2021年12月14日，《物理世界》（Physics World）編輯從其網(wǎng)站發(fā)表的近600項(xiàng)研究進(jìn)展中評選出了年度物理學(xué)領(lǐng)域十大突破。

除了必須在2021年《物理世界》網(wǎng)站報導(dǎo)之外，入選候選名單的研究還必須滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：

1. 物理學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)展。
2. 對于科學(xué)進(jìn)步或現(xiàn)實(shí)應(yīng)用具有重大意義。
3. 《物理世界》讀者對其很感興趣。

今年的年度首要突破頒給了兩支獨(dú)立的團(tuán)隊(duì)，他們分別實(shí)現(xiàn)了兩宏觀振動鼓面的糾纏現(xiàn)象，并由此推進(jìn)了我們對量子系統(tǒng)與經(jīng)典系統(tǒng)間差別的認(rèn)識。

這兩大贏家分別是芬蘭阿爾托大學(xué)與澳大利亞新南威爾士大學(xué)的米卡·斯蘭帕（Mika Sillanp??）及其同事，以及美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）約翰·托伊費(fèi)爾（John Teufel）和 施羅密·科特勒（Shlomi Kotler）領(lǐng)導(dǎo)的一支團(tuán)隊(duì)。

除此之外，《物理世界》還評選出了其他9項(xiàng)成果，共同作為2021年度物理學(xué)十大突破。

2021年首要突破：實(shí)現(xiàn)兩宏觀振動鼓面的糾纏現(xiàn)象

敲鼓：這張彩色電子顯微鏡圖像展示了美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所科研人員使用的兩枚鋁鼓面

量子技術(shù)在過去的20年里取得了長足進(jìn)步，如今，物理學(xué)家已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)并操控那些曾經(jīng)只能在思想實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中存在的物理系統(tǒng)。其中一個特別吸引人的研究方向，就是量子物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)之間的模糊邊界。

過去，我們可以通過尺度大小清晰地區(qū)分它們：像光子和電子這樣的微觀物體自然屬于量子物理學(xué)范疇；像臺球這樣的宏觀物體則屬于經(jīng)典物理學(xué)領(lǐng)域。

在過去10年里，物理學(xué)家通過直徑在10微米左右的鼓狀機(jī)械諧振器提升了量子的定義極限。與電子和光子不同，這些鼓面是通過標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)械加工技術(shù)制造出來的宏觀物體，在電子顯微鏡中就像是臺球那樣的實(shí)體（參見上圖）。不過，雖然這類諧振器并非像微觀粒子那樣的“無形”之物，但研究人員卻能觀測到它們具有量子特性，比如，托伊費(fèi)爾及其同事就在2017年成功地讓這種設(shè)備進(jìn)入量子基態(tài)。

今年，托伊費(fèi)爾和科特勒領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，以及斯蘭帕領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步，率先在量子力學(xué)層面上實(shí)現(xiàn)了兩枚此類鼓面的糾纏現(xiàn)象。這兩支團(tuán)隊(duì)采取的方式并不相同。阿爾托/堪培拉團(tuán)隊(duì)使用了一個特別挑選的共振頻率消除系統(tǒng)噪聲——如果不這么做，噪聲會干擾鼓面的糾纏態(tài)。而美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的糾纏態(tài)則類似一個雙量子位門。在這種情形下，糾纏態(tài)的形式取決于鼓面的初始狀態(tài)。

這兩支團(tuán)隊(duì)都克服了巨大的實(shí)驗(yàn)障礙，他們的不懈努力將為我們打開使用糾纏共振器的大門——我們可以在量子網(wǎng)絡(luò)中使用這類糾纏共振器，將其作為量子感應(yīng)器或結(jié)點(diǎn)。毫無疑問，這項(xiàng)工作完全算得上是2015年之后最重要的與量子相關(guān)的物理學(xué)年度突破。

恢復(fù)癱瘓者語言能力

“三思而后言”：研究人員大衛(wèi)·摩西正在開展臨床試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，一枚神經(jīng)假肢記錄了被試圖說出詞語或句子時的大腦額葉活動

加州大學(xué)舊金山分校大衛(wèi)·摩西（David Moses）、肖恩· 梅茨格（Sean Metzger）及其同事開發(fā)了一種語言神經(jīng)假肢。這種工具可以將重度癱患者的大腦信號翻譯成文字打在屏幕上，從而允許他們用語言交流。

試驗(yàn)過程中，這支研究團(tuán)隊(duì)將一個高密度電極陣列植入被試大腦，記錄與語言形成相關(guān)的多個大腦皮層區(qū)域的電信號。神經(jīng)假肢系統(tǒng)可以從皮層活動記錄結(jié)果中認(rèn)證出單詞庫（總共50個常用單詞）中的相應(yīng)單詞。借助這個單詞庫，被試就能說出成百上千個短句。這項(xiàng)技術(shù)的解碼速率中值是每分鐘15.2詞——一個相當(dāng)值得期待的成果，要知道，被試在電腦界面上打出自己想說的話的速度通常只有這個的1/3左右。

