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2022年，人類還沒(méi)有徹底擺脫新冠疫情，全球經(jīng)濟(jì)也沒(méi)有完全復(fù)蘇，世界一些地方還有戰(zhàn)火。盡管這一年仍舊艱難，但在科學(xué)領(lǐng)域，人類卻沒(méi)有停止前進(jìn)的腳步。最近，英國(guó)《物理世界》雜志評(píng)選出了“2022年物理學(xué)領(lǐng)域十大突破”，從半導(dǎo)體材料到太空望遠(yuǎn)鏡成像，從臨床醫(yī)學(xué)到粒子物理……
包括中國(guó)科學(xué)家在內(nèi)的各國(guó)學(xué)者，通過(guò)不懈的努力，在物理學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域取得了令人矚目的進(jìn)步。
入選“十大突破”的，需要符合以下三條標(biāo)準(zhǔn)：1.對(duì)人類認(rèn)知和理解方面有相當(dāng)重大的推動(dòng)2.在推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步和（或）促進(jìn)實(shí)際應(yīng)用上起了重要作用3.《物理世界》的大多數(shù)讀者都感興趣
下面，就讓我們來(lái)盤點(diǎn)一下，這一年來(lái)推動(dòng)科學(xué)的重大突破。
【開(kāi)創(chuàng)超冷化學(xué)新紀(jì)元】
這項(xiàng)突破的殊榮分別授予中美兩國(guó)的科學(xué)家：中國(guó)方面研究人員是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的趙博，潘建偉及其團(tuán)隊(duì)，加上中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所白春禮團(tuán)隊(duì)。美國(guó)方面是則哈佛大學(xué)的John Doyle教授及其團(tuán)隊(duì)。中美兩國(guó)科研團(tuán)隊(duì)，各自造出了世界上首批超冷多原子分子。
過(guò)去三十多年里，物理學(xué)家們一直努力將原子冷卻到接近絕對(duì)零度（零下273.15攝氏度），也在2000年代中期制造出了世界上第一個(gè)超冷雙原子分子。但是，制造包含三個(gè)或更多原子的超冷分子依然被認(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)。中美兩國(guó)的團(tuán)隊(duì)運(yùn)用各自不同但又互補(bǔ)的技術(shù)攻克了這個(gè)科學(xué)堡壘。中國(guó)團(tuán)隊(duì)在零下53.15攝氏度制造出了三原子鈉鉀分子樣品，美國(guó)團(tuán)隊(duì)在零下163.15度制造出了三原子的氫氧化鈉樣品。
【首次觀察到四中子】
60年來(lái)，研究人員一直在尋找傳說(shuō)中的“四中子”。四中子又稱四中子態(tài)，是由四個(gè)中子短暫結(jié)合在一起形成的。過(guò)去，科學(xué)家們只有它們存在的間接證據(jù)，從來(lái)沒(méi)有真正觀察到。
今年，達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)核物理研究所的Meytal Duer教授及日本理化研究所的合作者們，終于觀察到了“四中子”的存在，只不過(guò)存在的時(shí)間非常短。Duer教授等人通過(guò)在液態(tài)氫靶上發(fā)射氦8原子核而獲得了“四中子”，持續(xù)時(shí)間只有短短的10^-20秒 （10的負(fù)20次方）。
【超高效發(fā)電】
美國(guó)麻省理工學(xué)院和美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的科研人員，合作開(kāi)發(fā)出了一款效率超過(guò)40%的熱光伏（TPV）電池。
熱光伏電池和太陽(yáng)能電池板相似，都可以轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能。不同的是，熱光伏電池通過(guò)光伏效應(yīng)，能將紅外波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換為電能！麻省理工開(kāi)發(fā)的這款新型熱光伏電池，是首個(gè)將紅外線轉(zhuǎn)化為電能的固態(tài)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。比起普通的渦輪發(fā)電機(jī)，它更有效率，還能在各種可能的熱源下運(yùn)行。理論上，這種設(shè)備能成為更清潔、更環(huán)保的電力來(lái)源，也是對(duì)可見(jiàn)光太陽(yáng)能光伏電池的補(bǔ)充。
【最快的光電開(kāi)關(guān)】
德國(guó)普朗克量子光學(xué)研究所和慕尼黑大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，制作出了最快的光電開(kāi)關(guān) 。研究團(tuán)隊(duì)用僅持續(xù)一飛秒（10^-15秒）的激光脈沖，以實(shí)現(xiàn)每秒運(yùn)行1000萬(wàn)億次（1拍赫茲）開(kāi)關(guān)所需的速度，將介電材料樣品從絕緣狀態(tài)切換為導(dǎo)電狀態(tài)。
盡管實(shí)際生活中，人們可能用不到這樣的超快速開(kāi)關(guān)，但這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明了經(jīng)典信號(hào)處理的終極限制，也證明了拍赫茲級(jí)的固態(tài)光電技術(shù)在原則上是可行的。
