新鲜出炉：2017年度物理学十大突破
12月11日，《物理世界》（Physics World）评选出了2017年度物理学领域十大突破。这十项突破是由《物理世界》从一份根据报道研究的受欢迎程度所列的候选名单中评选出来的。评判标准包括：
研究的重要性
学科领域的重大进展
理论与实验之间的紧密联系
所有物理学家的兴趣
十大突破中，排在首位的是由天文学家和天体物理学家进行的第一次关于引力波的多信使观测，其他9项突破性成就涵盖了物理学的多个领域。
2017年8月17日，LIGO–Virgo引力波探测器和费米伽马射线太空望远镜探测到的信号只有2秒间隔。它们来自两个中子星的并合–––被正式编号为GW 170817。这是LIGO–Virgo科学家团队首次观察到中子星的并合，仅仅5个小时后，他们计算出了信号来源的空中定位。在接下来的几天里，全世界各地的70多台地面及空间望远镜都将目标对准了GW 170817，在伽马射线、x射线、可见光、红外以及电磁波谱的无线电部分中进行了大量的观测。天体物理学家也在寻找中微子，但一个也没找到。这些联合观测提供了大量关于中子星碰撞的的信息。这些观测也提供了对于重元素如何在宇宙中产生的重要线索。从中子星的并合中测量引力波和可见光也提供了测量宇宙膨胀速率的新的独立方法。此外，这一观测解决了关于高能量短伽马射线暴起源的长期争论。
今年的奖项已经颁发给了成千上万的科学家，他们在全球范围内开展了近50个合作项目。虽然有些奖项，特别是诺贝尔奖，是授予个人而非团体的，但我们意识到，科学是一种协同合作。此外，我们相信，对GW 170817 的多信使观测集中体现了科学的协作性质，是一项成功的典范–––当来自世界各地的人们一起投入一项共同的科学事业时，我们对宇宙的认识就可以取得巨大进展。
加州大学圣地亚哥分校的布巴卡尔·康特（Boubacar Kanté）和同事创造了首台“拓扑”激光器。光线可以在任意形状的空腔中反射且不发生散射，就像拓扑绝缘体表面的电子运动一样。这种激光器工作于电信波长，能导致更好的光子回路，甚至可以保护量子信息不被散射。
京都大学的榎戸辉扬（Teruaki Enoto）及其同事提供了第一个详细而令人信服的证据，证明闪电可以导致大气中放射性同位素的合成。物理学家已经知道：闪电会产生伽马射线和中子，并且怀疑这种辐射和空气中的氮核之间的相互作用会产生放射性核。Enoto及同事通过测量一种核衰变的伽马射线信号证实如上的怀疑。他们认为，这是氮-13等放射性核产生的证据。
马克斯·普朗克生物物理化学研究所、乌普萨拉大学、布宜诺斯艾利斯大学的弗朗西斯科·巴尔扎诺蒂（Francisco Balzarotti），伊万·艾勒斯（Yvan Eilers），克劳斯·哥沃斯（Klaus Gwosch），斯特凡·黑尔（Stefan Hell）和同事研发出了一种新型的超分辨率显微镜，它能实时追踪活细胞中的生物分子。这项新技术被称为( MINFLUX)它结合了两种诺贝尔获奖技术的优点–––其中一种是由黑尔研发的。MINFLUX实现了更快速度的纳米级分辨率，发射光子的数量也比之前的要少。
布里斯托大学的哈特姆·萨利赫（Hatim Salih）及同事、中国科学技术大学的潘建伟（Jian-Wei Pan）及同事在实验里实现了利用量子物理传递信息且无须任何粒子交换。四年前，萨利赫和同事提出了不需要任何物理粒子的传输的新量子通信计划。虽然一些物理学家持怀疑态度，但今年，由潘建伟领导的一个团队在实验室中创建了这样一个系统，并用它传输了一个简单的图像，而在此过程中（几乎）没有传递光子。该技术可以十分方便地对不能直接暴露于光线的古老艺术品成像。
皮埃尔·奥格天文台通过协同合作展示了超高能宇宙射线来自于银河系之外。几十年来，天体物理学家一直认为，1 EeV（即1018 eV）的宇宙射线的来源，可以通过这些粒子的到达方向而得知。这与较低能量的宇宙射线不同，后者因银河系的磁场而发生偏转后，看上去似乎是来自四面八方的。如今在阿根廷，皮埃尔·奥格尔天文台的1 600个切伦科夫粒子探测器显示，超高能宇宙射线的到达率在一半的天空中比在整个天空中更高。更重要的是，有太多远离了银河系的中心–––这表明超高能宇宙射线来自于银河系之外。
马里兰大学的克里斯托弗·门罗（Christopher Monroe）和同事们，哈佛大学的米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）和同事们，独立创建了“时间晶体”。像传统的晶体自发打破平移对称一样，时间晶体自发地打破了离散时间的对称性。五年前时间晶体首次被预测，现在已经有两个具有类似时间晶体特性的基于自旋的系统创立。卢金把自旋用于钻石晶格缺陷中，而门罗将自旋用于囚禁离子。
科罗拉多大学博尔德分校的杨荣贵（Ronggui Yang）和尹晓波（Xiaobo Yin）创造了一种新型超材料薄膜，可以在不需要电源的情况下达到强化冷却的效果。该材料由玻璃微球、聚合物和银制成，采用被动辐射冷却，将热量从其覆盖的物体中散去。它以红外辐射释放能量，因而可以穿过大气层，最终进入太空。这种材料也能反射阳光，这意味着它白天黑夜都能工作。但或许最重要的是，这种材料可以规模化大量廉价生产。
滑铁卢大学的萨沙·阿格尼（Sascha Agne）和托马斯·杰内维恩（Thomas Jennewein）及同事们，牛津大学的斯蒂芬妮·巴兹（Stefanie Barz），史蒂夫·科尔萨摩（Steve Kolthammer），兰·沃姆斯利（Ian Walmsley）及同事们，独立测量了涉及三个光子的量子干涉。这实属不易，因为它需要有能力将三个无法分辨的光子同时传递到同一个地方，同时也要确保在测量中消除单光子和双光子的干扰效应。除了能深入了解量子力学的基本原理，三光子干涉还可以用于量子密码学和量子模拟器。
多国科学家在“扫描金字塔”项目中协同合作，利用宇宙射线μ介子，在埃及吉萨的胡夫金字塔中发现了一个迄今未知的巨大空洞。通过在金字塔内及周围放置不同类型的μ介子探测器，研究小组测量了当μ介子簇射穿过巨大的结构时，是如何减弱的。计算机程序法分析了这些数据，并揭示了金字塔深处一个出乎意料的巨大的空洞。
参考文献：
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