《物理世界》年度十大突破是由5位《物理世界》雜志編輯從網(wǎng)站上發(fā)布的數(shù)百項(xiàng)研究項(xiàng)目中篩選出來(lái)的。

除了項(xiàng)目本身在2019年被《物理世界》報(bào)道過(guò)之外，還必須符合以下幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：

知識(shí)或認(rèn)識(shí)方面的重大科學(xué)進(jìn)步； 對(duì)科學(xué)進(jìn)步和/或?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展的研究重要性； 綜合考慮《物理世界》讀者們的興趣。

突破榜單：捕捉黑洞

2019年度《物理世界》重大突破榜單由天文學(xué)家通過(guò)事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope, EHT）捕捉黑洞及其“陰影”的第一張圖像證據(jù)獲得。

（參閱：）

首張黑洞圖像

這張具有代表性的圖片顯示了一個(gè)位于距離地球5500萬(wàn)光年的星系中心的黑洞周?chē)?lèi)似“甜甜圈”的環(huán)狀放射物。

參與事件視界望遠(yuǎn)鏡的天文學(xué)家們是首批拍攝到黑洞事件視界附近區(qū)域圖像的科學(xué)家，在這里由于極強(qiáng)的引力使得物質(zhì)和能量都無(wú)法逃離。

事件視界望遠(yuǎn)鏡通過(guò)分布在全球六個(gè)不同地點(diǎn)的八個(gè)無(wú)線望遠(yuǎn)鏡共同成像完成的，這本身就是一個(gè)工程上的突破。

黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的65億倍。圖片中被照亮的圓形環(huán)面是圍繞在黑洞吸積盤(pán)周?chē)臍怏w和塵埃。它們被加熱到幾十億度，并通過(guò)無(wú)線電波發(fā)射出明亮的光芒。愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論預(yù)言黑洞周?chē)鷷?huì)有一個(gè)大約是視界半徑三倍的“陰影”，在這張圖片里得到了證實(shí)。

這個(gè)陰影非常有趣，因?yàn)樗拇笮『托螤钪饕Q于黑洞的質(zhì)量，只有少部分因素取決于黑洞旋轉(zhuǎn)的速度。

來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）海斯塔克天文臺(tái)（Haystack Observatory）的謝潑德·杜勒曼（Sheperd Doeleman）在2019年4月10日宣布這一觀測(cè)結(jié)果時(shí)說(shuō)道：“這是我們首次向所有人類(lèi)展示了黑洞的全貌，為我們繼續(xù)探索宇宙打開(kāi)了一扇門(mén)。”

神經(jīng)修復(fù)裝置將大腦活動(dòng)轉(zhuǎn)化為語(yǔ)言

來(lái)自哥倫比亞大學(xué)扎克曼研究所的Hassan Akbari和Nima Mesgarani以及他們的同事們，還有來(lái)自加利福尼亞大學(xué)舊金山分校的Edward Chang、Gopala Anumanchipalli和Josh Chartier共同開(kāi)發(fā)了能從神經(jīng)活動(dòng)中重建語(yǔ)音的神經(jīng)修復(fù)裝置。

這個(gè)新裝置可以幫助無(wú)法說(shuō)話的人恢復(fù)與外界溝通的能力。受益對(duì)象包括癱瘓病人及中風(fēng)康復(fù)者。除了醫(yī)學(xué)應(yīng)用之外，將一個(gè)人的想法直接翻譯成語(yǔ)言，可以使計(jì)算機(jī)直接與大腦進(jìn)行交流得以實(shí)現(xiàn)。

“火星地震”首次發(fā)現(xiàn)

（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

《物理世界》研究突破之一由美國(guó)宇航局探測(cè)火星地震信號(hào)的科學(xué)家們獲得。

研究人員在2019年4月6日發(fā)現(xiàn)了第一場(chǎng)“火星地震”。他們認(rèn)為，這場(chǎng)微小的地震起源于行星內(nèi)部，而非風(fēng)或其他地表現(xiàn)象造成的。這顆紅色行星現(xiàn)同月球一起，成為探測(cè)地外地震活動(dòng)的星球。并且火星同月球一樣，沒(méi)有構(gòu)造板塊，因此在地震活動(dòng)方面預(yù)計(jì)會(huì)比地球安靜得多。對(duì)火星地震學(xué)的研究可以提供關(guān)于火星內(nèi)部構(gòu)造以及如何形成的重要信息。

在粲介子中發(fā)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性破壞

在歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上進(jìn)行LHCb實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家們成為第一批測(cè)量粲介子中電荷奇偶性 （Charge-parity, CP） 破壞的人。

研究小組通過(guò)測(cè)量D0介子 （包含一個(gè)粲夸克） 與反D0介子衰變?yōu)橐粚?duì)K介子/反K介子或一對(duì)Π介子/反Π介子的速率差來(lái)發(fā)現(xiàn)電荷奇偶性的破壞。由于D0介子和反D0介子衰變會(huì)產(chǎn)生相同的物質(zhì)，LHCb團(tuán)隊(duì)面臨的最大挑戰(zhàn)是確定物質(zhì)與D0相關(guān)還是與反D0相關(guān)。

雖然這一最新的測(cè)量結(jié)果與我們目前對(duì)電荷奇偶性破壞的理解是一致的，但它打開(kāi)了尋找標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理可能性。

“小大電感線圈”創(chuàng)造破紀(jì)錄的連續(xù)磁場(chǎng)

來(lái)自佛羅里達(dá)州塔拉哈西美國(guó)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室（MagLab）的Seungyong Hahn和他的同事們創(chuàng)造了實(shí)驗(yàn)室里有史以來(lái)最高的連續(xù)磁場(chǎng)。