同時發(fā)射30束激光，整體表現(xiàn)為單一相干光源

德國維爾茨堡大學(xué)的塞巴斯蒂安·克蘭伯特（Sebastian Klembt）和以色列理工學(xué)院的莫迪凱·塞格夫（Mordechai Segev）及其同事開發(fā)了一個由30臺垂直腔面激光發(fā)射器（VCSELs）組成的陣列。

這30臺發(fā)射器一起發(fā)射激光時，整體表現(xiàn)為單一相干光源。這項(xiàng)成就為后續(xù)的大規(guī)模、高功率應(yīng)用鋪平了道路。

這個研究團(tuán)隊(duì)利用拓?fù)鋵W(xué)原理確保陣列中每臺發(fā)射器發(fā)射的激光都會流經(jīng)其他所有發(fā)射器，這樣一來，30束激光的頻率就會保持一致。

2018年，塞格夫及其合作者也曾設(shè)計過一臺類似的設(shè)備，但功率有限，今年的這項(xiàng)新成就克服了這個困難，并且在原理上可以規(guī)?；瘧?yīng)用，也即讓成百上千個獨(dú)立發(fā)射器發(fā)射的激光整體表現(xiàn)為單一光源。

量化波粒二象性

韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所的尹太賢（Tai Hyun Yoon）、趙敏行（Minhaeng Cho），美國史蒂文斯理工學(xué)院的錢曉峰（Xiaofeng Qian）和美國德州農(nóng)工大學(xué)的吉里什·阿加瓦爾（Girish Agarwal）通過理論和實(shí)驗(yàn)，量化了光子的“波動度”和“粒子度”，并且證明，這兩項(xiàng)性質(zhì)都與光子源的純度相關(guān)。Yoon和Cho在實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)格地控制兩個鈮酸鋰晶體發(fā)出的光子對（“信號光子”和“閑置光子”）的量子態(tài)。他倆通過獨(dú)立改變每個晶體釋放光子的概率以及一個錢和阿加瓦爾在2020年率先提出的簡單數(shù)學(xué)表達(dá)式證明了所謂的“光子源純度”與能否在實(shí)驗(yàn)中看到干涉條紋（一種波動屬性）以及路徑不可區(qū)分現(xiàn)象（一種粒子屬性）有關(guān)。

這項(xiàng)成果在量子信息領(lǐng)域大有作用，并且能夠讓我們重新認(rèn)識互補(bǔ)性原理。所謂“互補(bǔ)性”，最早是由量子理論先驅(qū)尼爾斯·玻爾在20世紀(jì)初提出的，這個概念是說，量子物體有時表現(xiàn)得像波，有時表現(xiàn)得像粒子。

激光聚變里程碑

燃燒美元的問題：美國國家點(diǎn)火裝置總耗資已達(dá)35億美元，現(xiàn)在，科學(xué)家終于接近實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的終極目標(biāo)了——聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量不小于輸入的激光攜帶的能量

在美國加利福尼亞州的美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）工作的奧馬爾·哈利卡恩（Omar Hurricane）、安妮·克里特切爾（Annie Kritcher）、阿萊克斯·茲爾斯特拉（Alex Zylstra）、黛比·卡拉翰（Debbie Callahan） 及其同事，朝著實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”的終極目標(biāo)又邁進(jìn)了一步。

早在10年前，美國國家點(diǎn)火裝置就啟動了，其長期目標(biāo)是證明它可以達(dá)到點(diǎn)火的條件——聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量不小于輸入的激光攜帶的能量。管理美國國家點(diǎn)火裝置的是勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室。研究人員用192束脈沖激光轟擊一個1厘米長的空心金屬圓柱體（黑體輻射空腔）表面。圓柱體內(nèi)部有一個燃料膠囊——一個直徑在2毫米左右、內(nèi)部涂有一層薄氘-氚的空心球殼。

2009—2012年間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，美國國家點(diǎn)火裝置距實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”還差得很遠(yuǎn)。于是，研究人員只好回到設(shè)計階段加以改進(jìn)。

今年8月8日，他們的努力終于收獲了回報：點(diǎn)火裝置的能量場超過了1.3MJ，這大概是脈沖激光束給點(diǎn)火裝置輸入能量的70%了。雖然這個數(shù)字仍舊沒有達(dá)到最終目標(biāo)（投入產(chǎn)出平衡），但已經(jīng)遠(yuǎn)優(yōu)于此前0.1MJ左右的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

部分專家甚至認(rèn)為，這項(xiàng)成果是自1972年慣性聚變誕生以來的最大進(jìn)展。

粒子冷卻新技術(shù)

歐洲核子研究中心反氫激光物理裝置（ALPHA）以及重子反重子對稱性實(shí)驗(yàn)（base）的研究人員通過兩項(xiàng)獨(dú)立的研究得到了冷卻粒子和反粒子的新方法。這些技術(shù)為精確檢驗(yàn)宇宙物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性的研究打下了基礎(chǔ)。

