2014物理十大研究突破 宇宙天文占四項

2014年11月12日，「羅塞塔」釋放了「菲萊」著陸器。（Getty Images）

學術界權威雜誌《物理世界》網站（physicsworld.com）評定年度物理重大科研突破，歐洲航天局於11月發射的「羅塞塔」無人探測器登陸彗星的項目，名列第一。本年度中，共有四項天文研究列為十大物理突破成就。

文 _ 張秉開

羅塞塔探知：地球之水不來自彗星

「羅塞塔」無人探測器登陸彗星的項目，被評為2014年物理學最引人注目的研究。《物理世界》編輯哈密斯．約翰遜博士（Hamish Johnston）表示：「我們期盼著這項科學研究帶來的驚奇……通過十年間對彗星之謎的追索，我們能做到將高端實驗室置於其表面而進行研究，我們當然為這科技之旅感到欣慰。」

目前，科學家根據「羅塞塔」（Rosetta）系統發回的大量的數據，通過對比彗星的氫元素同位素氘的比率和地球的明顯差別，基本判斷出地球之水不來源於彗星，更有可能是行星群。

2004年3月「羅塞塔」飛船從南美洲的庫魯航天中心發射，隨後經過三次地球引力和一次火星引力的借力，進入追逐彗星67P的軌道。2008年和2010年，「羅塞塔」飛過小行星2867號Steins、21號Lutetia，2011年6月進入休眠狀態。2014年1月，「羅塞塔」按計畫從休眠中甦醒，並繼續朝著彗星飛行。

2014年11月12日，「羅塞塔」釋放了「菲萊」著陸器。由於彗星表面與預計的截然不同，攜帶光譜分析等實驗儀器的「菲萊」經過兩次著陸，終於成功降落彗星表面。之後，「菲萊」採集彗星的表面物質，收集信息，然後將無線訊號傳回距離5億公里遠的德國達姆斯塔（Darmstadt）指揮中心。

天文研究引注目

12月12日的《物理世界》報導中，除了將人類首次無人探測器「羅塞塔」外，還有三項天文研究列為十大科研突破之中。

其一，美德科學家在1月根據類星體，繪製出意想不到的宇宙網狀結構圖，發現宇宙星系分布成網狀而不是均勻隨機分布在空間，宇宙中的「粗糙」網絲被物質覆蓋，網孔基本為星系稀少的「空洞」。

更大宇宙範圍的網格結構。圖中標尺為10個百萬光年的距離。（phys.org）

隨後在11月的物理專業網站phys.org報導可知，宇宙的網狀結構圖反應出暗物質的普遍存在，星系是非常有序存在。加利福尼亞大學的天文學家倍楠．達爾維斯（Behnam Darvish）說，將星系聯繫在一起的網絲「就像宇宙的『骨架』，在星系的形成和運轉起著作用，這對於目前研究來講，不可思議的深奧難懂。」

其二，國際中微子天文臺（Borexino）8月在意大利的山底地下實驗室，發現太陽中心發射強大的中微子流——證實太陽的99％的能量，來自於質子核聚變為氦的鏈反應。而且10萬年來，太陽產生的能量相當穩定。

其三，牛津大學的物理學家吉安盧卡．格雷高麗（Gianluca Gregori）在實驗室製造出微型超新星，可能有助於理解超新星。據《物理世界》6月報導，格雷高麗說：「多麼驚奇，竟然能在室內試驗臺的範圍內研究多少光年之大的物理天體。」他認為，這個實驗不僅用於研究實際的超新星殘體，而且適用於許多天體系統。

其他六項研究突破

其餘的六項研究分別為磁性全息存儲（2月）、激光核聚變（2月）、改良傳輸圖像光纖（3月）、聲波「牽引光束」（5月）、測量電子間磁力作用（6月）、量子信息壓縮（9月）。

