2009国际物理十大进展

2009年12月21日，英国皇家物理学会(IOP)所属国际知名电子期刊《物理世界》评出2009年度国际物理十大进展.

1 首个完整的“量子计算机”

2009年8月6日美国国家标准与技术协会(NIST)所属一个研究小组在《Science》上发表题为“Complete Methods Set for Scalable Ion Trap Quantum Information Processing”(可升级离子阱量子信息处理的完备方法集)的论文.在论文中该小组说他们制作了一个小型器件，可以执行基于离子的大规模量子信息处理所需的所有功能.虽然在此之前科学家曾示范过关于量子信息的单个或组合的处理方法，但这样具有完备处理功能且在传输中无明显信息丢失的装置还是首次出现，因此这一成果被此领域中的研究者认为是迈向实用量子计算机的重要一步.

2 “顶”级的发现

2009年3月4日《物理评论快报》发表费米实验室的一篇论文宣布在粒子对撞实验中观察到了单顶夸克的产生.单顶夸克的发现证实了粒子物理学中包括夸克总数在内的一些重要参数，对费米实验室Tevatron加速器正在进行的寻找 “希格斯子”的工作有重要意义.此前，顶夸克只是在强核力作用下才能观察到，这种相互作用可导致产生一对顶夸克.单顶夸克的产生涉及到弱核力，因此很难用实验进行证明.

单顶夸克的发现距1995年首次发现顶夸克已经过了大约14年的时间.寻找单顶夸克的难度犹如大海捞针，因为每200亿次质子-反质子碰撞中只有一次才能产生一个单顶夸克，而且这些非常罕见的信号还很容易与那些发生几率高得多的其他“背景”进程相混淆.费米实验室的研究报告中说发现单顶夸克误判信号的概率为大约四百万分之一，这使研究人员可以大胆宣称发现的是真实的单顶夸克.

3 新型自旋电子学器件的曙光

目前的电子技术大都基于对电子的电荷属性的操控，而电子的另一属性——自旋属性除在巨磁电阻硬盘之中得到应用外，长期未得到开发利用.荷兰特温特大学的Ron Jansen与合作者于2009年11月在《自然》上发表论文报告说，他们首次在室温下将自旋电子注入硅基半导体器件，且此自旋状态保持了一定时间，这就是说利用电子自旋属性的硅基“自旋电子学器件”有望应运而生，将来有可能开发出单个器件在纳米尺度，速度在10～100 GHz硅基自旋电子学集成电路，从而催生出新一代计算机.

根据自旋轴相对于周围磁场的指向，电子自旋具有向上和向下两个状态，如果能用这两种状态来在数字电路中代表0和1，那么器件的尺寸可以大为缩小(集成化程度提高)，耗能下降，运算速度也可以大大加快.可以说基于自旋电子学器件的计算机是未来计算机发展的重要方向.但在此前的研究中，自旋极化状态只有在100 K以下的低温环境才能在计算机常用的硅基器件中持续存在，因此极大地限制了自旋电子学器件的发展.

在特温特大学的研究报告中说，他们在实验中发现只要在半导体硅片和磁性材料之间插入厚度不到1 nm的氧化铝薄膜，再施加一个电场，那么自旋极化的电子就会从磁性材料向硅片移动，氧化铝薄膜会起到过滤器的作用，只有某个特定自旋状态的电子能够通过.只有当有序的自旋极化电子注入硅片时，才能在室温条件下使硅片中的自旋极化电子的状态保持一段相对较长的时间.

4 石墨烷的首次亮相

石墨烯自从问世以来，它的诸多优异特性使其成为科学家的宠儿.2009年1月30日出版的《科学》杂志上，英国曼彻斯特大学物理学与天文学院的安德烈·格伊姆教授和科斯特雅·诺沃塞洛夫博士宣布，他们在石墨烯基础上开发出一种具有突破性的新材料——石墨烷(graphane).他们用石墨烯和氢制备出了一种具有绝缘性能的二维晶体石墨烯衍生物——石墨烷.该方法也同样适用于制备出其他基于石墨烯的二维衍生材料，这些新型二维材料可具有不同导电性能.