反氫激光物理裝置的研究人員首次證明，可以用激光冷卻反氫原子。為此，他們開發(fā)了一種能夠產(chǎn)生121.6納米脈沖的新型激光，以冷卻反原子。

隨后，他們又以前所未有的精確度測量了反氫原子中的一項(xiàng)關(guān)鍵電子躍遷。這一突破為日后進(jìn)一步檢驗(yàn)反物質(zhì)的其他關(guān)鍵特性奠定了基礎(chǔ)。

與此同時，重子反重子對稱性實(shí)驗(yàn)的研究人員則證明了如何通過與數(shù)厘米外激光冷卻離子云相連的超導(dǎo)電路從單個質(zhì)子中汲取熱量——他們稱，這項(xiàng)技術(shù)稍加改進(jìn)就能應(yīng)用于反質(zhì)子。

觀測到黑洞磁場

磁旋：偏振光下的超大質(zhì)量黑洞M87*圖像。圖中的線代表偏振方向，與黑洞陰影周圍的磁場相關(guān)

視界望遠(yuǎn)鏡得到了第一張顯示超大質(zhì)量黑洞附近區(qū)域光偏振情況的圖像。這種偏振現(xiàn)象表明，在物質(zhì)加速進(jìn)入黑洞M87*（這個黑洞的質(zhì)量超過太陽的60億倍）的區(qū)域存在強(qiáng)磁場。進(jìn)一步的研究或許將有助于我們究明，某些黑洞如何形成將物質(zhì)和輻射噴發(fā)到周遭宇宙空間中的巨大噴流。

2019年，視界望遠(yuǎn)鏡就曾因捕捉第一張黑洞陰影照片而創(chuàng)造歷史，并憑此榮獲2019年《物理世界》物理學(xué)年度突破大獎。

實(shí)現(xiàn)對原子核的量子相干控制

德意志電子同步加速器、歐洲同步輻射實(shí)驗(yàn)室（位于法國）、海德堡馬克斯-普朗克核物理研究所的約爾格·埃夫斯（J?rg Evers ）及其同事率先實(shí)現(xiàn)了對原子核激發(fā)的量子相干控制。

這個研究團(tuán)隊(duì)通過兩個超短脈沖將同步加速器產(chǎn)生的X射線送入原子核中。他們通過調(diào)整脈沖相位實(shí)現(xiàn)了鐵原子核在相干增強(qiáng)激發(fā)和相干增強(qiáng)發(fā)射之間的切換。除了可以促使我們更好地認(rèn)識量子物質(zhì)，這項(xiàng)成果還可能加速新技術(shù)的發(fā)展，比如超精準(zhǔn)的核時鐘以及可以儲存大量能量的電池。

在超冷費(fèi)米氣體中觀測到泡利阻塞現(xiàn)象

美國實(shí)驗(yàn)室天體物理聯(lián)合研究所的克里斯蒂安·桑納（Christian Sanner）及其同事，美國芝加哥大學(xué)的艾米塔·德布（Amita Deb）和尼爾斯·吉爾嘉德（Niels Kj?rgaard），美國麻省理工學(xué)院的沃爾夫?qū)P特納（Wolfgang Ketterle）及其同事，這三支研究團(tuán)隊(duì)各自獨(dú)立地在超冷費(fèi)米氣體中觀測到了泡利阻塞現(xiàn)象。

當(dāng)構(gòu)成氣體的原子幾乎占據(jù)所有可能的低能量子態(tài)時，就會出現(xiàn)泡利阻塞現(xiàn)象，它會阻礙原子通過小幅躍遷進(jìn)入鄰近量子態(tài)。泡利阻塞現(xiàn)象會影響氣體原子散射光的方式。上述三支研究團(tuán)隊(duì)都觀測到，泡利阻塞現(xiàn)象會在氣體冷卻時提升它們的透明度。

未來某一天，我們或許可以借助這項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)基于超冷原子的相關(guān)技術(shù)，比如光學(xué)時鐘和量子中繼器。

證實(shí)μ子的反磁性

新家：費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室探測器大廳中的μ子g-2環(huán)，這個裝置的目標(biāo)是研究μ子的旋進(jìn)現(xiàn)象

μ子g-2合作研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證明了μ子的磁矩測量值與理論預(yù)測不符。這支國際研究小組在美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的一個存儲環(huán)中讓一束磁極化μ子流動起來。μ子磁矩受磁場影響而轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動率則決定了μ子的磁矩大小。

20年前，美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的研究第一次表明，μ介子磁矩的實(shí)驗(yàn)值與理論不符?，F(xiàn)在，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室與布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合在一起，將實(shí)驗(yàn)與理論間的差異推進(jìn)到了4.2σ，這已經(jīng)小于有效發(fā)現(xiàn)要求的5σ。如果這種差異經(jīng)得起后續(xù)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，那就意味著超越標(biāo)準(zhǔn)模型的全新物理學(xué)已經(jīng)出