【打開(kāi)了宇宙的新窗口】
今年7月，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）公布了詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）拍攝的第一張圖片。
關(guān)于韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，我們已經(jīng)介紹過(guò)多次：這個(gè)項(xiàng)目經(jīng)過(guò)多年的延期和成本上漲，歷史二十多年，造價(jià)100億美元的韋伯太空望遠(yuǎn)鏡最終在2021年12月25日發(fā)射，又在預(yù)定位置成功展開(kāi)工作，成為目前人類觀測(cè)宇宙最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡。今年，韋伯發(fā)回的第一批照片也表明，它所有功能正常，正在為人類全力探索深空，揭開(kāi)更多宇宙深處的秘密。
【首次人體FALSH質(zhì)子治療試驗(yàn)】
美國(guó)辛辛那提大學(xué)的Emily Daugherty教授的團(tuán)隊(duì)及合作者，致力于致力于FAST-01試驗(yàn)（FLASH放射治療骨轉(zhuǎn)移癌的可行性研究），今年，他們首次嘗試了臨床FLASH放療和首次FLASH質(zhì)子治療。也被稱為全球首個(gè)“超級(jí)質(zhì)子治療”的臨床試驗(yàn)。
FLASH 療法是一種實(shí)驗(yàn)性的治療方式，原理是在不到一秒的時(shí)間內(nèi)以超高劑量率提供放射療法，比傳統(tǒng)放射療法的速度快了 100 倍。能達(dá)到一次照射摧毀所有癌細(xì)胞，而正常細(xì)胞無(wú)損害的效果。質(zhì)子提供的超高劑量率輻射，還能治療位于身體深處的腫瘤。可以說(shuō)是放射性療法發(fā)展的新方向。
【完善光的傳輸和吸收】
維也納工業(yè)大學(xué)Stefan Rotter和法國(guó)雷恩大學(xué)Matthieu Davy共同領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，制造了一種抗反射的結(jié)構(gòu)，能讓光線更容易地穿過(guò)某個(gè)物體。他們?cè)诠獾摹按┩感浴狈矫嫒〉昧酥卮蟮耐黄啤?/p>
而與此相對(duì)的，是以色列耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)Ori Katz教授團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究：他們開(kāi)發(fā)出了“反激光”技術(shù)，能讓任何材料吸收多個(gè)角度射來(lái)的光線。他們?cè)诠獾摹拔铡狈矫嫒〉昧酥卮笸黄啤?/p>
【優(yōu)勝的半導(dǎo)體：立方砷化硼】中美兩個(gè)獨(dú)立的團(tuán)隊(duì)，各自證實(shí)了最好的半導(dǎo)體材料——立方砷化硼。中國(guó)團(tuán)隊(duì)是國(guó)家納米科學(xué)中心的劉新風(fēng)教授領(lǐng)導(dǎo)的，聯(lián)合了休斯頓大學(xué)的包吉明團(tuán)隊(duì)和任志鋒團(tuán)隊(duì)。美國(guó)團(tuán)隊(duì)是麻省理工學(xué)院的陳剛教授領(lǐng)導(dǎo)。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中證明明，和最常用硅材料相比，立方砷化硼運(yùn)行速度更快，且運(yùn)行中不易發(fā)熱，是更好的半導(dǎo)體材料。
【改變小行星軌道】這項(xiàng)成就屬于美國(guó)宇航局NASA。去年11月，NASA發(fā)射了一顆冰箱大小的飛行器，去撞擊小行星迪莫弗斯（Dimorphos），以此來(lái)測(cè)試撞擊能否改變小行星的運(yùn)行軌道。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)被稱為“雙小行星重定向測(cè)試”（DART）。今年10月，飛行器以每秒6000米的速度成功擊中了小行星，數(shù)天后，NASA宣布了測(cè)算結(jié)果：撞擊使小行星迪莫弗斯運(yùn)行軌道的時(shí)間比過(guò)去縮短了32分鐘。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明：通過(guò)撞擊小行星改變其軌道來(lái)保護(hù)地球，理論上是可行的。
【檢測(cè)引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應(yīng)】美國(guó)斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功檢測(cè)到了引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應(yīng)。阿哈羅諾夫—玻姆效應(yīng)原本是量子物理學(xué)里的現(xiàn)象，它證明即使在磁場(chǎng)為零的區(qū)域，仍會(huì)存在磁效應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)將超冷的原子分成兩組，每組相距約25厘米，其中一組與大質(zhì)量的物質(zhì)發(fā)生引力相互作用。當(dāng)重新組合時(shí)，原子顯示出與引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應(yīng)一致的干涉。這個(gè)效應(yīng)也可用于確定精度較高的牛頓萬(wàn)有引力常數(shù)。
