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項研究進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準：

1. 物理學(xué)領(lǐng)域的重大進展。
2. 對于科學(xué)進步或現(xiàn)實應(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立的團隊，他們分別實現(xiàn)了兩宏觀振動鼓面的糾纏現(xiàn)象，并由此推進了我們對量子系統(tǒng)與經(jīng)典系統(tǒng)間差別的認識。

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，以及美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST）約翰·托伊費爾（John Teufel）和 施羅密·科特勒（Shlomi Kotler）領(lǐng)導(dǎo)的一支團隊。

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

2021年首要突破：實現(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準與技術(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年里取得了長足進步，如今，物理學(xué)家已經(jīng)可以實現(xiàn)并操控那些曾經(jīng)只能在思想實驗領(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，這些鼓面是通過標準微機械加工技術(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，托伊費爾及其同事就在2017年成功地讓這種設(shè)備進入量子基態(tài)。

今年，托伊費爾和科特勒領(lǐng)導(dǎo)的團隊，以及斯蘭帕領(lǐng)導(dǎo)的團隊更進一步，率先在量子力學(xué)層面上實現(xiàn)了兩枚此類鼓面的糾纏現(xiàn)象。這兩支團隊采取的方式并不相同。阿爾托/堪培拉團隊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)。而美國國家標準與技術(shù)研究所的團隊實現(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)。

這兩支團隊都克服了巨大的實驗障礙，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。毫無疑問，這項工作完全算得上是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。試驗過程中，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。

試驗過程中，這支研究團隊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。這項技術(shù)的解碼速率中值是每分鐘15.2詞——一個相當值得期待的成果，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。

這個研究團隊利用拓撲學(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）通過理論和實驗，量化了光子的“波動度”和“粒子度”，并且證明，這兩項性質(zhì)都與光子源的純度相關(guān)。Yoon和Cho在實驗中嚴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)表達式證明了所謂的“光子源純度”與能否在實驗中看到干涉條紋（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)。

這項成果在量子信息領(lǐng)域大有作用，并且能夠讓我們重新認識互補性原理。所謂“互補性”，最早是由量子理論先驅(qū)尼爾斯·玻爾在20世紀初提出的，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：美國國家點火裝置總耗資已達35億美元，現(xiàn)在，科學(xué)家終于接近實現(xiàn)點火的終極目標了——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，朝著實現(xiàn)“點火”的終極目標又邁進了一步。

早在10年前，美國國家點火裝置就啟動了，其長期目標是證明它可以達到點火的條件——聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量不小于輸入的激光攜帶的能量。管理美國國家點火裝置的是勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。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年間的實驗結(jié)果表明，美國國家點火裝置距實現(xiàn)“點火”還差得很遠。于是，研究人員只好回到設(shè)計階段加以改進。

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

部分專家甚至認為，這項成果是自1972年慣性聚變誕生以來的最大進展。

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驗（base）的研究人員通過兩項獨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關(guān)鍵電子躍遷。這一突破為日后進一步檢驗反物質(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驗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，這項技術(shù)稍加改進就能應(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)域存在強磁場。進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、歐洲同步輻射實驗室（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 ）及其同事率先實現(xiàn)了對原子核激發(fā)的量子相干控制。

這個研究團隊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)整脈沖相位實現(xiàn)了鐵原子核在相干增強激發(fā)和相干增強發(fā)射之間的切換。除了可以促使我們更好地認識量子物質(zhì)，這項成果還可能加速新技術(shù)的發(fā)展，比如超精準的核時鐘以及可以儲存大量能量的電池。

在超冷費米氣體中觀測到泡利阻塞現(xiàn)象

美國實驗室天體物理聯(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，這三支研究團隊各自獨立地在超冷費米氣體中觀測到了泡利阻塞現(xiàn)象。

當構(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。上述三支研究團隊都觀測到，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技術(shù)改進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μ子的反磁性

新家：費米實驗室探測器大廳中的μ子g-2環(huán)，這個裝置的目標是研究μ子的旋進現(xiàn)象

μ子g-2合作研究團隊進一步證明了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米實驗室的一個存儲環(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驗室的研究第一次表明，μ介子磁矩的實驗值與理論不符?，F(xiàn)在，費米實驗室與布魯克海文國家實驗室的實驗結(jié)果結(jié)合在一起，將實驗與理論間的差異推進到了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)實驗的檢驗，那就意味著超越標準模型的全新物理學(xué)已經(jīng)出