據美國物理學會(hui) 網站，世界已經迎來了嶄新的2014年，在過去的2013年中，物理學領域取得了一些重要的進展，回顧這一年，物理學領域取得的這些進展產(chan) 生的影響遠遠的超出了物理學本身。近日美國物理學會(hui) 在其刊物《物理學》(Physics)網站上公布了其評選出的2013年度最重要物理學進展。

　　四誇克物質

發現4誇克粒子Zc(3900)的北京正負電子對撞機BESIII實驗設備

　　誇克一般為(wei) 2個(ge) 或3個(ge) 成對，這是幾乎所有的實驗給出的結果。但在2013年夏季，中國的BESIII實驗和日本的Belle實驗分別報告稱他們(men) 在高能正負電子對撞實驗中檢測到了由4個(ge) 誇克組成的神秘粒子。盡管對這種被稱作Zc(3900)的粒子的性質還有其它可能的解釋，但4誇克粒子真實存在的可能性看來非常大，因為(wei) 在那之後中國的研究組又發現了其它一係列由4誇克組成的物質粒子。

　　超高能中微子

設立在南極冰雪之中的南極“冰立方”（Icecube）中微子探測器

　那些用於(yu) 監測罕見偶發事件的監測係統往往造價(jia) 昂貴，但最終監測數年而一無所獲。因此，近期科學家們(men) 對一個(ge) 消息感到振奮鼓舞的心情也就不難理解了：他們(men) 設立在南極的冰立方探測器——一台專(zhuan) 用於(yu) 監測中微子的巨型設備，在2013年報告檢測到兩(liang) 個(ge) 具有異常高能量的中微子粒子，其能量接近1000TeV(1千萬(wan) 億(yi) 電子伏特)，這比來自太陽的中微子能量高出近10億(yi) 倍。隨後南極冰立方望遠鏡項目的科學家們(men) 進一步進行了數據分析並發現了另外26個(ge) 能量高於(yu) 30 TeV的中微子。科學家們(men) 目前還需要更多的觀測數據才能嚐試確定這些具有異乎尋常高能量的中微子的來源，而這樣做將可能需要建造一台更大的探測器。但有一點，他們(men) 初步認為(wei) 這些中微子是源自太陽係之外的，而自從(cong) 1987年之後人們(men) 就再也沒有在實驗中探測到如此遙遠來源的中微子。科學家們(men) 相信這些神秘粒子攜帶著有關(guan) 天體(ti) 物理學事件，如遙遠星係中伽馬射線暴的信息。

　　難以捉摸的暗物質

　　2013年在暗物質研究領域同樣取得了進展，一批與(yu) 之相關(guan) 的長期研究項目陸續開始公布其結果，不過遺憾的是，有關(guan) 暗物質本質的問題仍然沒有被揭開。在2013年的4月份，丁肇中教授領銜的，安裝在國際空間站上的阿爾法磁譜儀(yi) 項目報告他們(men) 在宇宙射線中檢測到正電子的過量。這可能與(yu) 空間中暗物質粒子的湮滅有關(guan) ，但在更高能級水平上的數據還需要排除其它可能的解釋。而另外兩(liang) 項在地麵上進行的實驗則從(cong) 另一個(ge) 方向著手，他們(men) 試圖直接捕獲被認為(wei) 構成了暗物質的候選粒子，即“WIMP”(大質量弱相互作用粒子)。這兩(liang) 項實驗分別是美國費米國家實驗室的“低溫暗物質搜尋實驗”(CDMS)以及設在南達科他州的“大型地下氙探測實驗”(LUX)。今年CDMS實驗小組宣布的一個(ge) 消息曾經引起廣泛關(guan) 注，當時研究人員稱他們(men) 在閃爍探測器信號中檢測到一個(ge) 可能與(yu) WIMP粒子有關(guan) 的峰。但很快LUX實驗的探測結果就給這一消息澆了一碰冷水，該實驗在更高的精度上進行觀測，但卻並未檢測到類似的信號。目前這兩(liang) 個(ge) 實驗項目組正在相互競爭(zheng) ，爭(zheng) 相提升己方的探測精度，並希望能在未來給出有關(guan) 暗物質粒子的確鑿證據。

