中國物理的2017：我們開始看到質的飛躍

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?「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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