也是可以接受的。

就拿電子和聲子的例子來說吧。現在人們基本承認電子是一種基本粒子，但事實上我們並沒有親眼看到電子長得什麼樣，是圓的？還是方的？我們唯一清楚的是根據探測器探測到的數據可以肯定某粒子的行為跟我們定義出來的電子的行為是一模一樣的；而對於聲子，我們則普遍認為它是一種准粒子，並非真實存在的，但另一方面，從探測器上的數據來看它確實完全可以認為是一種真實存在的粒子。因此，從某種程度上來說，「電子不一定真，聲子不一定假」。這看起來似乎很荒誕，但並不礙事，其實無論是真實粒子還是准粒子，只不過是定義上的差別，其理論本身則是自洽的並能很好地解釋各種實驗現象，那我們就不能因為這個定義看起來很不符合直覺就認為它是錯的。我們的物理實質是不應該依賴於選擇什麼表象的（物理實質只能是實驗現象和數據），而對於各種物理量的定義從某種意義上來說就是一種表象。既然不依賴於表象，我們當然是選擇一種最簡單直觀的表象來理解我們的世界咯，比如說定義粒子的電荷就能很好得解釋各種電磁現象了，何樂而不為？

所以，真正的好的理論或偉大的理論，並不是它能夠推翻人們先前對這個世界的某些認識，或其多麼晦澀難懂，而是，首先它是自洽的並且能夠完美地解釋和預測實驗，其次它是簡潔直觀的。這裡的直觀不是說它一定要符合直覺，而是物理過程是可以直接從該理論中讀出來，比如在狄拉克方程中，反粒子的概念可以直接從方程式中得出來，這就是所謂的直觀。

二、諾特定理

艾米·諾特（Emmy Noether，1882-1935，德國數學家），作為20世紀最偉大的女性數學家，被譽為「抽象代數之母」，其在物理學領域也有一項具有劃時代意義的工作，即我們將要闡述的諾特定理。

諾特定理是將物理中的守恆量與對稱性聯繫起來的一個理論，即，系統的任何一個連續對稱性都能對應一種守恆量（這裡必須是連續對稱性）。比如說，對於自由粒子體系，它有空間平移對稱性，因此它就對應了系統動量守恆；對於保守力場體系，它有時間平移對稱性，因此它就對應了系統能量守恆；對於有心力場體系，它有空間旋轉對稱性，因此它就對應了系統角動量守恆。

事實上，這些守恆量我們統稱為守恆荷，將這些荷的空間分布密度定義為荷密度ρ，對荷密度進行全空間積分便得到系統總的荷量。而一般情況下空間中的荷是一直在空間流動的，這樣這些荷就形成了流

（具體物理圖像，讀者可參考水流和電流的物理過程，可以從中類比過來）。那麼，若系統具有某種對稱性，根據諾特定理，我們可以推導出如下的守恆荷方程:

或積分形式：

第一個方程的物理意義是空間所有點的荷密度變化率等於該點流入或流出的荷密度的速率，也就是說該體系是一個保守體系，沒有任何荷從該系統中消失也沒有額外的荷進入到該體系，因此該系統的總的荷是守恆的（其實，第二個積分方程更能十分直觀反映荷守恆的結論，但不如微分方程給出的物理過程那麼清晰）。其實，這也就是電荷守恆的微分和積分形式。

註：對稱性是現代物理學理論中的一個極其重要的概念，其表示在經過某些變換時，系統狀態保持不變，而這裡系統的狀態則是由系統的歐拉-拉格朗日方程（又稱運動方程）所描寫的。例如，對於保守場體系，系統的拉格朗日量不顯含時，從而它的運動方程也只含有時間的偏導項，因此對時間進行平移變換（即t→t+T的變換，這樣，對時間的偏導項會保持不變），運動方程自然保持原來的形式，所以我們說該保守系統具有時間平移對稱性。

三、電荷的本質

讀到這，相信很多讀者可能已經對電荷有了一些似是而非的理解了。是的，同能量、動量和角動量一樣，電荷也是來自於一種連續的對稱性，叫做全局的U(1)規範對稱性。該對稱性與能量、動量及角動量所對應的時間平移、空間平移和空間旋轉對稱性是有很大區別的，後者的對稱性都是和時空相關的，都被稱為時空對稱性，而前者的對稱性則與時空無關，被稱為內稟對稱性。因此，我們也稱粒子的電荷是一種內稟的屬性與時空無關。

