Physics World 評出2017年度物理學10項突破性進展

10項突破性進展的評判標準包括：研究的基本重要性；顯著的知識進展；理論與實驗間的緊密關聯；所有物理學家的普遍興趣。

《物理世界》的2017年度突破獎授予天文學家和天體物理學家組成的國際團隊，他們開創了天文學領域的新時代：第一次實現了（中子星併合）引力波的多信道觀察。九項其他成就也被高度評價，它們涵蓋從拓撲物理到埃及學等領域。

多信道：兩顆中子星併合對引力（見左側）和物質的影響

1 中子星併合的首次多信道觀察

2017年8月17日， LIGO–Virgo 引力波探測器、費米伽馬射線太空望遠鏡和 INTEGRAL伽馬射線空間望遠鏡，幾乎同時探測到信號。信號來自兩顆中子星的併合——該觀察對象現在被稱為GW 170817。這是 LIGO–Virgo科學家第一次看到中子星併合，並且5個小時後，他們已經確定了信號源在天空中的位置。在接下來的幾個小時和數天里，70多台望遠鏡對準 GW 170817目標，做出了大量觀察，它們涉及：電磁波譜的伽馬射線、X射線、可見光、紅外和射電信號。天體物理學家也在尋找中微子，但沒有被發現。

這些協同觀測已經提供了大量的信息：當中子星以所謂的"kilonova"（千顆超新星）能量碰撞時會發生什麼。這些觀測已經提供了重要的線索：宇宙中的重元素（例如金）是如何產生的。從中子星併合所獲得的測量引力波和可見光的能力，也為測量宇宙之膨脹速率提供了一種新的獨立的方法。此外，這一觀測還解決了一則長期爭論，即關於短時、高能之伽馬射線暴的起源。

今年的突破獎授予了數千名科學家，他們工作在全世界近50個協作團隊。雖然有些獎項，特別是諾貝爾獎，是頒給個人而不是團體的，但這次我們Physics World 強調：科學是一種合作努力。進而，我們認為，GW 170817的多信道觀測體現了科學的協作性質。當來自世界各地的人們為了共同的科學事業走到一起時，我們對宇宙的知識才能不斷深化，這是光輝的一例。

The Astrophysical Journal Letters 上有一篇關於多信道觀察的全面綜述，以及一份所有參加協作的科學家和科研團隊的完整清單。播客「用引力波探索宇宙」（Exploring the cosmos with gravitational waves）的節目，採訪了一些參與引力波觀測的科學家。要想更深入地了解這些最新發現的意義，請看電子書「多信道天文學」（Multimessenger Astronomy），這本書可以免費閱讀。

下面介紹其他9項突破性進展，排名不分先後。

2 物理學家創建第一台「拓撲」激光器

開發所有的選項：新的拓撲激光器可以有任何形狀的激光腔

在聖地亞哥加州大學的Boubacar Kanté和他的同事們，創建了第一台「拓撲激光器」。該裝置包含圍繞任何形狀腔體的光之蛇行線，以至於光不被散射，非常類似於在拓撲絕緣體的表面上電子的運動。激光器在電信波長下工作，並且可能導致更好的光子線路，甚至保護量子信息不受散射。

3 閃電產生放射性同位素

京都大學的Teruaki Enoto及其同事，首次提供了詳細的、令人信服的證據：雷擊會導致大氣中放射性同位素的合成。物理學家已經知道，雷擊會產生伽馬射線和中子，並且猜測：空氣中的這種輻射和氮核之間的相互作用會產生放射性核。Enoto和同事們通過測量伽馬射線（核衰變指示）信號，證實了這一點，該信號在雷擊後大約1分鐘達到峰值。他們說，這是產生放射性核（如氮-13）的證據。

4 將諾貝爾獎獲獎技術結合起來，開發出超分辨顯微鏡

圈餅店: Stefan Hell（左）和同事們

獲獎者：Francisco Balzarotti，Yvan Eilers，Klaus Gwosch，Stefan Hell和同事們。在馬克斯普朗克生物物理化學研究所、烏普薩拉大學和布宜諾斯艾利斯大學，他們開發了一台新型超高解析度顯微鏡，可用於實時跟蹤活細胞中的生物分子。新技術被稱為最大信息發光激發探測(MINFLUX)，它結合了兩項諾貝爾獎獲獎技術的優點，其中之一是由Stefan Hell發明。MINFLUX達到納米尺度的解析度更快，但與先前之可能相比，發射較少光子。