　　凍結光線一分鍾

　　在真空中，光以每秒30萬(wan) 公裏的速度傳(chuan) 播，但物理學家們(men) 知道如何讓光的速度降低，甚至讓它完全停止。這項技術將有望被應用於(yu) 量子計算，並使用光子進行信息存儲(chu) 。德國達姆施塔特工業(ye) 大學的一個(ge) 研究組在2013年的一項實驗中創紀錄地讓一束光停止了整整一分鍾。這項技術可以造成一種名為(wei) “電磁誘導透明”的現象，在這一現象中，一束受控激光可以讓一種不透明介質暫時性的變透明，從(cong) 而可以存儲(chu) 光子。盡管一分鍾的時長已經是該研究組在實驗中所用晶體(ti) 的理論極限，但未來將很有可能達成更長的光存儲(chu) 時間：研究人員正在嚐試使用摻銪晶體(ti) 進行實驗，理論上這將讓光存儲(chu) 時間延長到數小時之久。

　　古老宇宙光線的扭曲

　　宇宙微波背景輻射(CMB)是宇宙創生大爆炸的餘(yu) 暉，這是我們(men) 窺視宇宙初生時期狀態的最好窗口。2013年中，科學家們(men) 正忙著分析3月份由普朗克探測器傳(chuan) 回的全天宇宙微波背景輻射地圖，但從(cong) 地麵上卻意外傳(chuan) 來了一項宇宙學領域的突破性進展：南極望遠鏡項目組的科學家們(men) 在宇宙微波背景輻射信號中檢測到微弱的扭曲，即所謂B-模偏振現象。之所以會(hui) 發生這種扭曲，是因為(wei) 構成CMB信號的光線在穿越宇宙抵達地球的途中遭遇大質量體(ti) 引力透鏡效應而引發的。這一進展未來將幫助科學家們(men) 反演宇宙中物質的分布狀況，其中包括難以捉摸的暗物質。

　　聲波激光

　　聲波和光波之間存在諸多相似性，事實上許多光學領域的概念也同樣可以被應用於(yu) 聲學領域。在2013年的3月份，日本電報電話公司(NTT)基礎研究實驗室的一個(ge) 小組展示了世界上首個(ge) 完全實現的“聲波激光”。

　　氫原子波函數的直接成像

　　打開任何一本一年級的量子力學課本，你一定會(hui) 看到一些描述氫原子電子軌道的示意圖，球形的，啞鈴型的，或是三葉草型的。但在今年以前，所有這些都還隻是理論上的，沒有任何人曾經在實驗上直接“觀察”到它們(men) 。但就是在2013年，荷蘭(lan) 原子和分子物理學研究所(AMOL)的研究人員和合作者們(men) 設計了一種“量子顯微鏡”，其原理是首先使用光將氫原子電離，隨後使用靜電透鏡構建一種逃逸電子的幹涉模式。科學家們(men) 通過這種方法獲得幹涉圖像，並重構出原始的電子軌道。

　複雜設備小型化

　　2013年，科學家們(men) 實現了對一些大型且昂貴設備小型化方麵的一係列重要進展，從(cong) 而可以將它們(men) 全都安放進本就擁擠的實驗室裏。2013年，美國洛斯阿拉莫斯實驗室的科學家們(men) 製作成功一台可以放在桌麵上的小型中子源，其強度和聚焦能力足以實現對材料缺陷探查等功能。這種設備的原理是利用強大的激光束與(yu) 固體(ti) 靶標之間的相互作用來產(chan) 生中子，其應用領域包括測試中子探測器，或用於(yu) 分析材料遭受的輻射損傷(shang) 。相似的，另一個(ge) 來自美國斯坦福大學的小組，以及兩(liang) 個(ge) 德國的研究組——馬克斯普朗克量子光學研究所小組以及朗根-紐倫(lun) 堡弗裏德裏希·亞(ya) 曆山大大學小組，他們(men) 在製造造價(jia) 更加低廉，結構更緊湊的小型X射線源方麵取得重要進展。這幾個(ge) 研究組發現他們(men) 可以借助納米光柵加速電子，這種做法要比傳(chuan) 統粒子加速器中使用的射頻技術所用設備體(ti) 積要小得多。