│磁性全息存儲│

今年2月，來自美國加州大學河濱伯恩斯工程學院和俄羅斯科學院研究人員，演示了一種利用自旋波干涉原理的新型全息存儲器。數據存儲為磁比特的形式，而以全息圖像即時讀取。這種新型的存儲器藉助自旋波的波長短的優點，增強了存儲量（存儲密度高），因此有可能成為未來的一種大容量信息存儲設備。

│激光核聚變│

今年2月，美國利弗莫爾勞倫斯國家實驗所的研究人員在受控核聚變的實驗中取得一項關鍵進展，首次在核聚變實驗「點火」時實現了能量「盈餘」。

雖然，這個實驗距離真正實現可控核聚變還差得很遠。但是這些研究人員已經能夠利用超能激光擠壓極微小的氘氚「彈丸」，生成是激光能的2.5倍聚變能量，從而達到基本可以「點火」核聚變的程度。

│改良傳輸圖像光纖│

美國科學家利用「安德森局域化」相變原理，改良了光纖傳輸圖像的品質，該技術可以廣泛用於醫療的內窺鏡等成像系統，能得到更加清晰的檢測圖像。

美國新墨西哥大學、威斯康星大學等科學家反向利用光纖中的無序傳導現象，恰到好處的「引導」這種使圖像模糊的無序運動——即利用橫向「安德森局域化」原理，使光纖傳導速度不受影響，而又能讓無序運動加強對比度，因此得到比目前最好的市售光纖還要清晰的圖像。

│測量電子間磁力作用│

自20世紀20年代理論上發現電子間的弱相互作用力以來，科學家首次得以在實驗室實際測量小小的單個電子之間的力作用大小。

以色列研究人員利用量子信息和離子捕獲（ion-trapping）技術，在排除磁場「背景噪聲」後，測量兩個獨立電子粒子之間的極弱的磁相互作用。（physicsworld.com）

以色列研究人員利用量子信息和離子捕獲（ion-trapping）技術，在排除磁場「背景噪聲」後，測量兩個獨立電子粒子之間的極弱的磁相互作用。

令科學家驚奇的是，在測量電子間的磁作用力時發現，微觀的量子作用竟然能達到人類肉眼所見的宏觀尺度之大。

以色列魏茨曼研究所的科學家施洛米科特勒（Shlomi Kotler）說：「我們感到驚訝。電子的量子力學行為竟然能延展到人類尺度（human-scale duration）（15秒以上）。這種連貫性！那麼微小的磁場作用能一直保持足夠的強度。這是以前根本想不到的現象。」

│聲波「牽引光束」│

5月，英美科學家利用超聲波移動物體，做到了「隔空取物」或者說造出了像科幻小說中所言的「牽引光束」。

據報導，蘇格蘭鄧迪大學物理學家克里斯丁．德莫爾博士（Christine Demore）說，通過一般的超聲波手術儀器（超聲波消融器），「我們能夠用兩束超聲波射向物體的背面，聲波產生足夠大的力，拉動了一釐米大小的物體。」

因為可以移動小物體，所以目前的「牽引光速」有望用於醫療領域，如在治療腫瘤時，將膠囊藥物輕柔準確的置於病灶。

│量子信息壓縮│

加拿大多倫多大學科學家首次在實驗室實現在不破壞量子信息的情況下，進行數據壓縮。科學家將傳統方法無法壓縮的量子信息處理為光子量子比特（qubits）存儲起來。目前能夠做到，將三個比特的量子數據壓縮為2比特（量子比特）。主導該研究的多倫多大學物理學家阿弗雷．斯坦伯格（Aephraim Steinberg）說，這項實驗還讓人了解到量子的未知信息，從量子力學的角度講，觀察相同的量子（如光子）會得到不同的信息，以前的方法不可能完全描述量子的準確狀態。

《物理世界》說，評定為十大科研的依據為「研究的重要性、對人類知識的意義、理論與實踐間的聯繫大小，以及科學家的感興趣度」。◇