石墨烷是在不破坏石墨烯独特的六角形晶格结构和单原子厚度的情况下，在每个碳原子上都增加了一个氢原子，从而制备出的具有新特性的石墨烯衍生物.研究人员称，虽然纯净石墨烯的化学性质极为稳定，但氢原子可与其发生反应，由高度导电的石墨烯变成绝缘的石墨烷新材料.该实验证明了可以通过化学方法改变石墨烯的性能，这为制备其他基于石墨烯的化学衍生物铺平了道路.

科斯特亚·诺沃塞洛夫说：“石墨烯是一种极佳的导体，可被广泛的应用于诸多电子设备当中，如果可以通过化学方法按人们的需要控制其电子性能，那将具有更为诱人的应用前景.我们的工作已经证明了这种方法的可行性，打开了制造石墨烯化学衍生物的大门，这将进一步拓宽石墨烯的应用空间.”

5 在自旋冰中发现磁单极存在证据

在9月3日出版的《科学》杂志上，德国亥姆霍兹联合会研究中心的研究人员发表论文宣称，他们在德国德累斯顿大学、圣安德鲁斯大学、拉普拉塔大学及英国牛津大学的协作下，首次观测到磁单极子在一种叫做自旋冰的磁性材料中的存在.

英国物理学家保罗·狄拉克早在1931年就利用数学公式预言磁单极子存在于携带磁场的管(所谓的狄拉克弦)的末端.当时他认为既然带有基本电荷的电子在宇宙中存在，那么理应带有基本“磁荷”的粒子存在，从而启发了许多物理学家开始了他们寻找磁单极子的工作.如果德国人的工作被最终确认，那么这将是本世纪最重大的科学发现之一.

6 月球水资源调查

在9月25日出版的《科学》杂志上刊登了来自绕月球飞行或是途中经过月球的三个不同探测器的观测结果，结果显示月球表面到处都有水的存在，但含量极小，大约1 t月球表层土壤含900 g水.三个提供月球有水证据的三个探测器分别是绕月的印度月船一号，和途中经过月球的美国卡西尼号和深度撞击号探测器.三个探测器全部使用同一类仪器，研究水和羟基对特定光波长的吸收情况.三台仪器出现同样问题的概率几乎为零，因此可以证实月球表面的确存在水和羟基.

美宇航局的新闻发布会也对这项研究做了说明，称这一发现可能会让美宇航局重新将注意力放到月球.在新闻发布会两周之后，2009年10月9日，月球陨坑观测与遥感卫星成功碰撞月球南极“卡比尤斯(Cabeus)”陨坑，在碰撞陨坑形成的羽状喷射物中，科学家用光谱仪探测到水存在的证据.该光谱仪的红外线分光镜和紫外线分光镜均发现了相关的证据.研究小组估计在碰撞抛起的物质中大约有100 kg的水.这一结果显示在月球南极表层之下的土壤中水的含量还是比较丰富，科学家们猜测这是因为月球南极的永久阴影区表面温度足够低，能够冷冻保存水资源.

7 长距离实物粒子量子纠缠信息传输

2009年1月23日美国一个研究小组在《Science》发表题为“Quantum Teleportation Between Distant Matter Qubits”(实物粒子量子比特长距离传输)的论文，宣布实现在相距1 m的镱离子之间传输量子比特，在此之前，科学家只能让光子完成这种“超距离”信息传送.虽然在光子之间可以传送量子信息，但光子无法加以保存，也就不可能藉此制成任何实物量子信息记忆器件，即不可能由此制造出真正的量子计算机.在其他采用实物粒子的实验中，离子彼此间可传送量子状态的距离仅为数微米.

美国马里兰州大学帕克分校的研究小组的实验方法是光子和实物粒子相结合，利用光子辅助实现实物粒子间量子状态的远距离传送.他们首先分别将两个镱离子置于两个独立的高真空电磁阱内，然后选取该离子可测量的两个基态来表示“0”、“1”，将之定义为量子比特.在激光束作用下，每个离子放射出一个光子，每对离子和光子发生量子纠缠.再使两个光子通过光学形成量子纠缠，通过这样的过程来使两个镱离子发生量子缠结.

这样研究人员在对其中一个离子进行操作时，将能影响另一个离子的状态，从而实现量子比特的传输.实验中，两个离子间的距离为1 m，据称这个传输距离可以比较容易地加大.这种新技术很可能成为量子中继器的基础，进而实现远距离量子通信.