但愿，在接下來(lái)的2023年里，人類可以在物理學(xué)領(lǐng)域取得更大的突破。無(wú)論世界怎樣變幻，人類對(duì)科學(xué)進(jìn)步的追求，卻是永恒不變的。
包括中國(guó)科學(xué)家在內(nèi)的各國(guó)學(xué)者，通過(guò)不懈的努力，在物理學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域取得了令人矚目的進(jìn)步。
入選“十大突破”的，需要符合以下三條標(biāo)準(zhǔn)：1.對(duì)人類認(rèn)知和理解方面有相當(dāng)重大的推動(dòng)2.在推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步和（或）促進(jìn)實(shí)際應(yīng)用上起了重要作用3.《物理世界》的大多數(shù)讀者都感興趣
下面，就讓我們來(lái)盤點(diǎn)一下，這一年來(lái)推動(dòng)科學(xué)的重大突破。
【開(kāi)創(chuàng)超冷化學(xué)新紀(jì)元】
這項(xiàng)突破的殊榮分別授予中美兩國(guó)的科學(xué)家：中國(guó)方面研究人員是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的趙博，潘建偉及其團(tuán)隊(duì)，加上中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所白春禮團(tuán)隊(duì)。美國(guó)方面是則哈佛大學(xué)的John Doyle教授及其團(tuán)隊(duì)。中美兩國(guó)科研團(tuán)隊(duì)，各自造出了世界上首批超冷多原子分子。
過(guò)去三十多年里，物理學(xué)家們一直努力將原子冷卻到接近絕對(duì)零度（零下273.15攝氏度），也在2000年代中期制造出了世界上第一個(gè)超冷雙原子分子。但是，制造包含三個(gè)或更多原子的超冷分子依然被認(rèn)為難以實(shí)現(xiàn)。中美兩國(guó)的團(tuán)隊(duì)運(yùn)用各自不同但又互補(bǔ)的技術(shù)攻克了這個(gè)科學(xué)堡壘。中國(guó)團(tuán)隊(duì)在零下53.15攝氏度制造出了三原子鈉鉀分子樣品，美國(guó)團(tuán)隊(duì)在零下163.15度制造出了三原子的氫氧化鈉樣品。
【首次觀察到四中子】
60年來(lái)，研究人員一直在尋找傳說(shuō)中的“四中子”。四中子又稱四中子態(tài)，是由四個(gè)中子短暫結(jié)合在一起形成的。過(guò)去，科學(xué)家們只有它們存在的間接證據(jù)，從來(lái)沒(méi)有真正觀察到。
今年，達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)核物理研究所的Meytal Duer教授及日本理化研究所的合作者們，終于觀察到了“四中子”的存在，只不過(guò)存在的時(shí)間非常短。Duer教授等人通過(guò)在液態(tài)氫靶上發(fā)射氦8原子核而獲得了“四中子”，持續(xù)時(shí)間只有短短的10^-20秒 （10的負(fù)20次方）。
【超高效發(fā)電】
美國(guó)麻省理工學(xué)院和美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的科研人員，合作開(kāi)發(fā)出了一款效率超過(guò)40%的熱光伏（TPV）電池。
熱光伏電池和太陽(yáng)能電池板相似，都可以轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能。不同的是，熱光伏電池通過(guò)光伏效應(yīng)，能將紅外波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換為電能！麻省理工開(kāi)發(fā)的這款新型熱光伏電池，是首個(gè)將紅外線轉(zhuǎn)化為電能的固態(tài)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。比起普通的渦輪發(fā)電機(jī)，它更有效率，還能在各種可能的熱源下運(yùn)行。理論上，這種設(shè)備能成為更清潔、更環(huán)保的電力來(lái)源，也是對(duì)可見(jiàn)光太陽(yáng)能光伏電池的補(bǔ)充。
【最快的光電開(kāi)關(guān)】
德國(guó)普朗克量子光學(xué)研究所和慕尼黑大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，制作出了最快的光電開(kāi)關(guān) 。研究團(tuán)隊(duì)用僅持續(xù)一飛秒（10^-15秒）的激光脈沖，以實(shí)現(xiàn)每秒運(yùn)行1000萬(wàn)億次（1拍赫茲）開(kāi)關(guān)所需的速度，將介電材料樣品從絕緣狀態(tài)切換為導(dǎo)電狀態(tài)。
盡管實(shí)際生活中，人們可能用不到這樣的超快速開(kāi)關(guān)，但這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明了經(jīng)典信號(hào)處理的終極限制，也證明了拍赫茲級(jí)的固態(tài)光電技術(shù)在原則上是可行的。
【打開(kāi)了宇宙的新窗口】