　　納米線的馬約拉納費米子湮滅

　　物理學家們(men) 一直致力於(yu) 搜尋馬約拉納費米子的存在，這種粒子的自旋為(wei) 1/2，這意味著其反粒子是其本身。此前有關(guan) 發現這種神秘粒子的消息都仍然存在問題，2013年，美國伊利諾伊大學的研究人員在連接到超導態鉛棒上的納米線兩(liang) 端成功獲得兩(liang) 個(ge) 準粒子(quasiparticle)，並應用磁場誘導這兩(liang) 個(ge) 粒子相互湮滅，這一點完全符合預期。在固體(ti) 中發現馬約拉納態的案例對於(yu) 未來開發量子計算機並加強其對抗噪音的能力意義(yi) 重大。

　　量子學高歌猛進

　　2013年是量子學領域高歌猛進的一年，成果豐(feng) 碩，但量子計算機仍然尚未麵世。

　　我們(men) 何時才能擁有量子計算機，它們(men) 的性能是否真的能勝過傳(chuan) 統計算機？一家加拿大公司“D-Wave Systems”報告稱他們(men) 今日解決(jue) 了一項量子計算機方麵的重要困難並取得進展。但很多專(zhuan) 家對這家公司所言並不信服，他們(men) 指出該公司研發的由大約100個(ge) 超導元素構成的設備可以被稱作量子計算機，並且其性能表現也並無法戰勝傳(chuan) 統計算機。因此量子計算機的研製可能還需要多年的努力，但在過去的2013年內(nei) 科學家們(men) 的確在解決(jue) 量子信息存儲(chu) 以及通訊協議等方麵取得了一係列的重要進展。在量子加密方麵，密碼學專(zhuan) 家們(men) 將最終擊敗黑客，就在2013年，全球有兩(liang) 個(ge) 研究組展示了一項量子加密技術，這項技術的問世將讓信息竊取成為(wei) 不可能。

　　另外兩(liang) 項進展則與(yu) 量子糾纏有關(guan) 。這是賦予量子技術戰勝經典技術的關(guan) 鍵因素之一，科學家們(men) 驗證了這項技術現在已經可以對抗噪音與(yu) 耗散。來自美國麻省理工學院的一個(ge) 研究組證明，在一個(ge) 安全的量子通訊信道內(nei) ，使用者將能獲取糾纏帶來的益處，即便是在其被噪音打破之後也是如此。而另一個(ge) 來自德國柏林自由大學，丹麥尼爾斯·玻爾研究所以及慕尼黑理工大學的科學家組成的研究組則發現，借助一項名為(wei) 量子照明的技術，耗散過程可以被工程師利用，並借此構建更為(wei) 強健的量子態。

　　黑洞防火牆

　　2012年，美國加州大學聖芭芭拉分校的一組物理學家提出，一個(ge) 假想中掉進黑洞的觀察者將會(hui) 被位於(yu) 視界附近的防火牆摧毀。他們(men) 認為(wei) ，如果這種防火牆的確存在，那將幫助解決(jue) 黑洞模型理論中現存的一些問題，但這一假設在理論物理學界引發了激烈的爭(zheng) 議，因為(wei) 這一防火牆的想法違背了愛因斯坦提出並已廣泛為(wei) 物理學界所接受的等效原理，其基本表述是：觀測者不能在局部的區域內(nei) 分辨出由加速度所產(chan) 生的慣性力或由物體(ti) 所產(chan) 生的引力，因而當其跨過視界時，其本身並不可能意識到這一點。而在2013年，當初的兩(liang) 名防火牆理論支持者重新點燃了爭(zheng) 論的大火。這兩(liang) 名作者發展了一套理論模型來描述黑洞的內(nei) 部，並提出這樣一名觀察者將會(hui) 遭遇具有任意高的能量的量子海洋，而這正是一道“防火牆”。