凭借詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的令人惊叹的图像、激光聚变的突破、升级后的大型强子对撞机的启动以及小行星防御系统的首次测试，2022 年提供了大量的宏伟成果。 在生物、量子和凝聚态物理学方面也有重要的小规模努力，以及在多样性、公平性和包容性方面的宝贵工作，这些工作可能会导致更公平的物理学界。以下是美国物理学会Physics网站公布“2022年年度亮点”工作。

激光聚变标志性的一年

这一年以高潮结束——年末，美国国家点火装置（NIF）实现了期待已久的里程碑式目标。今年早些时候，该团队实现了点火实验，这是一种能自持续的燃烧条件，在这种条件下，局部自加热相对于外部加热和环境能量损失而言，占据主导地位。上周，研究人员又宣布他们已经迈出了下一步——证明激光诱导聚变反应产生的能量多于消耗的能量。亥姆霍兹耶拿研究所（Helmholtz Institute Jena）的 Matthew Zepf 说，虽然基于激光的实用聚变反应堆还需要几十年的时间，但可以预见，激光聚变的发展速度与计算机科学发展的速度相似。

量子物理中复数不可或缺

薛定谔方程中的虚数单位i预示了其解也可以是复值的。（注：在经典物理学中，人们只用实数就可以写出所有定律；有时引入复数只是为了计算方便。）量子力学中的复数仅仅作为一个方便的计算工具被主观引入，还是它是量子力学本身不可排除的一部分呢？量子理论是否能够仅用实数描述呢？确实有一些物理学家曾经相信基于实数的量子力学可以与现在通行的复数描述给出同样的结果；然而在今年年初，两个独立小组(注：中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波团队和南方科技大学范靖云团队)基于贝尔不等式类型的三方实验表明并非如此。分析表明，复数对于描述此类实验是必不可少的，这意味着实数不足以描述我们通常理解的量子世界。

物理学的多种声音

今年，《物理学杂志》（Physics Magazine）推出了新的播客——“This is Physics”。 第一集报道了LGBTQ+（女同性恋、男同性恋、双性恋、变性人和酷儿）物理学家所面临的困难。 最近的研究表明，LGBTQ+物理学家经常被排斥或骚扰，这些被排斥的经历会极大地影响他们的职业生涯。接受采访的 LGBTQ+科学家分享了他们个人奋斗的积极经历。他们还强调，可以通过一些行动来改善物理学氛围，例如尊重人称代词的使用（以表示你对其性别认同的尊重）、提供不分性别的浴室，以及为受到不公平对待的人挺身而出。

人类看到了银河系的黑洞

今年5月，科学家公布了有史以来的第二张黑洞图像。第一张黑洞照片于2019年发布，展示了一个距离地球超过5000万光年的超大质量黑洞。而第二张是人马座A*（Sagittarius A*），这一“黑色深渊巨口”距离我们只有26000光年。这项任务绝非易事，因为科学家们需要从不同的望远镜拍摄的快照中重建一个完整的图像。而这些快照却会因为人马座A*周围气体的运动而模糊损坏。为了解决这些问题，该团队开发了一种算法，可以从数千张重建的图像中挑选出最佳拟合观测数据的图像。“得到这个结果耗费了我们几年时间，但我们从未在挑战面前退缩”，加州理工学院研究这些算法的工程师Katie Bouman说。

 

关于希格斯玻色子的更多内容

希格斯玻色子被发现十年后，没有发现任何违背标准模型的现象。但粒子物理学家认为，研究希格斯粒子比以往任何时候都更重要。了解希格斯粒子如何与自身以及与其他粒子相互作用，或者发现其他类希格斯粒子，都可以帮助物理学家破译暗物质的性质或解释物质相对于反物质的主导地位。LHC（大型强子对撞机）的第三次运行于7月开始，可用于分析的希格斯粒子数量将增加一倍。 “我们真正进入了精确的希格斯物理学时代，”共同发现希格斯粒子的 CMS 合作组织发言人Luca Malgeri说。

 

两个太空探索的里程碑

7月12日，美国航空航天局（NASA）向全世界分享了詹姆斯·韦布太空望远镜拍摄的第一批图像。詹姆斯·韦布太空望远镜是人类发射到太空中最大的望远镜。在整整三个月后，行星防御工事的首次演示实验成功进行。这个演示实验使用一艘航天器撞向一颗小行星并实现了既定的目标：改变了小行星的轨道。虽然这两个事件的进一步应用和影响仍有待发掘，但这一年可能会作为太空研究的分水岭而载入史册。

破译蛋白质折叠

在过去的几年里，AlphaFold（一种机器学习模型）在根据氨基酸序列预测蛋白质的三维结构方面取得了巨大的成功。今年，研究人员让AlphaFold进一步有了揭示控制折叠过程的基本物理原理的能力。任何给定的氨基酸序列都可以以多种方式折叠，AlphaFold可以从所有候选结构中选择出可行的。研究发现，在这样做的过程中，AlphaFold“学习”了物理原理，例如蛋白质的折叠势能。这一发现表明，机器学习可以获知复杂的分子生物学过程的信息——这些是无法从第一性原理推衍出的。

 

当代“伽利略”

夏末，“MICROSCOPE” （显微镜）——一个基于卫星的实验声称它已经以迄今为止最高的精度验证了等效原理。根据等效原理，引力质量和惯性质量是完全等价的。探究这两者之间的差异可以揭示与暗物质和暗能量等神秘事物相关的超越标准模型的物理学。自伽利略时代以来，人类所进行的实验已经越来越精确地验证了这一原理。由于没有地球地面引力的干扰，“显微镜”打破了此前所有的灵敏度记录。这一试验通过比较两个不同材料圆柱体的下落速度，表明引力质量和惯性质量的差别不到千万亿分之一（10⁻¹⁵）。

汞之谜被破解

汞是最早被发现具有超导性质的金属。研究人员提出了一种理论描述，可以从第一性原理预测这种金属的行为，这一理论或许揭示了汞最后一些不为人知的秘密。超导是1911年物理学家昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）在将水银冷却到大约4开尔文时发现的。虽然汞后来被认为是“常规超导体”，但没有任何微观理论能够准确地描述它。通过理解与汞的超导性质有关的微妙但经常被忽视的影响因素，研究人员成功得到了一个可以准确描述汞超导行为的新理论。这一发现可能有助于在接近常温常压的条件下设计和搜寻常规超导体材料。

更清晰的量子听觉

研究人员基于快速测量量子力学纠缠光子对的新技术研制了一种优于经典麦克风的“量子光学麦克风”。该团队将一系列低音量说出的单词编码为纠缠光子携带的光信号，然后检测光信号并将其转化为录音。相比于经典的声音记录方法，受试者能更准确地识别这些“量子记录”的单词。研究人员表示，这种技术具有测量快速且嘈杂的信号的潜力，例如生物细胞中单个分子运动产生的信号。

参考文献：

https://physics.aps.org/articles/v14/179