今年7月，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）公布了詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）拍攝的第一張圖片。
關(guān)于韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，我們已經(jīng)介紹過(guò)多次：這個(gè)項(xiàng)目經(jīng)過(guò)多年的延期和成本上漲，歷史二十多年，造價(jià)100億美元的韋伯太空望遠(yuǎn)鏡最終在2021年12月25日發(fā)射，又在預(yù)定位置成功展開(kāi)工作，成為目前人類觀測(cè)宇宙最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡。今年，韋伯發(fā)回的第一批照片也表明，它所有功能正常，正在為人類全力探索深空，揭開(kāi)更多宇宙深處的秘密。
【首次人體FALSH質(zhì)子治療試驗(yàn)】
美國(guó)辛辛那提大學(xué)的Emily Daugherty教授的團(tuán)隊(duì)及合作者，致力于致力于FAST-01試驗(yàn)（FLASH放射治療骨轉(zhuǎn)移癌的可行性研究），今年，他們首次嘗試了臨床FLASH放療和首次FLASH質(zhì)子治療。也被稱為全球首個(gè)“超級(jí)質(zhì)子治療”的臨床試驗(yàn)。
FLASH 療法是一種實(shí)驗(yàn)性的治療方式，原理是在不到一秒的時(shí)間內(nèi)以超高劑量率提供放射療法，比傳統(tǒng)放射療法的速度快了 100 倍。能達(dá)到一次照射摧毀所有癌細(xì)胞，而正常細(xì)胞無(wú)損害的效果。質(zhì)子提供的超高劑量率輻射，還能治療位于身體深處的腫瘤。可以說(shuō)是放射性療法發(fā)展的新方向。
【完善光的傳輸和吸收】
維也納工業(yè)大學(xué)Stefan Rotter和法國(guó)雷恩大學(xué)Matthieu Davy共同領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，制造了一種抗反射的結(jié)構(gòu)，能讓光線更容易地穿過(guò)某個(gè)物體。他們?cè)诠獾摹按┩感浴狈矫嫒〉昧酥卮蟮耐黄啤?/p>
而與此相對(duì)的，是以色列耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)Ori Katz教授團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究：他們開(kāi)發(fā)出了“反激光”技術(shù)，能讓任何材料吸收多個(gè)角度射來(lái)的光線。他們?cè)诠獾摹拔铡狈矫嫒〉昧酥卮笸黄啤?/p>
【優(yōu)勝的半導(dǎo)體：立方砷化硼】中美兩個(gè)獨(dú)立的團(tuán)隊(duì)，各自證實(shí)了最好的半導(dǎo)體材料——立方砷化硼。中國(guó)團(tuán)隊(duì)是國(guó)家納米科學(xué)中心的劉新風(fēng)教授領(lǐng)導(dǎo)的，聯(lián)合了休斯頓大學(xué)的包吉明團(tuán)隊(duì)和任志鋒團(tuán)隊(duì)。美國(guó)團(tuán)隊(duì)是麻省理工學(xué)院的陳剛教授領(lǐng)導(dǎo)。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中證明明，和最常用硅材料相比，立方砷化硼運(yùn)行速度更快，且運(yùn)行中不易發(fā)熱，是更好的半導(dǎo)體材料。
【改變小行星軌道】這項(xiàng)成就屬于美國(guó)宇航局NASA。去年11月，NASA發(fā)射了一顆冰箱大小的飛行器，去撞擊小行星迪莫弗斯（Dimorphos），以此來(lái)測(cè)試撞擊能否改變小行星的運(yùn)行軌道。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)被稱為“雙小行星重定向測(cè)試”（DART）。今年10月，飛行器以每秒6000米的速度成功擊中了小行星，數(shù)天后，NASA宣布了測(cè)算結(jié)果：撞擊使小行星迪莫弗斯運(yùn)行軌道的時(shí)間比過(guò)去縮短了32分鐘。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明：通過(guò)撞擊小行星改變其軌道來(lái)保護(hù)地球，理論上是可行的。
【檢測(cè)引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應(yīng)】美國(guó)斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功檢測(cè)到了引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應(yīng)。阿哈羅諾夫—玻姆效應(yīng)原本是量子物理學(xué)里的現(xiàn)象，它證明即使在磁場(chǎng)為零的區(qū)域，仍會(huì)存在磁效應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)將超冷的原子分成兩組，每組相距約25厘米，其中一組與大質(zhì)量的物質(zhì)發(fā)生引力相互作用。當(dāng)重新組合時(shí)，原子顯示出與引力的阿哈羅諾夫—玻姆效應(yīng)一致的干涉。這個(gè)效應(yīng)也可用于確定精度較高的牛頓萬(wàn)有引力常數(shù)。
但愿，在接下來(lái)的2023年里，人類可以在物理學(xué)領(lǐng)域取得更大的突破。無(wú)論世界怎樣變幻，人類對(duì)科學(xué)進(jìn)步的追求，卻是永恒不變的。
