撰文 | 辛玲 李健

责编 | 陈晓雪

 

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2017年物理界的头版，被引力波完美占据。从VIRGO探测器上线并一举实现与LIGO的联合观测，到LIGO的三位主要科学家毫无悬念地摘取今年的诺贝尔物理学奖，引力波的热潮一次次被推向高点。尤其是宣布观测到两颗中子星的合并，同时探测到短伽马射线暴，确认了巨新星事件，揭示了重元素形成之谜，一个多信使天文学的时代就此开启。

 

有开始就有结束。9月15日，在土星工作了整整13年的卡西尼号探测器燃料耗尽，在向地球发出最后一串信号后加速俯冲入土星大气层，终结了自己的生命。它一共拍摄并传回了数十万张图片，留下了635GB的科学数据，为人类认识土星、探索太阳系积累了极其宝贵的资料。

 

如果说引力波和卡西尼是欧美物理学界的骄傲，本年度的中国物理和天文表现也毫不逊色，亮点纷呈。空间科学卫星大放异彩，相继实现科学目标，取得了世界领先的研究成果。以FAST为首的地面大科学装置蓄势待发，直指国际基础研究最前沿。

 

中国物理，我们开始看到质的飞跃。

 

量子通信领跑者

 

12月19日凌晨，《自然》杂志发布的2017年度十大人物，盘点在过去一年对科学产生重大影响的十位科学家，中国科大教授潘建伟因为在量子通信领域的突出贡献赫然在列。

 

量子通信在理论上有着近乎完美的保密性，有望成为未来通信的基本形式。然而常规光纤或近地自由空间会造成信道损失，导致量子通信的距离一直被限制在百公里量级。由潘建伟担任首席科学家的全球首颗量子通讯卫星“墨子号”于2016年8月发射，2017年圆满实现三大科学目标：千公里级星地双向量子纠缠分发、卫星到地面的量子密钥分发、及地面到卫星的单光子量子比特的隐形传态。他们的论文分别作为封面文章发表在《科学》和《自然》杂志，被《自然》审稿人称为“十分令人激动的消息”，“证明量子技术已经突破了天空的限制，也是中国在物理科学方面的投资及努力的证明”。

 

捕捉暗物质

 

中国科学家在暗物质探测领域正在取得快速进展，或将改写历史。

 

我们所在宇宙的绝大部分是不可见的。其中有25%的物质被科学家们称为“暗物质”，它们可能由一类未知粒子组成，不受电磁力的影响，仅通过引力场与已知物质发生作用。

 

为了捕捉暗物质，一种方法是利用在空气中提纯的惰性元素氙（Xe）作为探测媒介来寻找暗物质，以在中国锦屏地下实验室进行的“熊猫计划“（PandaX）为代表。2017年8月，该项目负责人、上海交大鸿文讲席教授季向东在国际高能粒子天体物理大会上公布了最新暗物质探测实验结果，第二次刷新了暗物质粒子性质限制的世界记录。

 

另外一种是空间利用暗物质碰撞湮灭会同时产生普通物质和反物质（如正负电子对）的原理进行间接探测。2015年底中国发射了“悟空号”暗物质粒子探测卫星。与AMS-02、Fermi等同类项目相比，“悟空”首次观测了TeV以上的高能宇宙射线，并获取了目前世界上精度最高的宇宙线探测结果。项目首席科学家、紫金山天文台常进研究员及其团队11月30日在《自然》杂志上发表的论文称，他们还测量到能谱在约1.4 TeV处的一个可疑信号。耗资仅1亿美元的“悟空号”目前在轨运行状态良好，将继续收集数据，进一步证实该可疑信号的真实性及其是否与暗物质湮灭相关。

 

FAST初具威力

 

在中国西南喀斯特地貌中落成的地球上单体直径最大、灵敏度最高的射电望远镜FAST，被媒体渲染为寻找地外生命的利器。

 

过去的一年，FAST的工程师和科学家们争分夺秒地开展调试工作，目标是在500米尺度上实现毫米级的测量和控制精度。至今年夏末已完成望远镜的功能性调试，包括碟与接收器的联合工作、首次跟踪观测、换源、编制扫描等。

 

目前，FAST已累计试观测1440小时，超额完成500小时的计划观测任务，发现优质脉冲星候选体17颗，其中通过国际认证9颗。

 

“FAST的成功来得有点太快了，让世界措手不及”，德国马普学会射电天文研究所所长Michael Kramer说。FAST发现的脉冲星将在精确测量、未来导航技术、探测超大质量黑洞合并引起的引力波等方面起到关键作用。

 

然而，令人遗憾的是，在成果公布之前的9月15日，耗尽毕生心血建成FAST的首席科学家、总工程师南仁东，因病逝世。

 

12米望远镜之争

 

关系中国天文学下一代科研平台的12米光学红外望远镜建设方案之争，引起轩然大波。

 

中国目前拥有的最大通用型光学望远镜仅为一台2.4米口径、隶属于云南天文台的“欧洲制造”，无法满足迅速增长的国内使用需求。在发改委年初公布的国家重大科技基础设施建设“十三五”规划中，“大型光学红外望远镜”赫然在列，并高居第二的位置。

 

计划中的12米口径光学/红外望远镜不仅能大大减轻我国对国外大望远镜的依赖，如能尽快建成，还可赶在下一代30米级望远镜之前成为世界最大。然而，关于到底该采取哪种技术方案，却在关键时候产生了分歧。

 

以南京天光所为首、有着郭守敬望远镜设计建造经验的团队主张采用四镜系统，以提高成像质量，推动技术创新。另一派却质疑包含未验证技术的四镜系统的可靠性，强烈主张采用国际通行的简单、成熟的三镜系统。双方各执一词，互不相让。两次专家评审的结果大行径庭，越发加剧业内争论。随着国内外媒体对此事的曝光和热烈讨论，12米望远镜项目目前处于搁置状态，前途未卜。

 

凝聚态物理稳步推进

 

中国在凝聚态物理，尤其是高温超导电性、量子反常霍尔效应、拓扑材料与物态等重要领域走在国际前沿。

 

2017年，中国科学家继续积极探寻极端条件下的微观世界。实验方面，稳态强磁场实验装置于9月底在合肥通过验收，使我国成为世界第五个拥有稳态强磁场的国家。同期，综合极端条件实验装置在北京怀柔动工，以期在实验室更好地达成低温度、高磁场、高压强等极端物理条件。理论方面，除了进一步发展已有的办法，如密度矩阵重整化群和蒙特卡罗方法，中国物理学家也开始尝试新的途径，如利用机器学习算法来尝试解决量子多体问题。

 

展望2018

 

展望2018，期待嫦娥四号能按原计划升空，首次实现月球背面软着陆；期待12米望远镜尘埃落定，已完成概念设计的环形对撞机扎实稳健推进。第二批空间科学卫星正在路上，值得关注。

 

天地之大，比我们能想象到的还多得多。在认识世界的道路上，我们正在不断前进。