這項(xiàng)45.5T的記錄是用一種被稱(chēng)為“小大電感線圈”的緊湊高溫超導(dǎo)體磁體創(chuàng)造的。先前的45T記錄是由一塊重35噸的磁鐵創(chuàng)造的，而MagLab的設(shè)備只有390克。磁鐵的設(shè)計(jì)目的是為了獲得更高的磁場(chǎng)，但在打破記錄的運(yùn)行過(guò)程中被損壞。

這一突破可能將用于醫(yī)學(xué)磁共振成像、粒子加速器和聚變裝置等一系列應(yīng)用的強(qiáng)磁場(chǎng)磁體的改進(jìn)中。

卡西米爾效應(yīng)為微小物質(zhì)制造“量子陷阱”

加州大學(xué)伯克利分校的Xiang Zhang和他的同事是第一批利用卡西米爾效應(yīng)捕捉微小物質(zhì)的研究者。

卡西米爾效應(yīng)是一種奇怪的現(xiàn)象，量子波動(dòng)可以在物體之間產(chǎn)生吸引力和排斥力。Zhang和他的同事們使用了可調(diào)的吸引力和排斥力的組合，在沒(méi)有能量輸入的情況下，在黃金和特氟龍表面之間固定住了一小塊金箔。測(cè)量俘獲過(guò)程中所涉及的微小力是光學(xué)計(jì)量學(xué)的一項(xiàng)勝利，它使人們更好地了解卡西米爾力如何影響微機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行。

如果能進(jìn)一步控制這些力，甚至有可能在實(shí)際應(yīng)用中使用被捕獲的粒子。

反物質(zhì)量子干涉術(shù)首次亮相

利用正電子和激光的量子干涉和引力協(xié)作（QUPLAS）項(xiàng)目組對(duì)反物質(zhì)進(jìn)行了第一次雙狹縫實(shí)驗(yàn)。

他們的實(shí)驗(yàn)包括通過(guò)向周期放大的雙光柵Talbot-Lau干涉儀發(fā)送一束正電子（反電子），顯示出反粒子在經(jīng)過(guò)量子干涉后的行為類(lèi)似于波。研究人員還觀察到了一種衍射模式，這種模式隨著正電子束能量的改變而改變。這種模式在經(jīng)典物理學(xué)上無(wú)法解釋?zhuān)诹孔永碚撝幸呀?jīng)被預(yù)測(cè)到了。

這一突破可能導(dǎo)致其他實(shí)驗(yàn)去尋找物質(zhì)和反物質(zhì)量子性質(zhì)之間的差異。

量子計(jì)算機(jī)的表現(xiàn)超越傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)

來(lái)自Google AI Quantum的Hartmut Neven和John Martinis以及其他幾間美國(guó)科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)的研究者作為第一批在量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算的人，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間比傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)要快得多。

不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，這臺(tái)“量子至上”的計(jì)算機(jī)是由53個(gè)可編程超導(dǎo)量子比特組成，能在大約200秒內(nèi)完成了一項(xiàng)基準(zhǔn)計(jì)算。 而研究小組估計(jì)，一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)完成同樣的計(jì)算大約需要10000年的時(shí)間。 盡管批評(píng)人士稱(chēng)，超級(jí)計(jì)算機(jī)的實(shí)際運(yùn)算時(shí)間大概只需要2.5天，但量子計(jì)算機(jī)在這方面仍有明顯的優(yōu)勢(shì)。

參閱：

利用原子捕獲干涉測(cè)量微小引力

來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校的Victoria Xu和同事們開(kāi)創(chuàng)了一種更緊湊的新方法，利用被捕獲的原子測(cè)量引力造成的局部加速度。

他們依照原子云首先在空間中的垂直分離，然后再重新組合時(shí)產(chǎn)生的干涉模型設(shè)計(jì)了“量子引力儀”。大多數(shù)引力儀是測(cè)量原子在空間里墜落時(shí)產(chǎn)生的重力對(duì)原子的影響，但伯克利裝置則是將原子停留在一個(gè)光阱中，并與重力場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)20秒的相互作用。

這種方式提高了測(cè)量的靈敏度，為從地球物理勘探到基本力敏感測(cè)試的應(yīng)用鋪平了道路。

首次發(fā)明兒童使用的可穿戴MEG掃描儀

來(lái)自諾丁漢大學(xué)、牛津大學(xué)和倫敦大學(xué)學(xué)院的Ryan Hill、Matthew Brookes與同事們合作開(kāi)發(fā)了一種輕便的“自行車(chē)頭盔”式腦磁圖（MEG）掃描儀，用于測(cè)量?jī)和M(jìn)行日常運(yùn)動(dòng)的大腦活動(dòng)。

傳統(tǒng)的MEG系統(tǒng)體積龐大，通過(guò)在一個(gè)固定尺寸的頭盔中使用低溫冷卻傳感器測(cè)量大腦產(chǎn)生的微小磁場(chǎng)，對(duì)任何頭部運(yùn)動(dòng)都高度敏感。相反，研究小組在一個(gè)500克的頭盔上使用了輕型光泵磁力儀，可以適應(yīng)任何頭部形狀或大小。

這臺(tái)掃描儀目前已經(jīng)被用于一個(gè)兩歲的兒童（需要通過(guò)鎮(zhèn)靜劑才能完成掃描的年齡）、一個(gè)五歲看電視的小孩、一個(gè)玩電腦游戲的青少年和一個(gè)彈奏烏克麗麗的成年人身上。