8 能捕捉声音的仿真黑洞

据英国《新科学家》杂志报道，以色列物理学家创造了一个可捕获声音的仿真黑洞(黑洞模拟装置)，并试图借助这个仿真黑洞来研究“霍金辐射”.

玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是物质的一种量子态，可产生超流体现象.在此之前，科学家已经能够让BEC以超音速移动，因此操纵BEC可能捕捉到声子，从而仿真黑洞捕捉光子的一些行为，并藉此间接地研究霍金辐射.

2009年5月以色列理工学院的杰夫·斯蒂恩豪尔(Jeff Steinhauer)和同事在预印本文库(arXiv.org)发布一项实验结果，首次展示了用声学黑洞研究霍金辐射的可能.实验中，斯蒂恩豪尔等人将大约10万个带电铷原子凝聚成BEC，然后在激光的帮助下使该BEC以超音速穿过一个电势阱.这个超音速物质流大约持续了8 ms，在这8 ms中这团BEC就是能够捕获声子的声学黑洞.这个实验首次展示了凭借声学黑洞研究霍金辐射的可能.

9 暗物质存在的证据

一则“疑似”发现暗物质的新闻让整个物理学界兴奋起来.美国“低温暗物质探测”(CDMS)项目组科学家2009年12月宣称，他们已经捕获到暗物质粒子.如果这一发现最终得到证实，它将成为物理学领域最重要的发现之一.

低温暗物质探测实验(CDMS)小组称，他们可能直接探测到了暗物质.暗物质都有着很大的运动速度，因为它们很少和其他物质发生作用，所以没有什么能让它们慢下来.科学家们希望暗物质中的重粒子“弱作用重粒子”(WIMP)在高速穿过地球的过程中，能正巧撞在CDMS的探测器上.目前CDMS探测器已经发展到第二代“CDMS-2”.CDMS-2位于美国明尼苏达州的一个废弃的铁矿井中，深入地下780 m.上面的地层可以阻隔X射线和大多数宇宙线.实验装置的探测器靶是一个被冷却到接近绝对零度的锗块，低温消除了锗分子本身的振动.科学家认为，这样就可以探测到WIMP对锗原子核的扰动.为了隔绝任何“闲杂粒子”的侵扰，CDMS被几层防护装置密封起来，其中一层是从一艘100多年前沉没的法国沉船上打捞出来的4.5 cm厚度铅块.之所以用这种“文物”级的铅块，是因为经年累月，它的同位素衰变辐射已经变得很弱了，可以避免它自身的辐射影响到锗靶.这样，锗靶如果有微微的颤动，那就很可能是穿越宇宙的暗物质“WIMP”和锗靶有了相互作用.在两年的时间里，CDMS-2探测到了两次微小的颤动.CDMS发布的消息根据在此.

但CDMS小组同时认为，他们看到的两次信号有可能只是背影噪音.因为实验仪器极其精密，所以内部的某些扰动也可能会被误读为对暗物质“WIMP”的反应，误读的可能性为25%.但CDMS小组表示如果得到了5个读数，就可以作为找到暗物质“WIMP”的铁证.

10 LHC徘徊在地狱和天堂之间

2009年11月30日，LHC正式成为人类历史上最强大的加速器.在这天清晨，日内瓦，LHC将质子加速到1.18 TeV.在此之前的世界记录是美国费米研究中心的Tevatron加速器从2001年以来一直保持的0.98 TeV.这标志着LHC接过Tevatron的接力棒成为“大”科学的代表.

巨额投入的“大”科学为人类基础科学的进步做出了重要贡献，如今在LHC身上承载了太多科学家对于物质世界进一步认识的希望：寻找希格斯子，寻找超对称粒子，寻找反物质……如果LHC完成了它的使命，那么它将是人类科技史上的里程碑.物理学将藉此进入一个新的天地.如果……将使“大”科学研究模式遭受重创.在上世纪90年代，美国科学家曾雄心勃勃策划建造“超级超导对撞机”，初期投资预计40亿美元，粒子反应通道直径达3 m，长度20多km，实现质子对撞能量达40 TeV(1T=1012).倡导者认为一旦建成可与1969年人类登月壮举相媲美.但随着建设进展，预算不断攀升，预计高达93亿美元，使得美国国会怀疑投资的价值，虽然科学家一直在为之奔走，但这项工程还是在投资20多亿美元之后黯然下马.

2010年，LHC将使“大”科学家在地狱和天堂之间徘徊.