物理学在“看不见的世界”前行

有时，结果之所以重要，并不一定因为它代表着事件的完结，物理学就是如此。物理学是自然科学中最为基础的学科之一，物理学家会提出试图表述大自然现象与规律的物理理论。而一个崭新研究结果的诞生，必将改变人类对世界的认识。
　　
　　盘点2012年的物理学，无论是粒子研究的突破、材料研究的“跨界”还是描述宇宙黑洞的模样，都是物理学家在普通人“看不见的世界”中与科学研究的那些“纠缠”。
　　
　　高能物理：揭开粒子世界的神秘面纱
　　
　　2012年3月8日，大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。物理学家测量出中微子以近乎光速的速度进行变幻莫测的相互转换过程中的最后一个参数。有物理学家评论说，这也许是中国实验物理学的最大成就。
　　
　　2003年，高能物理所科研人员提出了一个设想，利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，来寻找中微子的第三种振荡。院士、中国高能物理学会理事长赵光达表示，“如果这个数值足够大，我们就能进行下一代实验来测量中微子振荡中的宇称和电荷对称性破坏，以理解宇宙中物质—反物质不对称现象，即宇宙中"反物质消失之谜"。否则我们就不知道如何进行下一代实验”。
　　
　　而研究结果表明，在未来的数十年里，中微子物理学将会像每一位物理学家所预想的那样，变得复杂起来。甚至对于解答类似“包含了如此多物质与如此少反物质的宇宙是如何演变的”这种问题，中微子都有可能提供帮助。
　　
　　2012年12月20日，美国《科学》杂志公布了2012年全球科学领域获得的十大突破，中国科学家发现中微子第三种振荡榜上有名。《科学》指出，中微子实验国际合作组发现了中微子的第三种振荡，并测量到了它的振荡几率，这是全世界高能物理学家十几年来做梦都想精确测量的值。
　　
　　这一重要成果对于最终揭开宇宙起源和演化之谜有着重大意义。这本全球著名的刊物还认为，如果物理学家无法发现超越希格斯玻色子的新粒子，那么中微子物理就可能会代表粒子物理学的未来。
　　
　　另一个让全世界科学家为之兴奋的实验，就是探测到希格斯玻色子。
　　
　　2012年7月4日，当欧洲核子研究组织宣布发现一种与“上帝粒子”一致的亚原子粒子时，希格斯表示“难以置信”。
　　
　　“这是里程碑式的研究成果，新粒子的发现对探索微观世界是一个很大的进步。”中国科学院高能物理研究所研究员陈国明表示。
　　
　　对于未来高能物理学的走势，院士在接受《中国科学报》采访时表示，高能物理学将逐步向真空进军。真空既属于粒子物理学，也属于高能物理学。所有量子场论的基态都是“真空”。所有“粒子”都是真空“场”的量子激发。目前，真空不“空”已经是当代物理学家们的共识，向真空进军将成为高能物理学的趋势和导向。
　　
　　材料物理：金属和绝缘体的“跨界”
　　
　　拓扑绝缘体是这几年凝聚态物理学兴起的热点领域，其中涉及许多重要的物理现象和物理机制，同时有着广阔的应用前景。比如，通过研究拓扑绝缘体中电子自旋的运动方式，就可以设法控制和识别电子的自旋。
　　
　　拓扑绝缘体是一种具有奇异量子特性的新物质状态，为近年来物理学的重要科学热点及前沿之一。它完全不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”，它是一种内部绝缘、界面允许电荷移动的材料。
　　
　　换句话说，拓扑绝缘体的体电子态是有能隙的绝缘体，而其表面则是无能隙的金属态。由于其特殊的物理性质，研究拓扑绝缘体对理解凝聚态物质和基本物理，都有着重要意义。
　　
　　拓扑绝缘体的概念是由华人科学家祁晓亮和张守晟提出的，而关于拓扑绝缘体的研究，不少中国科学家和华人科学家更是站在了世界最前沿，相信他们的研究会为许多物理学基本问题的深入认识带来更多机会。
　　
　　2012年3月，上海交大物理系贾金锋、钱冬研究组利用自身在薄膜制备技术和原位表征方面的优势，在拓扑绝缘体/超导体界面的研究方面取得了突破性进展。该工作被《科学》杂志审稿人评价为“材料科学的突破”和“巨大的实验成就”。
　　
　　拓扑绝缘体研究刚开始时，国际上实验探索主要使用块材单晶材料，人们尚未得到高质量的薄膜，然而对于器件应用，薄膜才是关键。对此，中国物理学家在拓扑绝缘体的研究中起了非常重要的作用。
　　
　　2009年，清华大学教授薛其坤和贾金锋领导的实验组率先用分子束外延制备出了高质量的薄膜样品，并从实验上观察到了表面态和朗道能级。目前，国际上已经有多个研究组能够生长出高质量拓扑绝缘体薄膜，但由于界面反应和晶格适配等问题，拓扑绝缘体与超导体之间的高质量界面非常难以制备。
　　
　　目前，半导体器件仅仅是利用了电子的电荷性质，而且越来越小的电路元件使得电子的量子效应越来越明显，摩尔定律似乎已经走到了尽头。要想获得更多的信息处理容量，利用电子的另一个性质自旋是一个非常明智的选择。
　　
　　而且，关于自旋在材料中的运动问题可能涉及到量子力学和广义相对论的基本问题，也许可以模拟宇宙中暗能量的产生原理，这为困扰粒子物理学家多年的引力和其他作用力相互统一以及宇宙组成和演变等问题提供了实际的参考案例和实验材料。
　　
　　天体物理：窥视宇宙的边缘
　　
　　在人们眼中，黑洞一词既神秘又特殊，而在天体物理学家眼里，黑洞是一个绝好的研究对象。
　　
　　2012年5月，云南天文台研究员王建成带领的研究团队在超大质量黑洞周围物理现象研究方面取得进展，他们发现活动星系核的物质传输存在奇特现象，并且，其射电核呈负宇宙演化模式。
　　
　　王建成团队收集了1000多个射电活动星系核，对它们的射电瓣和射电核进行研究，发现射电核和瓣具有不同的演化模式，表明物质从中心向外传输存在奇特现象。
　　
　　研究人员分析表明：当活动星系核中心的超大质量黑洞大量吸积物质时，它“不愿意”抛射喷流物质，而在低吸积物质情况下，它“慷慨地”抛射喷流物质，并产生强的射电辐射。
　　
　　高能物理研究所研究员、粒子天体物理中心主任张双南说，中国计划于2014年发射的空间实验室“天宫二号”将携带国际首个专用的高灵敏度伽马射线暴偏振测量仪器。
　　
　　这项中国—瑞士合作开展的“伽马暴偏振探测项目”（POLAR）是中国空间天文“黑洞探针”计划的组成部分。该计划以黑洞等极端天体作为恒星和星系演化的探针，理解宇宙极端物理过程和规律，解答宇宙组成和演化。此外，中国空间天文界还提出了“天体号脉”和“天体肖像”计划。
　　
　　张双南说，“中国空间站空间天文探测计划”还包括“宇宙灯塔计划”，拟使用空间站作为天文观测和物理实验平台，探索和实验利用宇宙中遥远的X射线脉冲星信号作为宇宙的灯塔信号，实现航天器自主定位和导航，并捕捉宇宙中各种天体快速变化的信号，研究宇宙中剧烈和极端的物理现象。
　　
　　根据规划，中国在2015年前后将发射首个太空望远镜。这是中国自主提出的以黑洞、中子星等致密天体为主要观测研究对象的“硬X射线调制望远镜”（HXMT）天文卫星。