5 無粒子交換的量子通訊在實驗室中實現

獲獎者：布里斯托爾大學的Hatim Salih和中國科學技術大學的潘建偉以及同事們。他們在理論和實驗兩方面實現了，在沒有任何粒子交換的情況下利用量子物理傳輸信息。四年前，Salih和他的同事們提出了一種新的量子通信方案，不需要任何物理粒子的傳輸。儘管一些物理學家對此持懷疑態度，但今年由潘建偉領導的團隊在實驗室中創建了這樣一個系統；並使用它傳輸一個簡單的圖像，過程中幾乎沒有光子發送。這項技術又被稱為「反現實成像」(counterfactual imaging)，該技術可以方便地用於精美古代藝術品（這些藝術品不能暴露在直射光下）的成像。

6 超高能宇宙射線具有超星系起源

注視天空：位於阿根廷的切倫科夫探測器

獲獎者：Pierre Auger Observatory collaboration（天文台協作組）。他們證明，超高能宇宙射線來自銀河系之外。幾十年來，天體物理學家一直認為，能量大於1 EeV(1018 eV)的宇宙射線可能來自這些粒子到達的方向。這與低能量宇宙射線不同，低能粒子在被銀河系磁場偏轉後，接收時似乎來自各個方向。現在，位於阿根廷的Pierre Auger 1600切倫科夫粒子探測器已經揭示，超高能宇宙射線的到達率（就半個天穹而言）比此前認為的更大。更重要的是，多出來的高能粒子其來向遠離銀河系的中心——這表明宇宙射線有超星系起源。

7 在實驗室中構建」時間晶體」

獲獎者：馬里蘭大學的Christopher Monroe和哈佛大學的Mikhail Lukin，以及同事們。他們獨立地創造了「時間晶體」（time crystals）。就像傳統的晶體一樣，自發地破缺平移對稱性；時間晶體也自發地破缺離散時間對稱性。時間晶體最初是在五年前被預言，現在兩個以自旋為基礎的系統已經被創建，系統具有類似於時間晶體的性質。Lukin使用金剛石缺陷中的自旋，而Monroe的自旋是被捕獲的離子。

8 無需功率輸入超構材料增進自然冷卻

冷卻用薄膜：由玻璃和聚合物超構材料輥壓而成

獲獎者：科羅拉多博爾德大學的Ronggui Yang 和 Xiaobo Yin，以及同事們。他們創造了一種新的超構材料薄膜，這種薄膜可以提供冷卻功能，而無需電功率輸入。這種材料由玻璃微球、聚合物和銀製成，材料採用被動輻射冷卻，將薄膜覆蓋於物體使其散熱。物體以紅外輻射的形式發射能量，該能量可以穿透大氣層（碰巧輻射波長與大氣窗口匹配），最終進入太空。這種超構薄膜還反射陽光，這意味著它白天和黑夜都在工作。但或許最重要的是，它能夠以工業規模廉價生產。

9 終於測得了三光子相干

獲獎者：滑鐵盧大學的Sascha Agne 和 Thomas Jennewein，牛津大學的Stefanie Barz, Steve Kolthammer 和 Ian Walmsley，以及同事們。他們獨立地測量了涉及三個光子的量子干涉。要看到該效應是非常困難的，因為它需要能夠同時將三個不可區分的光子遞送到相同的位置，並且還要確保從測量中消除單光子和雙光子干涉效應。實驗也為量子力學的基本原理提供了深入的見解；同時，三光子相干也可以被用於量子密碼術和量子模擬器。

10 μ子探測到埃及金字塔內隱藏有巨大空隙

什麼在裡邊：使用虛擬現實探究胡夫金字塔

獲獎者：ScanPyramids協作組。研究者通過使用宇宙射線μ子，在埃及吉薩的胡夫金字塔內部發現：存在有迄今未知的巨大空隙之證據。在金字塔內部和周圍放置不同類型的μ子探測器，研究組測量了：μ子群當它們流過這個巨大的結構時，是如何衰減的。計算機演算法對數據進行了分析，發現金字塔深處有一個意想不到的巨大的空隙。

（中國科學院理化技術研究所 戴聞 編譯自Hamish Johnston, Physics World, Dec 11, 2017）