那麼，何為全局的U(1)規範對稱性？我們知道，在量子場論中，粒子的行為是由該粒子的場算符

和

所描寫的，而對於很多粒子來說，它的場算符是由一對互為厄米共軛的復的場算符和來表示，比如電子。全局的U(1)規範變換，即是對場算符做

的變化，即在場算符前加一個全局的相位因子（這裡的α是一個任意的與坐標無關的實參數，若其與空間坐標有關則被稱為局域的U(1)規範變換，這裡不予討論）。若在這種變化下，即α 取任何實數，系統的運動方程都保持不變，那麼稱該體系具有全局的U(1)規範對稱性。

這樣，我們可以根據相關的數學計算，將全局的U(1)規範對稱性所對應的守恆荷的相關算符形式給求出來。例如，對於自由的電子場，根據諾特定理，通過計算我們可以得到如下的守恆荷的算符形式：

其中，

分別是電子與正電子（電子的反粒子）的產生、湮滅算符，s表示電子的自旋。顯然將Q算符作用在電子的單粒子態上，我們得到單電子的該荷量是+1，作用在正電子的單粒子態上，得到正電子的單粒子荷量為-1，也就是說電子與正電子所帶的這種荷大小相等，符號相反，而這一結論可以推廣的所有粒子中。這裡，大家可能發現了，我們僅僅給出了該荷的形式上的量子化關係，並不能計算出電子實際所帶的該荷量的大小和其物理意義。這是由於我們上面所討論的是自由電子場，並沒有引入相互作用。當我們將電子場與電磁場進行耦合，即引入電磁相互作用時，我們發現電子所帶的該種荷與我們先前定義的電荷的行為是完全一樣的，因此，我們認為電子的該守恆荷就是我們所說得電荷。實際上，從電磁相互作用的拉格朗日量中我們可以看出，單粒子的電荷量大小影響著該粒子與電磁場的耦合強度（及QED的耦合係數），二者是成正比的。推廣到經典極限下，粒子的電荷就表徵著庫倫力的大小和方向。總之，我們認為，電荷的本質是來源於粒子的全局U(1)規範對稱性（其實反過來並不一定成立，也就是說並不是所有粒子的全局的U(1)規範對稱性的守恆荷都是電荷，只有在是與電磁場耦合的意義下的全局的U(1)規範對稱性的守恆荷才是電荷），是個內稟屬性，其大小僅依賴於粒子種類，而不依賴於該粒子的時空坐標系選擇，即對於一個確定的粒子來說，其電荷量是常量，且互為正反粒子所帶的電荷量大小相等符號相反。

至此，或許有些讀者表示很不滿，認為這種意義下的電荷的本質不過只是一些數學上的小把戲。我們依舊看不清，摸不著，我們甚至懷疑其是否真正存在。然而，正如筆者前面所說的，同聲子的概念一樣，當我們有了電荷的概念以後，似乎一切物理圖像都變得清晰了，並且整個體系是顯得如此自洽、直觀和完美，在這種意義下，我們為何不認為電荷就是真實存在的呢？或者說，如果不能獲得其他什麼價值，我們又有什麼必要去認為電荷不是真實存在的呢？最後，筆者想引用一下狄拉克先生的一句名言：「這麼漂亮的東西不可能是錯的。」

引力波探測，馬約拉納零能模，三重簡併費米子……

2017年，十大科學發現

原創 2017-12-12 原原原理

https://mp.weixin.qq.com/s/h4FcNnx6HthLuTFcjT2K-w

看上去有引力波為首的一系列大事件，實際上也沒發生什麼。

我覺得理論物理這麼多年了，大家都想搞個大新聞，也都隱約覺得有大新聞在前面等著我們搞，但實際上啥大新聞都沒有。

回答這個問題首先要定義滿足什麼標準才能算作年度重大事件。

我以為，年度重大事件的門檻應該類比炸藥獎但是重要程度低於炸藥獎的成果。所以評價標準就是兩條，第一，有沒有新理論。第二，有沒有新現象。

如果這個新理論或新現象有可能開闢一個新的領域和子學科，那麼可以拿炸藥獎。

如果這個新理論或新現象達不到炸藥獎級別，但是在開闢新研究領域的過程中作為必不可少的奠基性文獻，對新學科的開闢起到重要推動作用，那麼可以稱得上(年度)重大事件。

一個不恰當的例子:該文獻是否能被諾貝爾獎獲得者的RMP綜述引用

引力波! 引力波! 引力波!

其實應該是引力波得諾獎?

生活大爆炸里的謝耳朵說，好多年沒什麼大事了